大学化学, 2020, 35(12): 9-12 doi: 10.3866/PKU.DXHX202005037

专题

从分子间作用力看新冠病毒的前世今生

刘萍,

Past and Present of SARS-CoV-2 from the Perspective of Intermolecular Forces

Liu Ping,

通讯作者: 刘萍, Email: liupingsjj@sjtu.edu.cn

收稿日期: 2020-05-13   接受日期: 2020-07-4  

基金资助: 2019年上海交通大学本科教学改革项目.  CTLD19J002

Received: 2020-05-13   Accepted: 2020-07-4  

摘要

化学这一研究物质世界基本结构的学科是一个很好的工具,能帮助我们认清新冠病毒的基本结构特征。本文以第一人称的叙述方式,从化学角度讲述了新冠病毒的基本结构、组成和它繁衍后代的方式。阐述了自然界中普遍存在的分子间作用力在生命组装体的结构、组成、复制和繁衍过程中所发挥的重要作用。

关键词: 新型冠状病毒 ; 分子间作用力 ; 自组装 ; 亲水 ; 疏水

Abstract

A good way to understand the complex structures and mechanisms of SARS-CoV-2 is from the perspective of chemistry. The basic components, structures, and replication processes of SARS-CoV-2 are described in a firstperson perspective to elucidate the essential role of intermolecular forces in living organisms.

Keywords: SARS-CoV-2 ; Intermolecular forces ; Self-assembly ; Hydrophilic ; Hydrophobic

PDF (634KB) 元数据 多维度评价 相关文章 导出 EndNote| Ris| Bibtex  收藏本文

本文引用格式

刘萍. 从分子间作用力看新冠病毒的前世今生. 大学化学[J], 2020, 35(12): 9-12 doi:10.3866/PKU.DXHX202005037

Liu Ping. Past and Present of SARS-CoV-2 from the Perspective of Intermolecular Forces. University Chemistry[J], 2020, 35(12): 9-12 doi:10.3866/PKU.DXHX202005037

我是新型冠状病毒(SARS-CoV-2),来自冠状病毒家族——地球上一个古老的家族,但人类认识我们的时间还不长。我们冠状病毒也有四大家族[1],分别是α家族、β家族、γ家族和δ家族,我则来自于最庞大的β家族,大家熟知的SARS冠状病毒(SARS-CoV)和MERS冠状病毒(MERS-CoV)都是我的堂兄。这段时间我们给生活在这个美丽星球上的人类带来了很大麻烦!其实我们也不想这样,但我们也有活下去的渴望啊。以前我们只寄居在蝙蝠等小动物体内,传宗接代壮大着我们的家族,只是近些年才发现在人类的身体内我们可以住得更舒服,于是,我们就来了。没想到给你们带来了这么大麻烦,太抱歉了。

今天我想介绍一下自己,好让更多的人认识、了解我。这样,如果你们人类不情愿,也知道应该采取什么措施防止我们进入人体这个舒适大房子啊。

1 我的前世——基本结构和组成

我是一个带着美丽花冠的球形或椭圆颗粒,颜值高、能力强。只是身材非常娇小,尺寸大约只有60–140nm [2],我和我的八百到一千个兄弟姐妹整齐排成一列才能有你们人类的一根头发丝直径的长度呢。哎,我们实在太小了!人类只能在扫描电子显微镜等精密仪器的帮助下才能看到我们,你们人类的科学家已经用冷冻电镜给我们拍了许多照片呢。

其实,我的身体结构也不复杂(如图1(A)[2]所示),如果剖开我的球状身体(有点小残忍哦),就可以看到球状包膜包裹着我的遗传物质RNA,包膜上还有无数突出的小触手(刺突蛋白),可别小看它们哦,当我们想进入宿主的身体时,它们可是起到了“尖刀兵”的作用哦。

