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2019-07-15 17:14

一个细胞,一座迷城

Photo by Drew Hays on Unsplash,出品公众号:“SELF格致论道讲坛”(ID:SELFtalks),作者:叶盛,注册送白菜网论坛网科学院生物物理研究所 。


人类对生命的认识是从动物个体开始的。可是如果要回答一些生命的问题,光从动物个体的层次出发是不够的。要追根溯源,刨根问底,宏观的生命现象需要我们深入至微观世界才得以解答。微观到什么程度呢?


今天我要讲的是一种肉眼看不见的物质——蛋白质。


其实人类对生命的认识是从动物个体开始的。可是如果要回答一些生命的问题,光从动物个体的层次出发是不够的。为什么呢?



举个例子,为什么血液是红色的呢?因为血液里面有红细胞,而红细胞是红色的。


红细胞为什么是红色的?因为红细胞里有一种蛋白质,它的名字叫血红蛋白,它是红色的。


血红蛋白为什么是红色的?因为血红蛋白里含有铁,铁这种微量元素很容易和氧结合到一起,这样就能把氧带到我们全身各处。


可是,铁不是黑色的吗?怎么就成红色的了?因为铁氧化了,氧和铁结合后形成的氧化铁是红色的,所以我们的血液才是红色的。


通过这个简单的例子,我们知道,要追根溯源,刨根问底,宏观的生命现象需要我们深入至微观世界才得以解答。微观到什么程度呢?细胞、微生物……这些都不够,我们一直要微观到分子、原子才可以。


细胞有多大


细胞有多大?是0.1毫米,也就是万分之一米。这也是人类肉眼分辨率的极限。所以想用肉眼观察细胞内部是不可能的,因此我们需要借助显微镜。


显微镜下的细胞


左上图是洋葱表皮细胞。把洋葱一层层地剥开,将其内表皮撕下来,就会很容易得到它的单层细胞。显微镜下,这些细胞呈现为一个一个的格子。实际上,细胞对应的英文单词叫cell,cell这个词本身的意思就是小格子。所以,洋葱表皮细胞呈现的其实就是细胞的一个基本形态。


右上图是人体肾脏的细胞,每一个格子代表一个细胞,里边黑黑的是细胞核,它是细胞最核心的部分。


左下图是大肠杆菌。细菌是一种单细胞生物,一个细菌就是一个细胞。大肠杆菌生活在人类的大小肠中,正常情况下,它是一种和人类互利共生的细菌。只有在机体免疫力降低等情况下,它们才会对人体健康造成危害。


右下图是蛙的胚胎。这是受精卵分裂成两个细胞后,再从两个细胞变四个细胞时的状态。人都是从受精卵分裂,一变二,二变四,四变八……这么一步一步变出来的。所以我们都曾经在妈妈肚子里有过这样一个四个细胞的状态,这就是生命微观,也是最根本的东西。


细胞里面长啥样


细胞剖面和地球剖面对比图


我们把细胞整个剖开,就会发现细胞的结构非常复杂。细胞里有细胞核、核仁、内质网、高尔基体、线粒体……细胞里有各种各样复杂的东西,其中一部分可以统称为细胞器。


整个细胞就像一座喧嚣的城市,里边的蛋白质和细胞器在不停地运动,如果你真的能缩微成一个小人进到细胞里去看一看,就会发现细胞里的工作非常忙乱。


当然,细胞的很多状态都需要借用显微镜来观察,不过这种显微镜并不是学校实验室里常用的显微镜,而是复杂得多、高级得多、巨大得多的显微镜。



上图是我们实验室的学生观察到的细胞。其中红色部分是细胞核,深红色部分是细胞的核仁,绿色部分是线粒体。


细胞中的线粒体


线粒体是什么?线粒体是细胞的能量工厂。我们所有的运动,包括呼吸、说话、思考,全都需要能量,能量从哪儿来呢?通过饮食获取。


当食物进入身体之后,会变成一些有能量的小分子——葡萄糖。葡萄糖在哪里释放能量呢?就在线粒体里。



所以说,每个细胞里都有很多的线粒体来帮我们提供能量。图中是电子显微镜下观察到的线粒体。我们吃进去的能量分子最终转换成了一种叫做ATP的小分子。ATP是细胞里的能量货币,细胞里绝大多数活动都需要它来提供能量。


细胞中的蛋白质复合体


我们把尺度再进一步缩小,就会看到蛋白质复合体,它的尺度是100纳米,也就是千万分之一米,这是非常小的。



在众多的蛋白质复合体里,有一种叫核糖体,是细胞中的蛋白质工厂。蛋白质从何而来?就是从核糖体中生产出来的。


人们每天都要活动,即便当你坐在那一动不动,身体每一个细胞里的蛋白质机器仍旧在不停地运动,所以我们才说“生命不息,运动不止”。



我们把蛋白质机器拆开,里面是一个一个的蛋白质,比如这个核糖体蛋白质机器,拆开后就会发现里面有非常多的蛋白质。所以,蛋白质是组成细胞里分子机器的零件。


蛋白质还有其他用处,比如有的蛋白质本身就很大,自己就像一个分子机器,能做很多很复杂的事情。



上图的磷酸原激酶是细胞中很重要的一种蛋白质,能够帮助我们把暂时不用的ATP分子先储存起来,等要用的时候,再将其能量释放出来,它的作用类似活塞式的发动机。



还有一类蛋白质是细胞的建筑材料,如砖瓦般搭起了整个细胞。细胞里有很多纵横交错的网络,叫做细胞骨架。细胞骨架聚合的过程中很多小蛋白质不断地汇聚到一起,形成了一个管状或纤维状的结构。不需要这些骨架的时候,它又会迅速地解聚。


还有很酷的动力蛋白,它正拖着一个巨大的囊泡在一根微管上行走,囊泡里装着很多货物。这样的情况无时无刻不发生在你的每一个细胞里。



蛋白质能被直接看见吗?用显微镜我们一定看不到!为什么?


