新型冠状病毒(SARS-Cov-2)的增殖过程是怎样的?能讲的既准确又简单吗?

admin 阅读:72 2024-04-18 08:10:51 评论:0
新型冠状病毒(SARS-Cov-2)的增殖过程是怎样的?能讲的既准确又简单吗?

  由于新型冠状病毒SARS-Cov-2,我现在没有回学校上课,想念健康快乐的上班生活啊。

  作为一名高中生物学老师,优势是知道高中阶段会学些什么,也知道课本里那些地方有病毒相关的知识。我在想,如果是要把冠状病毒相关的知识讲给高中学生听,怎样来讲述才能既保证准确又足够简单呢?

  先说答案。答:以我的能力,不能!这篇文章只做到了简单。

  我建议在家学习的高三学生,尤其是参加全国卷考试的,一定要把人教版必修课本(2004年初审通过版)从头到尾翻了一遍。

  我也翻了一遍,将于病毒相关的知识点搜集了一番。以下是我搜集到的内容,整理思维导图如下(按页码排序),仅供参考。图1:高中生物课本里的“病毒”

  高中生物课本中没有一个专门章节来介绍病毒,而是在各册书中散乱出现。我们把这些知识重新组织一下。整理思维导图如下(按照逻辑顺序)。图2:病毒的知识点梳理

  有了以上的生物学基础知识,我们就可以以此为基础,稍稍拓展一下了。

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  第一部分:新型冠状病毒是病毒

  1.1病毒的最大特点:没有细胞结构

  病毒没有细胞结构。因为没有细胞结构,所以有些人并不认同病毒是生物;有些认为病毒能够在细胞中繁殖下一代病毒,可以认为是生物;还有人觉得引起疯牛病的朊病毒也可以讨论一下。各种说法都有道理,高中阶段的看法是:病毒属于生物,遗传物质是核酸。朊病毒不属于生物。

  1.2病毒结构很简单。

  高中课本中有两个模式图,可以做个比较。图3:大肠杆菌模式图(左)与噬菌体模式图(右),图片源自高中生物学课本(2019版)[1]

  其他版本有这样的。 图4:有细胞结构的细菌和没有细胞结构的病毒,图片来源:二混子—Stone的微博[2]

  大道至简,无招胜有招啊。功能越简单,反而越耐久。

  1.3病毒之间的差距非常大,新型冠状病毒位置在哪?

  病毒与病毒之间的差距有可能比人类和草履虫之间的差距还要大。细胞生物之间能找出很多相同点,比如都有细胞膜、细胞质、核糖体等,遗传物质都是DNA。但是病毒之间,比如烟草花叶病毒和噬菌体,连遗传物质都不同。细胞生物的中心法则是相同的,但是病毒的可以分为图2的几种,如果要细分,情况会更加复杂。图5:病毒的分类(按照遗传物质)

  图5:病毒的分类(按照遗传物质)

  在图5表格中,新型冠状病毒应该放在哪个位置呢?

  答案是,新型冠状病毒属于正链RNA病毒。(不急,含义后面会解释)

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  第二部分:新型冠状病毒的基本结构与增殖过程

  2.1 新型冠状病毒的基本结构

  冠状病毒的名字与它的结构密切相关,其遗传物质是单链的RNA。其内部核衣壳部分的物质组成为蛋白质和RNA;病毒包膜是冠状病毒入胞的必备结构,由蛋白质和脂质组成。图6:冠状病毒的组成(最简版)

  图6说明:A 图为冠状病毒结构模式图,B 图冠状病毒包膜(上)与内部核衣壳(下),C图为烟草花叶病毒。

  如果去掉病毒包膜再去和烟草花叶病毒比较,看着就比较像了吧。像冠状病毒这样的称为有包膜病毒,而烟草花叶病毒属于无包膜病毒。

  冠状病毒是怎么进入细胞完成增殖过程的呢?

