葉盛

人類對(duì)生命的認(rèn)識(shí)是從動(dòng)物個(gè)體開(kāi)始的?？墒侨绻卮鹨恍┥膯?wèn)題，光從動(dòng)物個(gè)體的層次出發(fā)是不夠的。要追根溯源，刨根問(wèn)底，宏觀的生命現(xiàn)象需要我們深入至微觀世界才得以解答。微觀到什么程度呢？細(xì)胞、微生物……這些都不夠，我們一直要微觀到分子、原子才可以。舉個(gè)例子，為什么血液是紅色的？因?yàn)檠豪锩嬗屑t細(xì)胞，而紅細(xì)胞是紅色的。紅細(xì)胞為什么是紅色的？因?yàn)榧t細(xì)胞里有一種蛋白質(zhì)，它的名字叫血紅蛋白，它是紅色的。血紅蛋白為什么是紅色的？因?yàn)檠t蛋白里含有鐵，鐵這種微量元素很容易和氧結(jié)合到一起，這樣就能把氧帶到我們?nèi)砀魈??？墒?，鐵不是黑色的嗎？怎么就成紅色的了？因?yàn)殍F氧化了，氧和鐵結(jié)合后形成的氧化鐵是紅色的，所以我們的血液才是紅色的。今天我們就來(lái)聊聊這種肉眼看不見(jiàn)的物質(zhì)——蛋白質(zhì)。

細(xì)胞有多大

細(xì)胞有多大？是0.1毫米，也就是萬(wàn)分之一米。這也是人類肉眼分辨率的極限。所以想用肉眼觀察細(xì)胞內(nèi)部是不可能的，因此我們需要借助顯微鏡。我們以洋蔥表皮細(xì)胞為例。把洋蔥一層層剝開(kāi)，將其內(nèi)表皮撕下來(lái)，就會(huì)很容易得到它的單層細(xì)胞。顯微鏡下，這些細(xì)胞呈現(xiàn)為一個(gè)一個(gè)的格子。實(shí)際上，細(xì)胞對(duì)應(yīng)的英文單詞叫cell，cell這個(gè)詞本身的意思就是小格子。所以，洋蔥表皮細(xì)胞呈現(xiàn)的其實(shí)就是細(xì)胞的一個(gè)基本形態(tài)。每一個(gè)格子代表一個(gè)細(xì)胞，里邊黑黑的是細(xì)胞核，它是細(xì)胞最核心的部分。大腸桿菌是一種單細(xì)胞生物，一個(gè)細(xì)菌就是一個(gè)細(xì)胞。大腸桿菌生活在人類的大小腸中，正常情況下，它是一種和人類互利共生的細(xì)菌。只有在機(jī)體免疫力降低等情況下，它們才會(huì)對(duì)人體健康造成危害。再以蛙的胚胎為例。蛙的受精卵分裂成兩個(gè)細(xì)胞后，再?gòu)膬蓚€(gè)細(xì)胞變四個(gè)細(xì)胞。人也是從受精卵分裂發(fā)育成的，一變二，二變四，四變八……這么一步一步變出來(lái)的。這就是生命微觀，也是最根本的東西。

細(xì)胞里面長(zhǎng)啥樣

我們把細(xì)胞整個(gè)剖開(kāi)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。細(xì)胞里有細(xì)胞核、核仁、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、線粒體……細(xì)胞里有各種各樣復(fù)雜的東西，其中一部分可以統(tǒng)稱為細(xì)胞器。整個(gè)細(xì)胞就像一座喧囂的城市，里邊的蛋白質(zhì)和細(xì)胞器在不停地運(yùn)動(dòng)，如果你真的能縮微成一個(gè)小人進(jìn)到細(xì)胞里去看一看，就會(huì)發(fā)現(xiàn)細(xì)胞里的工作非常忙亂。當(dāng)然，細(xì)胞的很多狀態(tài)都需要借用顯微鏡來(lái)觀察，不過(guò)這種顯微鏡并不是學(xué)校實(shí)驗(yàn)室里常用的顯微鏡，而是復(fù)雜得多、高級(jí)得多、巨大得多的顯微鏡。

細(xì)胞中的線粒體

線粒體是什么？線粒體是細(xì)胞的能量工廠。我們所有的運(yùn)動(dòng)，包括呼吸、說(shuō)話、思考，全都需要能量，能量從哪兒來(lái)呢？通過(guò)飲食獲取。當(dāng)食物進(jìn)入身體之后，會(huì)變成一些有能量的小分子——葡萄糖。葡萄糖在哪里釋放能量呢？就在線粒體里。所以說(shuō)，每個(gè)細(xì)胞里都有很多的線粒體來(lái)幫我們提供能量。我們吃進(jìn)去的能量分子最終轉(zhuǎn)換成了一種叫作ATP的小分子。ATP是細(xì)胞里的能量貨幣，細(xì)胞里絕大多數(shù)活動(dòng)都需要它來(lái)提供能量。

