一個細胞，一座迷城

葉盛

人類對生命的認識是從動物個體開始的。可是如果要回答一些生命的問題，光從動物個體的層次出發是不夠的。要追根溯源，刨根問底，宏觀的生命現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。舉個例子，為什么血液是紅色的？因為血液里面有紅細胞，而紅細胞是紅色的。紅細胞為什么是紅色的？因為紅細胞里有一種蛋白質，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？因為血紅蛋白里含有鐵，鐵這種微量元素很容易和氧結合到一起，這樣就能把氧帶到我們全身各處。可是，鐵不是黑色的嗎？怎么就成紅色的了？因為鐵氧化了，氧和鐵結合后形成的氧化鐵是紅色的，所以我們的血液才是紅色的。今天我們就來聊聊這種肉眼看不見的物質——蛋白質。

細胞有多大

細胞有多大？是0.1毫米，也就是萬分之一米。這也是人類肉眼分辨率的極限。所以想用肉眼觀察細胞內部是不可能的，因此我們需要借助顯微鏡。我們以洋蔥表皮細胞為例。把洋蔥一層層剝開，將其內表皮撕下來，就會很容易得到它的單層細胞。顯微鏡下，這些細胞呈現為一個一個的格子。實際上，細胞對應的英文單詞叫cell，cell這個詞本身的意思就是小格子。所以，洋蔥表皮細胞呈現的其實就是細胞的一個基本形態。每一個格子代表一個細胞，里邊黑黑的是細胞核，它是細胞最核心的部分。大腸桿菌是一種單細胞生物，一個細菌就是一個細胞。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菌。只有在機體免疫力降低等情況下，它們才會對人體健康造成危害。再以蛙的胚胎為例。蛙的受精卵分裂成兩個細胞后，再從兩個細胞變四個細胞。人也是從受精卵分裂發育成的，一變二，二變四，四變八……這么一步一步變出來的。這就是生命微觀，也是最根本的東西。

細胞里面長啥樣

我們把細胞整個剖開，就會發現細胞的結構非常復雜。細胞里有細胞核、核仁、內質網、高爾基體、線粒體……細胞里有各種各樣復雜的東西，其中一部分可以統稱為細胞器。整個細胞就像一座喧囂的城市，里邊的蛋白質和細胞器在不停地運動，如果你真的能縮微成一個小人進到細胞里去看一看，就會發現細胞里的工作非常忙亂。當然，細胞的很多狀態都需要借用顯微鏡來觀察，不過這種顯微鏡并不是學校實驗室里常用的顯微鏡，而是復雜得多、高級得多、巨大得多的顯微鏡。

細胞中的線粒體

線粒體是什么？線粒體是細胞的能量工廠。我們所有的運動，包括呼吸、說話、思考，全都需要能量，能量從哪兒來呢？通過飲食獲取。當食物進入身體之后，會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，每個細胞里都有很多的線粒體來幫我們提供能量。我們吃進去的能量分子最終轉換成了一種叫作ATP的小分子。ATP是細胞里的能量貨幣，細胞里絕大多數活動都需要它來提供能量。

細胞中的蛋白質復合體

我們把尺度再進一步縮小，就會看到蛋白質復合體，它的尺度是100納米，也就是千萬分之一米，這是非常小的。在眾多的蛋白質復合體里，有一種叫核糖體，是細胞中的蛋白質工廠。蛋白質從何而來？就是從核糖體中生產出來的。人們每天都要活動，即便當你坐在那一動不動，身體每一個細胞里的蛋白質機器仍舊在不停地運動，所以我們才說“生命不息，運動不止”。我們把蛋白質機器拆開，里面是一個一個的蛋白質，比如這個核糖體蛋白質機器，拆開后就會發現里面有非常多的蛋白質。所以，蛋白質是組成細胞里分子機器的零件。蛋白質還有其他用處，比如有的蛋白質本身就很大，自己就像一個分子機器，能做很多很復雜的事情。磷酸原激酶是細胞中很重要的一種蛋白質，能夠幫助我們把暫時不用的ATP分子先儲存起來，等要用的時候，再將其能量釋放出來，它的作用類似活塞式的發動機。還有一類蛋白質是細胞的建筑材料，如磚瓦般搭起了整個細胞。細胞里有很多縱橫交錯的網絡，叫作細胞骨架。細胞骨架聚合的過程中很多小蛋白質不斷地匯聚到一起，形成了一個管狀或纖維狀的結構。不需要這些骨架的時候，它又會迅速地解聚。還有很酷的動力蛋白，它正拖著一個巨大的囊泡在一根微管上行走，囊泡里裝著很多貨物。這樣的情況無時無刻不發生在你的每一個細胞里。

