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1700263665 比如细胞核的核膜上有许多核孔,核孔内外分别环绕着大量的识别受体。那些需要送入细胞核的蛋白质,比如DNA聚合酶,就会带有一段“核定位序列”,一旦碰到核孔外侧的识别受体就会陷入核孔,进入细胞核。IV反过来,如果细胞核的物质要出来,比如加工成熟的RNA,就会先与一些带有“核输出序列”的蛋白质结合,然后就能与核孔内侧的识别受体结合,顺利地被送出细胞核了。V
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1700263667 至于那些分子比较小的物质,比如糖、脂肪酸、核苷酸、各种辅酶,甚至各种离子,它们本身就是鲜明的信号,对应的识别受体分布在细胞各处。比如线粒体的内外膜上就都有送入ADP和送出ATP的移位酶,这是非常容易理解的事情。
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1700263669 理解了这些事情,我们就可以回答第二个问题了:各种不同的膜结构,本身又是如何区别开的?
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1700263671 这个答案就有些微妙了:膜结构也会被势垒约束,同样也会掉进另一种势阱。
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1700263673 6.势垒的势垒和势垒的势阱
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1700263675 细胞有许多不同的膜结构,但它们并不是孤立隔绝的,而是处于持续不断的动态转换中。内质网膜向内包裹起来,闭合成了核膜,或者边缘分裂脱落,成为溶酶体等囊泡,一些靠近细胞膜的囊泡重新组织起来,形成高尔基体,高尔基体又释放囊泡,继续向外运动,融入细胞膜。当然,这整个过程都是可逆的。
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1700263680 图增—20 细胞内膜结构的相互转换。不同的颜色标记了细胞内膜系统的不同结构,它们都会脱落大大小小的囊泡,然后按照箭头指示的方向转移并融合。至于那些箭头,你很快就会知道它们的意义了。(作者绘)
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1700263682 也就是说,各种膜结构本身并没有绝对的区别,只是它们所处的位置让它们承担了不同的职责。这就好像纯粹的自然人并没有什么本质的区别,但当他们组成了社会,走上不同的工作岗位,也就有了具体的职责分工。
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1700263684 那么,是什么决定了膜结构的位置,让它们在动态转换中被分配到了不同的细胞器上去呢?要知道,在上一节里,我们虽然只顾着说蛋白质是在疯狂地随机运动,好像膜结构就岿然不动似的,但实际情况恰恰相反,膜结构虽然叫“膜”,但不是手机贴膜那样的固体,而是一层薄薄的液体,就和排骨汤上漂着的油膜差不多,其中的每一个磷脂分子都同样在疯狂地随机运动,仅仅因为疏水作用才凝聚成了双分子层。要让它们定向运输,还要在运输中保持膜的基本形态,就必须要有更强大的约束机制。
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1700263686 这种约束机制就是膜结构上镶嵌的蛋白质,或者更根本地说,是某些膜蛋白能在细胞器之间定向运输,同时也作为势垒,胁迫了一部分膜结构在细胞器之间转移。
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1700263688 比如说,内质网里的某些蛋白质需要进入高尔基体继续加工,但是它已经不可能穿透任何膜结构,该怎么办呢?VI
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1700263690 首先,在内质网腔里,那些需要运往高尔基体的“货物”在三维结构上都带有某种“货运标识”。在图增—21中,这些标识被画成了长短不同的三个凸起,这个标识可以结合到“货运受体”的膜内侧上。
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1700263692 于是,货运受体就被激活了,它们会打开膜外侧的结合位点,与一些结合蛋白结合起来,最终结合上一种名叫“Ⅱ型包被蛋白”(COPII)的蛋白质。
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1700263694 随着越来越多的货物结合到货运受体上,越来越多的Ⅱ型包被蛋白也就包裹在了内质网膜上,而这些Ⅱ型包被蛋白又会彼此组合,在三维空间中形成多面体框架。于是,内质网膜就像铆在龙骨上的船壳,在这个框架的约束中逐渐隆起,最终从内质网上脱离,成为一个游离的囊泡。
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1700263696 游离的囊泡一旦形成,那些包被蛋白很快就会解体,让囊泡上的货运受体重新暴露出来,而这些货运受体就能与高尔基体上的另外一些识别受体结合,这种结合又会强迫囊泡与高尔基体融合。而更根本的,是那些来自内质网的蛋白质虽然一直都在疯狂地随机运动,却也一直被囊泡膜这个势垒约束着运动的范围,最后如期转移到了高尔基体内。
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1700263698 而不同的细胞器上有不同的货运受体,不同的货运受体能够结合不同的包被蛋白。于是,在这些蛋白质的综合约束下,各种膜结构就都会有各种各样的囊泡脱离下来,一边包裹着内部的货物,一边转移到对应的地方去了。所以在图增—20里,你会看到三种箭头:分泌表示细胞有什么物质需要送到细胞外面去;内吞表示细胞要把无法通过细胞膜的大型物质纳入细胞内;至于回流,前两步动作往往会有一些不该转移的物质被意外转移,回流可以让它们复位。你看,在这个过程中,包被蛋白和受体蛋白从两侧限制了膜结构的运动范围,而膜结构又限制了其中各种物质的运动范围,这就是围墙的围墙,势垒的势垒。
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1700263703 图增—21 在真核细胞内,从内质网到高尔基体的囊泡运输主要由“Ⅱ型包被蛋白”引导。这种蛋白质能在其他几种蛋白质的帮助下组装成多面体的框架,迫使内质网膜隆起囊泡。注意右上角的几个多面体,那是Ⅱ型包被蛋白最常形成的几种多面体。另外,这些囊泡里也装满了其他各种各样的“货物”,只是在这张图中被省略了。(作者绘)
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1700263708 图增—22 这是“网格蛋白”(clathrin),另一种负责在细胞膜、高尔基体、内体和溶酶体等结构之间引导囊泡运输的包被蛋白。它是一种对称的三曲腿,能够组装成“足球体”等形态的框架。它的工作方式基本上与图增—21一样,当然,它运送的货物需要另外一些“标识”。(图片来源:David Goodsell)
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1700263710 不过,势垒的势垒不只有包被蛋白和受体蛋白而已,在真核细胞内,还有一大群生死攸关的蛋白质约束着多种膜结构的整体形态,那就是“细胞骨架”。
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1700263712 所谓细胞骨架,是许多种蛋白质组装成的显微结构,包括微管、微丝、中间纤维(中间丝)等。它们以惊人的密度在细胞内部构成了纵横交错的三维网络,维持了整个细胞的三维形态,也限定了各种有膜细胞器的三维形态和运动范围。
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1700263714 而且非常有趣的是,只要与另外一些分子机器结合起来,这些细胞骨架,尤其是其中最粗壮的微管,又能成为某些膜结构的势阱,迫使它们定向运动。我们刚才说各种细胞器分裂出来的囊泡会通过识别受体转移到目标细胞器上去,这“转移”二字就包含了许多这样的定向运动。
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