細(xì)胞中的蛋白質(zhì)復(fù)合體

我們把尺度再進(jìn)一步縮小，就會(huì)看到蛋白質(zhì)復(fù)合體，它的尺度是100納米，也就是千萬(wàn)分之一米，這是非常小的。在眾多的蛋白質(zhì)復(fù)合體里，有一種叫核糖體，是細(xì)胞中的蛋白質(zhì)工廠。蛋白質(zhì)從何而來(lái)？就是從核糖體中生產(chǎn)出來(lái)的。人們每天都要活動(dòng)，即便當(dāng)你坐在那一動(dòng)不動(dòng)，身體每一個(gè)細(xì)胞里的蛋白質(zhì)機(jī)器仍舊在不停地運(yùn)動(dòng)，所以我們才說(shuō)“生命不息，運(yùn)動(dòng)不止”。我們把蛋白質(zhì)機(jī)器拆開(kāi)，里面是一個(gè)一個(gè)的蛋白質(zhì)，比如這個(gè)核糖體蛋白質(zhì)機(jī)器，拆開(kāi)后就會(huì)發(fā)現(xiàn)里面有非常多的蛋白質(zhì)。所以，蛋白質(zhì)是組成細(xì)胞里分子機(jī)器的零件。蛋白質(zhì)還有其他用處，比如有的蛋白質(zhì)本身就很大，自己就像一個(gè)分子機(jī)器，能做很多很復(fù)雜的事情。磷酸原激酶是細(xì)胞中很重要的一種蛋白質(zhì)，能夠幫助我們把暫時(shí)不用的ATP分子先儲(chǔ)存起來(lái)，等要用的時(shí)候，再將其能量釋放出來(lái)，它的作用類似活塞式的發(fā)動(dòng)機(jī)。還有一類蛋白質(zhì)是細(xì)胞的建筑材料，如磚瓦般搭起了整個(gè)細(xì)胞。細(xì)胞里有很多縱橫交錯(cuò)的網(wǎng)絡(luò)，叫作細(xì)胞骨架。細(xì)胞骨架聚合的過(guò)程中很多小蛋白質(zhì)不斷地匯聚到一起，形成了一個(gè)管狀或纖維狀的結(jié)構(gòu)。不需要這些骨架的時(shí)候，它又會(huì)迅速地解聚。還有很酷的動(dòng)力蛋白，它正拖著一個(gè)巨大的囊泡在一根微管上行走，囊泡里裝著很多貨物。這樣的情況無(wú)時(shí)無(wú)刻不發(fā)生在你的每一個(gè)細(xì)胞里。

蛋白質(zhì)能被直接看見(jiàn)嗎？用顯微鏡我們一定看不到！為什么？人眼可感知的可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍大概為400—700納米，紫色是波長(zhǎng)最短的，約400納米；紅色是波長(zhǎng)最長(zhǎng)的，約700納米。我們之所以能看到一個(gè)物體，就是因?yàn)楣庹丈涞轿矬w表面，然后被反射出來(lái)，我們看到了被反射出來(lái)的光也就看到了這個(gè)物體。但是，在光波和蛋白質(zhì)之間會(huì)發(fā)生什么呢？蛋白質(zhì)的長(zhǎng)度約10納米或更小，比光波的波長(zhǎng)幾百納米要小多了，所以當(dāng)光遇到蛋白質(zhì)的時(shí)候，它會(huì)繞過(guò)蛋白質(zhì)，也就是說(shuō)，它們之間不會(huì)發(fā)生任何反應(yīng)，任何相互作用，所以我們不可能利用可見(jiàn)光看到蛋白質(zhì)，也就不可能用光學(xué)顯微鏡看到蛋白質(zhì)了。為了解決這個(gè)問(wèn)題，科學(xué)家發(fā)明了熒光顯微鏡?，F(xiàn)在，我們把希望看到的蛋白質(zhì)和綠色熒光蛋白連在一起，如此一來(lái)，綠色熒光蛋白在哪兒，蛋白質(zhì)就在哪兒了，這就是熒光顯微鏡的基本工作原理。不過(guò)，科學(xué)家們覺(jué)得只有綠色熒光這一種顏色太單一了，如果想看好幾種蛋白質(zhì)怎么辦呢？于是有科學(xué)家把綠色熒光蛋白稍微改造了一下，就生產(chǎn)出了一系列不同顏色的熒光蛋白。有了這一系列不同顏色的熒光蛋白，我們就可以標(biāo)記不同的蛋白質(zhì)，也就看到了細(xì)胞內(nèi)部五彩斑斕的微觀世界。在熒光蛋白的幫助下，我們看到的蛋白質(zhì)是一個(gè)一個(gè)的點(diǎn)，一個(gè)光點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)熒光蛋白，可是我們?cè)趺粗赖鞍踪|(zhì)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)呢？

