新冠病毒感染及防控在有機(jī)化學(xué)課程思政中的應(yīng)用及討論*

蓋聰昊，趙慶杰

(海軍軍醫(yī)大學(xué)藥學(xué)系有機(jī)化學(xué)教研室，上海 200433)

COVID-19是由一種新型急性呼吸系統(tǒng)綜合癥冠狀病毒造成的嚴(yán)重傳染性疾病。自2020年冬季起，它已經(jīng)發(fā)展成為全球流行病，對(duì)當(dāng)今社會(huì)發(fā)展造成了聞所未聞的嚴(yán)重打擊。這種新型冠狀病毒與早期報(bào)道的SARS-CoV-1、MERS-CoV (中東呼吸綜合征)冠狀病毒非常相似，結(jié)構(gòu)上存在類似的表面蛋白并且能夠引起嚴(yán)重的急性呼吸窘迫。隨著病毒的變異，其傳染性逐漸增強(qiáng)。據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)統(tǒng)計(jì)，截至本文撰寫時(shí)，新型冠狀病毒感染的確診病例已超過(guò)4.8億，而且數(shù)字還在不斷上升。 “疫情常態(tài)化” 逐漸成為社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)。如何科學(xué)應(yīng)對(duì)疫情發(fā)展，是當(dāng)前國(guó)家和社會(huì)各界致力解決的重要問(wèn)題。

有機(jī)化學(xué)作為醫(yī)藥專業(yè)的基礎(chǔ)學(xué)科，不僅與日常生活息息相關(guān)，它也融入在新冠病毒的結(jié)構(gòu)識(shí)別、化學(xué)預(yù)防和藥物開發(fā)等分子生物學(xué)和藥學(xué)研究領(lǐng)域的方方面面。因此，將科學(xué)防疫加入課程設(shè)計(jì)中，對(duì)有機(jī)化學(xué)的教學(xué)會(huì)多有助益。我們將從有機(jī)化學(xué)的角度揭示新冠病毒的結(jié)構(gòu)和作用模式，解釋消毒液、肥皂水等洗護(hù)用品對(duì)病毒的殺滅作用及其機(jī)理，并通過(guò)有機(jī)化學(xué)全面介紹新冠特效藥Paxlovid等抗病毒化合物的研究進(jìn)展，探討有機(jī)化學(xué)教師是如何將新冠病毒和疫情防控深入到一線課堂的。

1 蛋白質(zhì)和核酸

雖然蛋白質(zhì)和核酸在有機(jī)化學(xué)的教學(xué)內(nèi)容中所占的學(xué)時(shí)比例不多，但是卻是學(xué)生學(xué)習(xí)生物化學(xué)的基礎(chǔ)。無(wú)論是蛋白質(zhì)還是核酸，同化合物分子和官能團(tuán)一樣，都是微觀世界的組成單位。學(xué)生在學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容時(shí)，普遍會(huì)認(rèn)為內(nèi)容不重要或者內(nèi)容過(guò)于抽象而喪失學(xué)習(xí)興趣。年輕教師也會(huì)由于經(jīng)驗(yàn)不足，在教學(xué)設(shè)計(jì)中無(wú)法添加足夠的課程思政元素而使得課堂索然無(wú)味。但是，蛋白質(zhì)和核糖核酸是組成新冠病毒結(jié)構(gòu)的基本單位。因此，如果以新冠病毒的結(jié)構(gòu)和復(fù)制過(guò)程為引導(dǎo)，可以有效烘托和渲染氨基酸、多肽、蛋白質(zhì)和核酸這章課程的主題。

眾所周知，新冠病毒的結(jié)構(gòu)包括三個(gè)基本的構(gòu)建模塊：?jiǎn)捂淩NA基因組，組成的病毒包膜的脂質(zhì)雙分子層以及表面蛋白。RNA基因組由約30000個(gè)核糖核苷酸組成，編碼四種結(jié)構(gòu)蛋白，即核衣殼(N)蛋白、膜(M)蛋白、包膜(E)蛋白、刺突(S)蛋白和許多非結(jié)構(gòu)蛋白(nsps)(見圖1)[1]。

圖1 新冠病毒結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The illustration of the COVID-19 virus structure