图1

图1   (A)冠状病毒颗粒的结构模型及其功能蛋白和病毒包膜的磷脂双层结构[2];(B)磷脂分子结构

电子版为彩图


从化学角度看,我是由一些小分子和蛋白质分子通过分子间作用力组装在一起的。先看看我的包膜吧(就是图1(A)中维持我球形身材的那层红色膜),它是由许许多多磷脂小分子通过分子间作用力结合而形成的磷脂双分子层结构。先放大仔细看看每个磷脂小分子吧,它们的结构非常独特(如图1(B)所示),都有亲水的头部——磷脂酸胆碱部分和疏水的两条细长腿——甘油酸脂部分。它们看起来就像一个个小人,它们亲水的头部都是极性基团,会通过离子键、氢键等作用力互相吸引紧密地靠在一起;它们细细的长腿则都是疏水的碳氢长链,当它们互相靠近时,疏水力就会把它们紧紧地拉在一起,这些磷脂小分子就会像一队小人那样自动排成长队,无数条这样的长队又会紧密排在一起形成一层阵列,这就组成了磷脂双分子层中头朝外、脚朝里的包膜的外层。奇妙的是,又有另外许许多多磷脂小分子以相同方式,头挨头、腿贴腿地站在一起,组成了包膜的内层。这两层磷脂层又被疏水作用紧紧地吸引着脚对脚地站在一起,一层头部向外,一层头部向内,组成了紧密排列的磷脂双层包膜(如图1(A)所示)。

这一磷脂双分子层包膜中又插入了一些功能蛋白分子,如:刺突蛋白、膜蛋白和套膜蛋白等。有的膜蛋白是亲水性的,通过离子键和氢键与双磷脂层的极性头部相结合。有的蛋白质大分子本身就是两性的,可以贯穿磷脂双分子层,露在膜外的部分是含有极性侧链的氨基酸结构,插在膜层中间的部分是含非极性侧链或基团的氨基酸片段,能与磷脂分子疏水的尾部产生相互作用,随后蛋白大分子就可以和磷脂双层膜紧密地结合在一起。我的几员能文能武的大将,如刺突蛋白(Spike Protein,S蛋白)、膜蛋白(Membrane Protein,M蛋白)、套膜蛋白(Envelop Protein,E蛋白)等,就是以这种方式和我的包膜紧紧结合在一起的。其中膜蛋白(M Protein)还在帮助磷脂双层膜增加曲率弯度方面提供了很大帮助,让我的包膜能形成一个圆或椭圆的球层包裹住我的遗传物质——RNA。它们还在寻找寄生宿主、融合、复制等传宗接代过程中发挥着重大作用呢[1]。我身体最重要的部分就属包膜所要保护的遗传物质了,它是个包含约30 kb遗传信息的正链单链RNA [3],它被螺旋状核壳蛋白(N Protein)保护着。我的传宗接代全靠以它为模板进行编码复制,才能把我的独特基因传给下一代呢。

其实在我的身体结构中,不管是磷脂小分子还是蛋白大分子,除了让原子们手拉手连在一起的共价键之外,各种分子间弱相互作用力(就是化学课上学的范德瓦尔斯力和氢键)就像粘合剂般搭起了我的身体这座小房子。就连组成我身体必不可少的蛋白质大分子,它们的螺旋结构或折叠结构的保持在很大程度上依靠着氢键和疏水力的作用,蛋白质的三级结构也主要依靠广泛存在且数量庞大的氢键、疏水作用力来支撑。当然,配位键和离子键也有贡献哦。最重要的是,当我传宗接代时,我的RNA在聚合酶工厂里编码转录时也是完全依靠氢键作用力根据碱基配对原则进行复制的。下面,请近距离看看我是如何生活和传宗接代的吧。