人眼可感知的可见光波长范围大概为400纳米~700纳米,紫色是波长最短的,约400纳米;红色是波长最长的,约700纳米。


我们之所以能看到一个物体,就是因为光照射到物体表面,然后被反射出来,我们看到了被反射出来的光也就看到了这个物体。


但是,在光波和蛋白质之间会发生什么呢?蛋白质的长度约10纳米或更小,比光波的波长几百纳米要小多了,所以当光遇到蛋白质的时候,它会绕过蛋白质,也就是说,它们之间不会发生任何反应,任何相互作用,所以我们不可能利用可见光看到蛋白质,也就不可能用光学显微镜看到蛋白质了。为了解决这个问题,科学家发明了荧光显微镜。



现在,我们把希望看到的蛋白质和绿色荧光蛋白连在一起,如此一来,绿色荧光蛋白在哪儿,蛋白质就在哪儿了,这就是荧光显微镜的基本工作原理。


我们之所以能看到这张图像,就是因为细胞骨架的蛋白质已经被绿色荧光蛋白给标记上了。


不过,科学家们觉得只有绿色荧光这一种颜色太单一了,如果想看好几种蛋白质怎么办呢?于是有科学家把绿色荧光蛋白稍微改造了一下,就生产出了一系列不同颜色的荧光蛋白。


有了这一系列不同颜色的荧光蛋白,我们就可以标记不同的蛋白质,也就看到了细胞内部五彩斑斓的微观世界。


在荧光蛋白的帮助下,我们看到的蛋白质是一个一个的点,一个光点对应一个荧光蛋白,可是我们怎么知道蛋白质内部的结构呢?


蛋白质的内部结构


首先我们来了解一个尺寸——0.1纳米。0.1纳米是10-10米。108是1亿,1010就是100亿,也就是说,0.1纳米等于一百亿分之一米,把1米的长度分成100亿份,那1份就是0.1纳米。



在这样的尺度上我们再去看蛋白质。上图是血红蛋白,每一个小球代表一种原子,绿色代表碳原子,红色代表氧原子,蓝色代表氮原子。


你们或许听过水分子的化学式H2O,水分子就是由2个氢和1个氧组成的,我们再来看看另一些常见物质的化学式,比如甲醛、乙炔、甲烷、硫酸根、甘油等。


甘油在生活中很常见,几乎所有的化妆品和家化日用品里都有甘油。甘油的化学式是C3H8O3,代表它由3个碳、8个氢、3个氧组成。


血红蛋白的化学式是什么呢?它是由多少个原子组成的呢?血红蛋白由3032个碳、4816个氢、812个氧、780个氮、8个硫和4个铁组成。


这些原子都在什么位置上呢?我的工作就是要弄清楚这成千上万个原子在每一个蛋白质里处于什么位置,这项研究就叫结构生物学。



上图一团团的蓝色代表每个原子的电子云,一条条的线段代表化学键。每个小球代表一个原子,红色代表氧原子,黄色代表碳原子,蓝色代表氮原子。


所以,一个蛋白质分子就由这么多原子组成,我们最终也测到了每一个原子在三维空间中的位置。其实我们每个人的身体都像一个宇宙,里边有无数的原子,它们组成了非常复杂的机器,完成了非常精密的生物学功能。



这些结构是用什么方法测出来的呢?这需要借助X射线、电子显微镜或核磁共振等手段。



这是一个同步辐射X射线光源,它是一个很强大的X射线光源,可以用来给化石照X光片,它跟我们平常去医院照的胸片是不一样的。


左图的同步辐射光源是一个巨大的科学装置。目前全注册送白菜网论坛网只有一台第三代同步辐射光源,在上海。


我们要做实验的时候,就必须带着样品从北京坐火车到上海去,前往这个装置里去做实验。现在都是自动化操作了,机械手会自动地把样品上传到实验装置上面。


为什么要研究结构生物学


为什么要做结构生物学?我们知道线粒体是细胞中的能量工厂,ATP分子是细胞里的能量货币,那么,食物变成了葡萄糖之后是怎么变成ATP的呢?


在这个能量转换过程中,有一个很关键的蛋白质机器在起作用,那就是ATP合成酶,它就像电动机一样不停地旋转,而推动它旋转的力量来自跨膜质子动力势,旋转时产生的力量合成了ATP。


ATP合成酶又像水坝上的水车,水车不停地转动,ATP合成酶也在我们体内不停地转动,这样的事情发生在我们每一个细胞的每一个线粒体里,它们给我们提供了能量,让我们能够说话,能够思考,能够站在这儿,能跑能跳。


正是通过结构生物学的研究,我们才能够进入到微观世界,看到这些蛋白质分子的运转模式。



另外,结构生物学也能够帮助我们研制新药,治疗更多疾病。比如图中每一个发亮的小团都代表了一种药物分子,它们全是抗生素,比如四环素、红霉素、伊短菌素、氯洁霉素等等。


这些抗生素之所以会起作用,是因为它们能阻碍细菌的核糖体,阻碍它的运动,这样细菌就死掉了。这样的医学研究都需要靠结构生物学。



回到今天的主题:从细胞到原子——生命的微观世界。从几百米高的楼房,一两米高的人,到几厘米长的昆虫,再到微米级的细胞,纳米级的蛋白质分子、原子,人类想要真正从根源上回答一些生命的问题,就必须从宏观向微观进军。


本文出品自“SELF格致论道讲坛”公众号(SELFtalks),转载请注明公众号出处,未经授权不得转载。

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