蛋白質能被直接看見嗎？用顯微鏡我們一定看不到！為什么？人眼可感知的可見光波長范圍大概為400—700納米，紫色是波長最短的，約400納米；紅色是波長最長的，約700納米。我們之所以能看到一個物體，就是因為光照射到物體表面，然后被反射出來，我們看到了被反射出來的光也就看到了這個物體。但是，在光波和蛋白質之間會發生什么呢？蛋白質的長度約10納米或更小，比光波的波長幾百納米要小多了，所以當光遇到蛋白質的時候，它會繞過蛋白質，也就是說，它們之間不會發生任何反應，任何相互作用，所以我們不可能利用可見光看到蛋白質，也就不可能用光學顯微鏡看到蛋白質了。為了解決這個問題，科學家發明了熒光顯微鏡。現在，我們把希望看到的蛋白質和綠色熒光蛋白連在一起，如此一來，綠色熒光蛋白在哪兒，蛋白質就在哪兒了，這就是熒光顯微鏡的基本工作原理。不過，科學家們覺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怎么辦呢？于是有科學家把綠色熒光蛋白稍微改造了一下，就生產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，我們就可以標記不同的蛋白質，也就看到了細胞內部五彩斑斕的微觀世界。在熒光蛋白的幫助下，我們看到的蛋白質是一個一個的點，一個光點對應一個熒光蛋白，可是我們怎么知道蛋白質內部的結構呢？

蛋白質的內部結構

首先我們來了解一個尺寸——0.1納米。0.1納米等于一百億分之一米，把1米的長度平均分成100億份，那1份就是0.1納米。在這樣的尺度上我們再去看蛋白質。你們或許聽過水分子的化學式H2O，水分子就是由2個氫原子和1個氧原子組成的，我們再來看看另一些常見物質的化學式，比如甲醛、乙炔、甲烷、硫酸根、甘油等。甘油在生活中很常見，幾乎所有的化妝品和家化日用品里都有甘油。甘油的化學式是C3H8O3，代表它由3個碳原子、8個氫原子、3個氧原子組成。血紅蛋白的化學式是什么呢？它是由多少個原子組成的呢？血紅蛋白由3032個碳原子、4816個氫原子、812個氧原子、780個氮原子、8個硫原子和4個鐵原子組成。所以，一個蛋白質分子就由這么多原子組成，我們最終也測到了每一個原子在三維空間中的位置。其實我們每個人的身體都像一個宇宙，里邊有無數的原子，它們組成了非常復雜的機器，完成了非常精密的生物學功能。這些結構是用什么方法測出來的呢？這需要借助X射線、電子顯微鏡或核磁共振等手段。這是一個同步輻射X射線光源，它是一個很強大的X射線光源，可以用來給化石照X光片，它跟我們平常去醫院照的胸片是不一樣的。同步輻射光源是一個巨大的科學裝置。目前全中國只有一臺第三代同步輻射光源，在上海。

為什么要研究結構生物學

為什么要做結構生物學？我們知道線粒體是細胞中的能量工廠，ATP分子是細胞里的能量貨幣，那么，食物變成了葡萄糖之后是怎么變成ATP的呢？在這個能量轉換的過程中，有一個很關鍵的蛋白質機器在起作用，那就是ATP合成酶，它就像電動機一樣不停地旋轉，而推動它旋轉的力量來自跨膜質子動力勢，旋轉時產生的力量合成了ATP。ATP合成酶又像水壩上的水車，水車不停地轉動，ATP合成酶也在我們體內不停地轉動，這樣的事情發生在我們每一個細胞的每一個線粒體里，它們給我們提供了能量，讓我們能說能想，能跑能跳。正是通過結構生物學的研究，我們才能夠進入到微觀世界，看到這些蛋白質分子的運轉模式。另外，結構生物學也能夠幫助我們研制新藥，治療更多疾病。藥物之所以會起作用，是因為它們能阻礙細菌的核糖體，阻礙它的運動，這樣細菌就死掉了。這樣的醫學研究都需要靠結構生物學。回到今天的主題：從細胞到原子——生命的微觀世界。從幾百米高的樓房，一兩米高的人，到幾厘米長的昆蟲，再到微米級的細胞，納米級的蛋白質分子、原子，人類想要真正從根源上回答一些生命的問題，就必須從宏觀向微觀進軍。