基本上，病毒所有的構(gòu)建塊都通過(guò)非共價(jià)相互作用(如氫鍵、范德華力等)結(jié)合在一起，形成一個(gè)球形的超分子結(jié)構(gòu)。雖然了解病毒的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)似乎超出了有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域，但脂質(zhì)雙分子層、氫鍵的相互作用、蛋白質(zhì)和核酸的結(jié)構(gòu)等都是有機(jī)化學(xué)課程中熟悉的主題。學(xué)員在了解新冠病毒的結(jié)構(gòu)后，不僅可以認(rèn)識(shí)到蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的相關(guān)性，也對(duì)未來(lái)學(xué)習(xí)生物化學(xué)時(shí)更好地理解酶的概念和內(nèi)容有所幫助。

圖2 病毒在細(xì)胞內(nèi)增殖示意圖Fig.2 The illustration of the viral multiplication inside the cell

同樣，通過(guò)介紹病毒的復(fù)制和擴(kuò)散也能更好地闡明有機(jī)化學(xué)中關(guān)于蛋白質(zhì)的合成以及蛋白質(zhì)的一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)和四級(jí)結(jié)構(gòu)的概念。比如病毒進(jìn)入細(xì)胞后(見圖2)，其功能性蛋白酶3CLpro和PLpro是從RNA翻譯先得到的包含多種氨基酸殘基的多肽鏈(一級(jí)結(jié)構(gòu))，通過(guò)α-螺旋和β-折疊形成二級(jí)結(jié)構(gòu)，再進(jìn)一步卷曲折疊而形成的具有特定空間構(gòu)象的緊湊結(jié)構(gòu)(三級(jí)結(jié)構(gòu))。而一些形成病毒的結(jié)構(gòu)蛋白如M、S和E蛋白也會(huì)在細(xì)胞質(zhì)中合成多條多肽鏈后，置于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-高爾基中間室聚合而形成具有特定空間構(gòu)象的大分子(四級(jí)結(jié)構(gòu))[2]。通過(guò)圖片和流程圖的方式可以更直觀地將蛋白質(zhì)的各級(jí)結(jié)構(gòu)展示在學(xué)生面前，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

同樣道理，病毒的遺傳物質(zhì)則在RNA依賴性RNA聚合酶(RdRp)、解旋酶和其他附屬(非結(jié)構(gòu))蛋白的幫助下在宿主細(xì)胞內(nèi)復(fù)制產(chǎn)生多個(gè)基因組副本。由此，不僅可以將RNA的堿基序列和結(jié)構(gòu)引申出來(lái)，也能區(qū)別于DNA的穩(wěn)定性講解為何RNA作為遺傳物質(zhì)更容易發(fā)生突變，這也是病毒變異造成全球大流行的根本原因。

2 化學(xué)預(yù)防手段

化學(xué)預(yù)防手段在個(gè)人防護(hù)中起到至關(guān)重要的作用，包括使用化學(xué)品消毒表面、用肥皂水洗手或洗手消毒。在我們研制出針對(duì)新冠病毒特異性有效的疫苗或藥物之前，化學(xué)預(yù)防是避免感染新冠病毒的最有效途徑。其中，化學(xué)預(yù)防措施的很多方法和機(jī)制都與有機(jī)化學(xué)的知識(shí)息息相關(guān)。

2.1 肥皂、清潔劑與脂肪酸鹽

肥皂和清潔劑一直是消殺病毒非常有效的化學(xué)預(yù)防措施。肥皂和清潔劑中都含有長(zhǎng)鏈脂肪酸鈉鹽(如C17H35COONa，硬脂酸鈉)等表面活性劑成分，又稱為兩親體，屬于羧酸鹽類有機(jī)化合物。兩親體包含兩個(gè)部分，脂肪烴長(zhǎng)鏈稱為疏水尾巴，對(duì)油脂等脂溶性物質(zhì)具有特殊親和力，而羧酸鈉末端則具有極性，為親水(圖3)端。因此，不論是在講授羧酸的成鹽反應(yīng)，還是油脂的結(jié)構(gòu)等有機(jī)化學(xué)課程時(shí)，表面活性劑對(duì)病毒的消殺作用都可以被用作案例進(jìn)行引述。當(dāng)肥皂或洗滌劑溶解在水中時(shí)，許多洗滌劑分子排列在一起，會(huì)形成囊泡狀的膠束，其中親水的羧酸鈉基團(tuán)向外與水結(jié)合，而疏水或親脂的尾部隱藏在內(nèi)部，形成疏水口袋，捕獲我們的皮膚或衣服上的污垢或油漬。