蛋白質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

首先我們來(lái)了解一個(gè)尺寸——0.1納米。0.1納米等于一百億分之一米，把1米的長(zhǎng)度平均分成100億份，那1份就是0.1納米。在這樣的尺度上我們?cè)偃タ吹鞍踪|(zhì)。你們或許聽(tīng)過(guò)水分子的化學(xué)式H2O，水分子就是由2個(gè)氫原子和1個(gè)氧原子組成的，我們?cè)賮?lái)看看另一些常見(jiàn)物質(zhì)的化學(xué)式，比如甲醛、乙炔、甲烷、硫酸根、甘油等。甘油在生活中很常見(jiàn)，幾乎所有的化妝品和家化日用品里都有甘油。甘油的化學(xué)式是C3H8O3，代表它由3個(gè)碳原子、8個(gè)氫原子、3個(gè)氧原子組成。血紅蛋白的化學(xué)式是什么呢？它是由多少個(gè)原子組成的呢？血紅蛋白由3032個(gè)碳原子、4816個(gè)氫原子、812個(gè)氧原子、780個(gè)氮原子、8個(gè)硫原子和4個(gè)鐵原子組成。所以，一個(gè)蛋白質(zhì)分子就由這么多原子組成，我們最終也測(cè)到了每一個(gè)原子在三維空間中的位置。其實(shí)我們每個(gè)人的身體都像一個(gè)宇宙，里邊有無(wú)數(shù)的原子，它們組成了非常復(fù)雜的機(jī)器，完成了非常精密的生物學(xué)功能。這些結(jié)構(gòu)是用什么方法測(cè)出來(lái)的呢？這需要借助X射線、電子顯微鏡或核磁共振等手段。這是一個(gè)同步輻射X射線光源，它是一個(gè)很強(qiáng)大的X射線光源，可以用來(lái)給化石照X光片，它跟我們平常去醫(yī)院照的胸片是不一樣的。同步輻射光源是一個(gè)巨大的科學(xué)裝置。目前全中國(guó)只有一臺(tái)第三代同步輻射光源，在上海。

為什么要研究結(jié)構(gòu)生物學(xué)

為什么要做結(jié)構(gòu)生物學(xué)？我們知道線粒體是細(xì)胞中的能量工廠，ATP分子是細(xì)胞里的能量貨幣，那么，食物變成了葡萄糖之后是怎么變成ATP的呢？在這個(gè)能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，有一個(gè)很關(guān)鍵的蛋白質(zhì)機(jī)器在起作用，那就是ATP合成酶，它就像電動(dòng)機(jī)一樣不停地旋轉(zhuǎn)，而推動(dòng)它旋轉(zhuǎn)的力量來(lái)自跨膜質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)，旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的力量合成了ATP。ATP合成酶又像水壩上的水車，水車不停地轉(zhuǎn)動(dòng)，ATP合成酶也在我們體內(nèi)不停地轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣的事情發(fā)生在我們每一個(gè)細(xì)胞的每一個(gè)線粒體里，它們給我們提供了能量，讓我們能說(shuō)能想，能跑能跳。正是通過(guò)結(jié)構(gòu)生物學(xué)的研究，我們才能夠進(jìn)入到微觀世界，看到這些蛋白質(zhì)分子的運(yùn)轉(zhuǎn)模式。另外，結(jié)構(gòu)生物學(xué)也能夠幫助我們研制新藥，治療更多疾病。藥物之所以會(huì)起作用，是因?yàn)樗鼈兡茏璧K細(xì)菌的核糖體，阻礙它的運(yùn)動(dòng)，這樣細(xì)菌就死掉了。這樣的醫(yī)學(xué)研究都需要靠結(jié)構(gòu)生物學(xué)?；氐浇裉斓闹黝}：從細(xì)胞到原子——生命的微觀世界。從幾百米高的樓房，一兩米高的人，到幾厘米長(zhǎng)的昆蟲，再到微米級(jí)的細(xì)胞，納米級(jí)的蛋白質(zhì)分子、原子，人類想要真正從根源上回答一些生命的問(wèn)題，就必須從宏觀向微觀進(jìn)軍。