  这一部分我尽量说简单些,但是有些名词还是要解释一下。不解释这些,就没办法说清楚,希望大家能理解。

  2.2一些必要的名词解释图7:几个名词解释,为图8做准备

  2.2.1正链RNA与负链RNA碱基互补。(+)RNA,具有polyA尾巴,可翻译蛋白质。(+)gRNA是病毒的遗传物质,与其他物质共同组成子代病毒。(-)RNA,负链RNA,正链RNA为模板复制转录而来,不翻译蛋白质。(-)RNA是中间过程所必需的,以此为模板形成(+)RNA。

  2.2.2冠状病毒的基因是RNAgRNA指的是基因组RNA(genomic RNA),是病毒的全长RNA。sgRNAs指的是亚基因组RNA(Subgenomic RNAs),最后的S表示复数形式。是病毒的全长RNA的一部分。

  2.2.3复制、转录与翻译复制(replication),基因组复制得到子代基因组,在这里是(+)gRNA复制得到(-)gRNA,(-)gRNA复制得到(+)gRNA。转录(transcript),基因组信息到RNA(高中课本中的转录是DNA信息到RNA)翻译(translation),RNA信息到蛋白质。RTCs(replication transcript complexes),复制转录复合体,参与病毒RNA的复制和转录。

  明白了以上名词的含义,我们来看看新型冠状病毒的繁殖过程。

  2.3 新型冠状病毒的增殖过程简述

  相信这个图大家在很多公众号都见到过,我们也用这张图来解释一下。图8:感染人类的冠状病毒增殖过程[3]

  病毒与膜上的受体结合后被允许入胞,遗传物质RNA从病毒壳中脱离,并利用细胞内部的翻译系统得到复制转录必须的蛋白质,之后复制、转录、翻译得到组成病毒的全部物质,组装得到子代病毒并胞吐出细胞。

  好了,这是我能想到的最简略的解释了,水平有限,大家不要难为我。英语好的同学可以去看英文论文吧。

  如果你读到了这里感觉还行,我们可以再稍微加一点点,有些高中生刷题的时候可能会看到下面的知识。

  第三部分:对冠状病毒的核酸检测的简单解释*

  1957年,科恩伯格和他的合作者在大肠杆菌中国发现了第一个DNA聚合酶(DNA polymerase),为了与之后发现的DNA聚合酶区分,编号为Ⅰ[4]。在DNA复制过程中,DNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ都有参与并起了不同的作用。DNA聚合酶Ⅰ是一种多功能酶,除了具有5’→3’聚合酶活性以外,还具有3’→5’和5’→3’的外切核酸酶活性。[4] [5]图9:DNA聚合酶Ⅰ具有外切酶活性[6]

  冠状病毒的核酸检测原理我们看图说话。图10:实时荧光定量PCR原理图,图片来源[7],红字为增加的说明

  在使用TaqMan荧光探针的实时荧光定量PCR过程中,探针完整时,报告基团发射的荧光信号被淬灭基团吸收;探针被酶切降解后,荧光基团和淬灭荧光基团分离,荧光信号并荧光监测系统监测到。

  注意看标注的过程②,探针是被DNA聚合酶水解掉的。整个过程中DNA聚合酶(Taq)就同时发挥了聚合酶活性(过程①)和外切酶活性(过程②)。

  第四部分:特别要和高中生说的话

  高中生特别要注意,这里有些部分的内容和高中知识不太一样。不是所有的病毒都是裂解出细胞的。核酸和蛋白质是所用病毒共有的,有些病毒还可能有脂质。转录的概念与高中课本不一样,考试以课本为准。DNA聚合酶有多种,DNA聚合酶Ⅰ有聚合酶活性,也有外切酶活性。

  在读高中生要注意,有些时候,知道的越多越迷茫,想的越多越不会做。学习是学习,考试是考试;学习是为了求真,考试是为了得分。

  2020,高考加油!

  参考文献:[1] 高中生物学课本(2019版)必修Ⅰ第11页,必修Ⅱ第44页,[2][3] To Sing Fung and Ding Xiang Liu. Human Coronavirus: Host-Pathogen Interaction. Annual Review of Microbiology, 2019.文章网址:[4] DNA polymerase I: from crystal structure to function via genetics. Joyce C M,Steitz T A. Trends in Biochemical Sciences . 1987[5] Structureof large fragment of Escherichia coli DNA polymeraseⅠcom-plexed with dTMP. OLLIS D L,BRICK P,HUONG R,STEITZ T A. Nature . 1985[6]向义和.DNA聚合酶Ⅰ的功能与结构的发现[J].自然杂志,2011,33(06):346-354.[7] [*]第4部分是从之前文章迁移过来的,文章传送门在此。小虎纸:限制性核酸内切酶简称为限制酶,简称为内切酶不好吗?

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