圖3 硬脂酸鈉的兩親體結(jié)構(gòu)Fig.3 The amphiphilic structure of sodium stearate

這些表面活性劑成分在結(jié)構(gòu)上與生物膜的脂質(zhì)分子相似，所以表面活性劑分子能夠與病毒包膜中的脂質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合并取代它們。因?yàn)椴《臼且环N自組裝結(jié)構(gòu)，其中最弱的連接就在脂質(zhì)雙分子層的包膜中。附著在病毒包膜上的表面活性劑分子一端與水結(jié)合，另一端與脂質(zhì)結(jié)合，形成相互推拉作用，從而打破病毒包膜，使病毒結(jié)構(gòu)分解和摧毀。另外，表面活性劑形成的疏水口袋也能將病毒碎片陷入其中。除破壞病毒結(jié)構(gòu)外，肥皂和洗滌劑的另一個(gè)作用是，其中的表面活性劑產(chǎn)生的靜電作用使病毒不能粘附在皮膚上，可以被水流沖洗掉。

2.2 免洗洗手液中的醇類及過(guò)氧化物

和肥皂/洗滌劑一樣，洗手液對(duì)去除病毒也很有用。從成分組成上看，洗手液基本上包含四個(gè)部分：(a)酒精，可以是乙醇或異丙醇；(b)水；(c)甘油；(d)過(guò)氧化氫。由此可見，洗手液消殺新冠病毒可以作為課程思政的經(jīng)典案例用于講解有機(jī)化學(xué)課程中的重點(diǎn)內(nèi)容——醇類。

乙醇或異丙醇不僅具有良好的水溶性和無(wú)毒性，而且能夠裂解病毒包膜中的脂質(zhì)分子，融化病毒包膜，從而滅活病毒。另外，這些醇類物質(zhì)能夠?qū)е虏《镜鞍踪|(zhì)變性，將蛋白質(zhì)去折疊化，從而喪失其生物活性。值得向?qū)W生拓展的是，酒精的消殺作用受濃度影響，特別是在60%～90%的濃度范圍內(nèi)可以迅速殺滅病毒。當(dāng)酒精濃度低于50%時(shí)，消毒效果顯著下降。此外，更高濃度的酒精并不一定產(chǎn)生更大的效力。例如，70%的異丙醇溶液能有效地穿透細(xì)胞膜，擴(kuò)散整個(gè)細(xì)胞，使所有蛋白質(zhì)變性，進(jìn)而摧毀病毒。但是，當(dāng)異丙醇濃度超過(guò)91%時(shí)，它會(huì)立即使蛋白質(zhì)凝固，從而在病毒表面形成一層保護(hù)層，阻斷內(nèi)部蛋白質(zhì)進(jìn)一步變性和凝固。

此外，H2O2可以通過(guò)其氧化性破壞病毒蛋白和遺傳物質(zhì)，H2O2則被還原為水。通常，蛋白質(zhì)的半胱氨酸殘基含有能夠形成二硫鍵的巰基基團(tuán)，以幫助蛋白質(zhì)完成折疊或螺旋形成特定的活性結(jié)構(gòu)。H2O2能夠氧化巰基形成次磺酸、亞磺酸，最后形成磺酸而破壞原本的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，造成蛋白質(zhì)的失活(圖4a)。另外，H2O2能夠氧化病毒的RNA基因組中的鳥嘌呤，從而使病毒的遺傳物質(zhì)被損毀(圖4b)。因此，H2O2溶液只能用在堅(jiān)硬的固體表面，不能用在手上。

圖4 過(guò)氧化氫氧化蛋白質(zhì)的巰基和二硫鍵使蛋白質(zhì)變性(a)；過(guò)氧化氫氧化病毒RNA中的鳥嘌呤，破壞病毒遺傳物質(zhì)(b)Fig.4 Hydrogen peroxide denatures proteins by oxidising their sulfhydryl and disulfide bonds(a)，Hydrogen peroxide oxidises guanine in viral RNA and destroys viral genetic material(b)

