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揭秘令人惊叹的细胞内质网结构当生物学遇上几何学

发布时间:2021-01-13 13:05:31 阅读: 来源:折叠窗厂家

揭秘令人惊叹的细胞内质网结构:当生物学遇上几何学

用真实内质网数据打印的3D模型自然是最伟大的建筑师。人类的建筑结构也经常模拟生命的结构,比如螺旋上升的多层车库,层叠而平行连接的楼层、上升的斜梯,可以说是复制了细胞中内质网膜的螺旋结构。内质网(endoplasmic

reticulum)是遍布于整个细胞内部的膜状网,连接并围绕着细胞核。最近,美国加利福尼亚大学圣巴巴拉分校(UCSB)一个研究小组,用理论物理学的语言描述了内质网的几何结构。研究结果发表在10月31日的《物理评论快报》上。细胞中的“停车库”大致上,内质网是由或多或少的、有规则的层状结构组成,层与层间隔均匀,彼此相连。这种结构也反映了它的功能:细胞内蛋白质合成的“工作场间”。以往人们以为,相邻的层与层之间是通过“虫洞”相连,也就是简单的管孔。去年,科学家才发现这种“虫洞”其实是一种复杂的螺旋结构,并以它的发现命名为“寺崎坡道”(Terasaki

ramps)。这些螺旋坡道互相连接,一层层上升。论文第一作者、墨西哥国立自治大学的杰冒·古温说,一开始人们对此很惊讶,因为以往从未在生物膜中看到过这种螺旋几何形状。而且不同部分的内质网形状不同,除了类似停车库的平行层,还有管状网络和包围细胞核的球形界面。光滑的内质网膜由管装网构成,这些管装网是膜在“三岔口”的汇合处,这里也是合成脂质(或膜)的地方。新的脂质在光滑内质网中生产出来,在连接处不断积累,最终将连接的管子劈开。在粗糙内质网中,平行面或堆叠层由寺崎螺旋坡道连接。在某些情况下,一条坡道是左手螺旋,则另一条是右手螺旋——停车库也是如此构造。“我们提出,堆叠层里的基本建筑构造不是单条螺旋坡道,而是类似‘停车库’的两条坡道,是一对双坡道,彼此形成镜像。”古温说,“这种结构体系能使能耗最小化,能与层状结构结合,而且还很稳定。”在物理学中,把内质网各层连接起来的这些螺旋结构,称为“缺口”(defects)。

论文合著者、UCSB卡弗里理论物理学研究所副所长格莱格·哈博指出,这个词在物理学背景中并没有负面含义。“这表示一种特殊结构。内质网层的边缘是高度弯曲的,因为这些层要旋转、折弯,这样就形成了螺旋。”弯曲形成了U形结构,就像半个管子。哈博和同事把微分几何原理应用到这种曲面膜上。“应用几何方法我们以特定的方式分离了管网的一部分,得到一个确切的面,”哈博解释说,“设想一下,每个U形边缘都有弯曲的倾向,当你设法把这些U形连在一起时,它们就弯了。这也是彩图所显示的。一个管子可以变成曲面,只要把它从边缘破开,它就可以在空间弯曲。”利用形状研究功能“根据寺崎坡道之间相互作用,我们推测了这种细胞器为何会形成如此特殊的形状。”

哈博说,“一位物理学家可能会说,膜长什么样子并非偶然,而是有原因的。更好地理解形状背后的物理原理,有助于思考其它未解之谜,包括形状与功能之间有什么关系,一旦生了病,出现功能障碍会怎样。”附着在膜上的细胞器,如作为蛋白质合成“主站点”的核糖体,密集排列在内质网上,就像汽车密集停泊在车库里。“核糖体之间必须有一定的距离间隔,否则它们无法合成蛋白质。”哈博解释说,“所以,怎样才能在每单位空间聚集尽可能多的核糖体,而又不至于彼此撞在一起?看起来,细胞解决了这个难题,它把内质网折叠成一层一层的,层与层之间几乎平行,这样就能容纳更高密度的核糖体。”哈博认为,这项理论成果有助于人们更深入了解细胞的内部形状。跨学科研究也提供了更丰富的语汇和多角度的思考。“我们推测,这种形状与它们的功能有关。事实上,内质网形状可以作为某些疾病中功能异常的指标。”

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