2 我的今生——幸福生活和传宗接代

我们原本生活在小动物体内,后来辗转来到了人类中间,发现人类的身体也是一个宜居空间,就希望在这里开疆扩土,传宗接代,把我们的种群延续下去。当我随着人的唾液微滴悄无声息地来到人类的口、鼻、眼等处时,我的一员猛将——刺突蛋白(S蛋白)就能迅速在这些器官粘膜上找到合适的接收器。人体内有一种叫血管紧张素转化酶2(ACE 2)的蛋白,我的S蛋白只要一发现ACE 2蛋白就用自己的受体结合区域去旋转接近它,它一旦感知到我的存在,它长长的链和我S蛋白上的受体结合区就会被分子间作用力紧紧拉在一起[4],我这个“病毒”颗粒就被牢牢地锚定在人体细胞上了。科学家已经用先进方法为这些蛋白间的界面作用建立起了分子水平的模型,我的S蛋白和SARS冠状病毒的S蛋白与人体ACE 2蛋白的结合方式非常类似,主要还是被盐桥(阴阳离子间作用力)、范德瓦尔斯力等这种弱相互作用拉在一起,且两种S蛋白的受体结合区的尺寸和结构都非常相似,只是序列上一些氨基酸片段不同或原子的空间构象不同,这就造成了两种S蛋白和人体ACE 2蛋白结合能力的差异。科学家已经验证了,我的S蛋白要比SARS冠状病毒的S蛋白结合人体ACE 2蛋白的战斗力强大10到20倍呢[5],这也是我能快速感染更多人的一个原因。紧接着我的S蛋白的另一个基团一个华丽的转身,就引发了我的包膜和人体细胞膜的融合,随后我成功地进入人体细胞,随即释放遗传物质到细胞质中。在这个温暖舒适的环境中,在各种酶的神奇催化作用下,翻译、转录、复制等一系列产生组成新的“病毒”颗粒所需零部件的神奇历程就开始了。随着零部件的齐备,各种弱相互作用开始发挥神奇的功效,M蛋白和S蛋白之间、M蛋白和N蛋白之间的相互作用诱发了组成一个新的“病毒”颗粒的各个零部件的聚集,M蛋白和E蛋白的相互作用还会对形成我外层包膜的磷脂双层增加曲率弯度提供帮助呢,这样自组装起来的包含功能蛋白的磷脂双层膜就自动地把新鲜复制出的被N蛋白保护着的遗传物质RNA包裹起来,随即一个新鲜复制的“病毒”颗粒在各种弱相互作用下就自动组装完毕,并迅速被细胞吐出释放,一个新生的新冠病毒宝宝就这样诞生了[6]。随着聚蛋白酶工厂的高效运作,我的传宗接代过程就这样无比顺畅地进行下去了。

当人类认清了我是一个靠弱相互作用构建起来的组装体,就能想到办法对付我了。因为我的包膜和核壳体是比较脆弱的,比如在紫外光照射、加热、烘干等情况下都会被破坏,如果我们粘附在衣物上,在风吹、日晒或清洁剂的作用下,我脆弱的包膜就会被破坏。另外,化学清洁剂带来的酸碱环境的变化和化学氧化剂等都会严重损坏我的包膜和蛋白结构[2],这就是为什么用肥皂或洗手液洗手,就能有效防止被我们感染的原因,当然水流也会把我的许多小伙伴冲掉哦。人类已经开始使用肥皂、洗手液、氧化剂消毒水、酒精消毒液来防止我进入他们的身体了,这真是对付我们的硬核杀手锏啊。

但是,人类如果暴露在我们兄弟姐妹密集生活的环境中,千万不可随意触摸口、眼、鼻等器官啊。人类的这些部位的粘膜很脆弱,尤其是呼吸道、肺部这些ACE2表达水平比较高的部位,我们就可以在S蛋白的帮助下迅速从这些通道进入人体内的宿主细胞,进行后代的繁殖并释放出新生病毒,随后快速占领人类身体这个舒适的家园哦。

其实,不仅是我们,自然界大多数生命体中的各种蛋白质结构都是靠这类弱相互作用支撑并保持其生物活性的。就连DNA、RNA这些遗传物质的复制,也是依靠形成氢键、碱基配对来保持它们遗传信息的。可以说弱相互作用力是统治地球上生命世界的一大重要法宝哦。

参考文献

Chen Y. ; Liu Q. Y. ; Guo D. Y. J. Med. Virol. 2020, 92 (1), 418.

[本文引用: 2]

Huang H. Y. ; Fan C. H. ; Li M. ; Nie H. L. ; Wang F. B. ; Wang H. ; Wang R. L. ; Xia J. B. ; Zheng X. ; Zuo X. L. ; et al ACS Nano 2020, 14 (4), 3747.

DOI:10.1021/acsnano.0c02618      [本文引用: 4]

刘彬; 秦照玲; 戚中田. 微生物与感染, 2020, 15 (1), 52.

URL     [本文引用: 1]

Yan R. H. ; Zhang Y. Y. ; Guo Y. Y. ; Xia L. ; Zhou Q. Bi. Rxiv. 2020.

DOI:10.1101/2020.02.19.956946      [本文引用: 1]

Daniel W. ; Wang N. S. ; Kizzmekia S. C. ; Jory A. G. ; Hsieh C. L. ; Olubukola A. ; Barney S. G. ; Jason S. M. Science 2020, 367 (3), 1260.

[本文引用: 1]

Fung T. S. ; Liu D. X. Annu. Rev. Microbiol. 2019, 73 (9), 529.

[本文引用: 1]

/