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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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1700263716 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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1700263721 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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1700263723 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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1700263725 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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1700263730 图增—24 近处这根微管上行走着的,是一个拖着囊泡的驱动蛋白。它的两只“脚”交替踩在微管的β亚基(深蓝色的颗粒)上,一步一步地往前走,这张图用一列动作分解展示了这一过程。它上方的箭头指示了它的前进方向,通常,它是从微管的负端走向正端,即向着细胞表面运动。比如此时此刻,你的大脑里一定发生着激烈的神经活动,那么神经递质要从神经细胞里释放出来,由这种驱动蛋白把装满递质的囊泡送到细胞表面去。背景上还有另外一个挺复杂的“动力蛋白”(dynein),它的功能刚好相反,负责把囊泡送去细胞深处,比如当你的淋巴细胞吞噬了病毒,就由动力蛋白把装着病毒的囊泡拖进细胞深处,把囊泡中的异物消化掉。(作者绘)
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1700263732 不过,这件事似乎还是在什么地方与前文不太一样。
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1700263734 在之前的所有例子中,物质都是在做毫无规则的随机运动,只是因为种种势阱和势垒的限制,在结果上达到了规则明确,但马达蛋白质是“左一脚右一脚”,如此确定地沿着微管运动,整个过程看起来都是高度确定的,这就与疯台球比喻很不一样了。
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1700263736 但事情没有这么简单。马达蛋白质的“脚”每次在抬起来之后都不是决定性地迈出去,而是在激烈地“思想斗争”中“犹豫不决”,一会朝前一会儿朝后,究竟是向前走还是向后走,充满了随机性,恰似沟里的疯台球,不一定是前进还是后退。然而,马达蛋白质之所以叫作“马达蛋白质”,就是因为它有动力:那两只“脚”上有ATP的结合位点,能够利用水解ATP的能量改变两只“脚”的三维关系,使每一“脚”都有更大的概率向前迈。而经过线粒体持之以恒的工作,细胞内总有充沛的ATP(请留意这几个加粗的字),这才使马达蛋白质的两只“脚”虽然在这一过程中像醉汉似的犹豫不决,却在结果上表现成定向运动了。你看,这还是极好地吻合了疯台球比喻。
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1700263738 总之,在刚刚结束的这部分里,我们已经尽可能地了解了这样一件事:在水溶液的微观世界里,虽然一切都在疯狂地随机运动,但在势阱和势垒的种种约束之下,各种物质总能最终发生恰当的生化反应,也总能最终运动到恰当的位置上去。就这样,细胞,乃至复杂的多细胞生命,就在混沌中完成了世界上最精密、最复杂的计算。于是,对于开头的那个关键结论,我们已经解释了前一半:生命作为一台计算机,或者说一个控制系统,会控制构成自身的所有物质,使它们维持恰当的位置和状态。只要生命的计算持续而准确,它自身就能一直存在;只要生命的控制功能足够准确,构成它的物质就不会陷入混沌,生命就会持续存在。
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