2.3 含氯消毒液中的次氯酸鹽

氯基漂白劑，它是次氯酸鈉(NaClO)的水溶液。氯基漂白劑通常用于家庭消毒和清潔。NaClO在溶液中不穩(wěn)定，在水中稀釋分解成Na+和ClO-離子，水溶液呈堿性，pH值約為11。因此，次氯酸鈉在水中的穩(wěn)定性可以用在緒論、pKa等內(nèi)容中作為參考。

NaOCl+H2O←→HOCl+NaOH

HOCl←→H++ClO-

HOCl+Cl-+H+←→Cl2+H2O

次氯酸鹽具有廣泛的抗菌活性，可以在不同濃度下殺死許多常見的病原體。由于次氯酸在溶液中不穩(wěn)定，與自來(lái)水中的氯離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氯氣，所以含氯消毒液會(huì)進(jìn)一步氧化并破壞病毒蛋白質(zhì)和遺傳物質(zhì)。因此，它不像肥皂水或洗手液，只能用于堅(jiān)硬固態(tài)表面的消毒殺菌。只有當(dāng)次氯酸鹽的濃度很低(約0.05%)時(shí)，才能用于洗手。

3 藥物發(fā)現(xiàn)

疫苗和藥物是對(duì)抗擊新冠病毒感染的終極武器。疫苗是通過(guò)接種預(yù)防以實(shí)現(xiàn)群體免疫，而藥物則用于治療受感染者。截至目前，我們還沒有完全有效的治療新館病毒感染的特效藥物。新藥的開發(fā)需要花費(fèi)大量時(shí)間，因?yàn)楹蜻x藥物通常需要數(shù)年的動(dòng)物試驗(yàn)和多階段的人體臨床試驗(yàn)。作為另一種較短周期的替代路線，一些長(zhǎng)期以來(lái)被用于治療瘧疾、SARS、中東呼吸綜合征和艾滋病的著名抗病毒藥物和正在臨床試驗(yàn)中抗病毒候選藥物被篩選出來(lái)并開展對(duì)抗新冠病毒感染的研究和探索，以緩解在這個(gè)艱難時(shí)期對(duì)世界衛(wèi)生系統(tǒng)造成的巨大壓力。

本文將從有機(jī)化學(xué)的角度介紹抗病毒藥物瑞德西韋和輝瑞最新研發(fā)的靶向新冠病毒藥物Paxlovid的化學(xué)結(jié)構(gòu)、合成途徑及其作用機(jī)理，為有機(jī)化學(xué)課堂中的相關(guān)知識(shí)延伸提供參考。

3.1 瑞德西韋(Remdesivir)

瑞德西韋的開發(fā)目的是用于治療埃博拉病毒感染。在先前被測(cè)試的候選藥物中，瑞德西韋曾被認(rèn)為是最有希望治療COVID-19的藥物，因?yàn)樗鼘?duì)包括新冠病毒在內(nèi)的多種冠狀病毒具有廣泛的體外活性[3-5]。雖然美國(guó)食藥監(jiān)局(FDA)對(duì)瑞德西韋的臨床試驗(yàn)數(shù)據(jù)并不完全滿意，但他們首先授權(quán)它用于緊急抗擊COVID-19。

從結(jié)構(gòu)來(lái)看，瑞德西韋由三個(gè)單元組成：堿基(腺嘌呤)衍生物，戊糖和磷?；鶊F(tuán)。(圖5)它作為一種單磷酸核苷酸類似物的前藥，通過(guò)給藥后代謝并轉(zhuǎn)化為具有藥理學(xué)活性的ATP衍生物，并干擾病毒RNA遺傳物質(zhì)的復(fù)制過(guò)程而發(fā)揮療效，從而使病患盡快從COVID-19感染中恢復(fù)[6]。從作用機(jī)制上看，雖然不足以說(shuō)瑞德西韋是一種治愈新冠病毒感染的特效藥物，但它足以在醫(yī)療資源不足的情況下緩解一些壓力。

圖5 瑞德西韋的化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.5 The chemical structure of Remdesivir

