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劲然是这样|曾斯劲:抗生素基本概念

生过病的人,应该都记得医生给的颜色鲜艳小胶囊。那小小的胶囊内,其实就是细菌的克星——抗生素。抗生素的种类繁多,它们通过破坏细菌的DNA来达到消灭细菌的目标。

最近几天我生了一场“小病”,也发现身边的朋友还是学生似乎因为最近的问题也生病了。其中,我最时常被学生问的问题是:

“老师,为什么要吃抗生素?”

“老师,为什么抗生素在生物课本里注明说是拿来杀细菌的,那如果中病毒感染例如新冠的话为什么也要吃抗生素?”

各种各样的抗生素

抗生素的渊源我并没有在前几年的专栏里写得很清楚。如要要认真探究起来的话,抗生素的历史可以追溯到20世纪初,当时科学家们开始意识到某些微生物可以产生可杀菌物质,从而阻止其他微生物的生长。1928年,英国科学家亚历山大弗莱明(Alexander Fleming)发现了青霉素(Penicillin)。青霉素发现是个意外,是在青霉菌(Penicillium)上无意中找到的。

读生物的学生肯定对青霉素感到不陌生,这是第一个被广泛应用的抗生素。随后,人们陆续发现了许多其他类型的抗生素,如红霉素(Erythromycin)、链霉素(Streptomycin)等,这些药物的发现改变了医学的面貌,从而使得以前致命的感染病变得可以治愈。人类在20世纪的死亡率,真的因抗生素开始广泛应用后而大大减低了。

抗生素可以根据其来源、作用机制和化学结构分类。根据来源,抗生素可以分为天然抗生素(如青霉素、红霉素等)、半合成抗生素(如阿莫西林Amoxicillin、阿奇霉素Azithromycin等)和全合成抗生素(如氟喹诺酮Quinolone类抗生素)。除此之外,作用机制和化学结构也是分类抗生素的方法。抗生素可以分为细菌静息药、细菌杀灭药和抗菌药物等。化学结构的话,抗生素可以分为β-内酰胺类、大环内酯类、氨基糖苷类等。

扑灭细菌的原理

今天我想解答的问题是:“为什么抗生素只作用于细菌而不是病毒?”主要原因其实可以根据抗生素的作用机制和细菌的生理结构来做个说明。细菌的细胞跟人类细胞相比,其实多了一个叫细胞壁cell wall的东西。细胞壁让细菌变得坚韧,不容易被外界情况干扰而死掉。其中,抗生素例如青霉素却可以阻断细菌细胞壁合成。我们可以想象到细菌细胞壁对于细菌的生存至关重要,它保持了细菌的形态,同时还能防止细菌受到外部环境的损害。青霉素通过抑制一种名为横向连接酶的酶类活性来阻断细菌细胞壁的合成。这使得细菌细胞壁脆弱,因此细菌在生长(变大个时)和分裂时会因细胞壁无法支撑更大的尺寸而破裂死亡。

此外,抗生素干扰细菌细胞里的蛋白质合成。这概念或许听起来很玄乎,但在读生物的同学的基本知识里,我们可以知道我们身体里的各个细胞及结构都是蛋白质组合而成的。抗生素通过与细菌里的核糖体(产生蛋白质的地点)结合,阻止蛋白质的合成。但蛋白质无法产生时,细菌里的功能就会在前一代蛋白质组成的结构“退休”后而“后继无人”。久而久之就衰败而亡了。核糖体是细菌细胞内负责蛋白质合成的重要结构,抗生素的结合会导致核糖体功能受损,从而影响了细菌的生长和繁殖。

除了针对细胞壁和核糖体,一些抗生素如喹诺酮类抗生素的作用方式也是十分地厉害。每个生物细胞里最重要的部分就属DNA,包含了一个生物的所有基因资讯。没有DNA的资料,一个细胞就无法运行。抗生素可以通过抑制细菌DNA合成酶的活性,阻止细菌的DNA复制和修复过程,从而导致细菌死亡。这方法可说是直接击中了细菌细胞的核心,直接让它们原地去世。

那为什么病毒对抗生素没有反应呢?我这里就简单地跟大家说,上面说到细菌的3个部分(细胞壁、核糖体和DNA),病毒没有细胞壁和核糖体,也不一定有DNA。因此,很多抗生素就无法对病毒产生任何效果。因此,要针对病毒感染而导致的疾病的话,就不会用抗生素,而是用抗病毒药物了。

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曾斯劲

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