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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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这种定向运动所需的分子机器,是一类被称为“马达蛋白质”的蛋白复合物,如图增—24,它们常常包括了3个部分:一端是一个“锚”,能够与囊泡上的货运受体等蛋白质结合;另一端是一双“脚”,能被微管上的结合位点吸引,踩上去,每当一只“脚”踩在微管上,都会把另一只“脚”拽得暂时抬起来,结果,这两只“脚”就真的像人类走路一样,左一“脚”右一“脚”地迈步前进了[如果这本书的文本和图片无法让你彻底弄明白这个过程,那不妨现在就拿起手机,在任何一个视频网站上搜索“驱动蛋白”(kinesin),你就会看到非常惊人的画面了];最后,在锚和脚之间,是一组“链”,牢固地绑定了二者。VII
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图增—23 真核细胞内充满了纵横交错的细胞骨架,各种细胞器由此确定了位置和形状。其中,细胞骨架主要包括“微管”、“中间纤维”和“微丝”三种纤维状的蛋白复合物。(作者绘)
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在这种迈步运动中,微管是细胞骨架的主梁,它们常常具有内外方向,一端深入细胞,另一端穿透所有的内质网和高尔基体,直达细胞膜。所以在马达蛋白质的搬运下,各种囊泡就能非常直接地在细胞核、内质网、高尔基体和细胞膜这4种最重要的膜结构之间定向地运输了。
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乍看起来,这个过程似乎与我们一开始在疯台球比喻中说的“势阱”很不一样——台球桌上引导运动的势阱是一条沟,微管却是一条绳索,两者的差距似乎有些大。但是仔细想想,势阱的要义就是“陷进去”,在微观世界的三维运动中,我们不可能让任何物质因为重力而下陷,所以分子间的相互吸引才是这个世界里最主流的“陷入”。那么分子马达的两只“脚”被微管上的结合位点吸引而无法随意离开,也当然就是微观世界里名副其实的陷入了。
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