瑞德西韋的合成早期是通過(guò)對(duì)藥物化學(xué)合成路線的工藝優(yōu)化，目的是提高化學(xué)合成的產(chǎn)率，此前吉利德公司已經(jīng)在許多研究中報(bào)道過(guò)。最近，Garg團(tuán)隊(duì)找到了一種替代方案，通過(guò)芳香環(huán)親電取代法從氰脒中間體中得到堿基[7]。這種合成路線在戰(zhàn)略上與以前的路線不同，而且原子利用度高，有效降低瑞德西韋的生產(chǎn)成本。同樣的，這種創(chuàng)新合成方法，也可以作為案例用于講授有機(jī)化學(xué)中的芳香烴的親電取代反應(yīng)，同時(shí)引入創(chuàng)新思維等課程思政的元素。

3.2 Paxlovid

Paxlovid是由美國(guó)輝瑞公司研發(fā)的一款口服抗病毒藥物，于2021年11月22日獲FDA批準(zhǔn)用于治療新型冠狀病毒感染。Paxlovid實(shí)際上包含兩種藥物，分別為奈瑪特韋(Nirmatrelvir)和利托納韋(Ritonavir)。其中，奈瑪特韋是靶向新冠病毒的特異性蛋白酶抑制劑，而利托納韋作為抗病毒增效劑，二者聯(lián)合用藥可降低新冠病毒在體內(nèi)的繁殖和傳播能力。

奈瑪特韋是一種靶向MPRO蛋白起作用的蛋白酶抑制劑，通過(guò)下調(diào)MPRO蛋白酶活性而阻斷新冠病毒復(fù)制。它已被證明對(duì)所有已知的可感染人類的冠狀病毒的樣本具有較好的抗病毒活性[8-9]。

研究發(fā)現(xiàn)，奈瑪特韋結(jié)構(gòu)中引入的氰基(紅色)，不僅增強(qiáng)了藥物的口服吸收度，同時(shí)也提高了化合物抗新冠病毒的活性，并且保持了良好的代謝穩(wěn)定性。此外，引入三氟乙酰胺基團(tuán)(藍(lán)色)也提高了化合物的抗病毒活性和透膜率，形成了較好的口服生物利用度[10-11]。如圖6所示，化合物中含有多種羧酸衍生物的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)，因此在講解酰胺、腈等化合物時(shí)，將奈瑪特韋作為案例會(huì)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

圖6 奈瑪特韋的化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.6 The chemical structure of Nirmatrelvir

4 結(jié) 語(yǔ)

一直以來(lái)，有機(jī)化學(xué)理論和生物醫(yī)藥研究相輔相成，一同推動(dòng)化學(xué)防護(hù)產(chǎn)品和特效藥物的發(fā)展，努力為抗擊新冠肺炎做出貢獻(xiàn)。有機(jī)化學(xué)作為一門基礎(chǔ)學(xué)科，涵蓋了病毒的結(jié)構(gòu)識(shí)別、化學(xué)預(yù)防措施和藥物開發(fā)等研究領(lǐng)域的方方面面，尤其在尋找高效應(yīng)對(duì)新冠肺炎的解決方案中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。比如，肥皂水中由長(zhǎng)鏈脂肪烴的羧酸鹽形成的表面活性成分可以破壞病毒包膜，消毒劑中的過(guò)氧化氫可以氧化病毒蛋白質(zhì)衣殼，酒精則使蛋白質(zhì)變性，這些都能夠?yàn)椴煌鹿?jié)的有機(jī)化學(xué)教學(xué)增添新鮮感和亮色。

同時(shí)，本文介紹了新冠病毒的超分子自組裝結(jié)構(gòu)、磷脂雙分子層包膜等，并討論了兩種抗病毒藥物的結(jié)構(gòu)及其作用機(jī)理。因此，學(xué)生在認(rèn)識(shí)新冠病毒，科學(xué)應(yīng)對(duì)當(dāng)前全球大流行的嚴(yán)峻形勢(shì)的同時(shí)，也能加深對(duì)蛋白質(zhì)、油脂、羧酸衍生物等有機(jī)化合物的認(rèn)識(shí)，更有助于教師在有機(jī)化學(xué)課程教學(xué)過(guò)程中對(duì)課程思政元素的發(fā)掘，幫助學(xué)生切身感受到有機(jī)化學(xué)在日常生活和科學(xué)防疫中的重要性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。