- 先来看细胞膜上最简单的一个信号通路:
细胞的G蛋白耦联受体(G protein-coupled receptor)接收到配体(Ligand)的信号,激活磷脂酶C(Phospholipase C, PLC),从而激活细胞内的信号通路。
例如,配体是生长因子(Growth factor),那么,细胞就开始生长。
科学家可以人工合成DNA、RNA、蛋白质、糖类等,几乎细胞内的一切物质,甚至可以人工制造出病毒。但是,人类却无法复制出这种有生物活性的细胞膜。
所以,人类能够制造出的病毒也是没有包膜的病毒。因为有功能活性的细胞膜结构是最不容易人造的。
- 我们来看细胞膜的结构:
细胞膜由磷脂双分子层作为基本支架,蛋白质、脂质、糖类等镶嵌其中。蛋白质和糖可以形成糖蛋白,脂质和糖可以形成糖脂。磷脂包括一个亲水的头部和两条疏水的尾巴。头部位于外侧,尾部位于内侧,两层磷脂相对,形成内部疏水外部亲水的结构。
有的蛋白贯穿两层磷脂层,例如接受配体激活的G蛋白耦联受体(G protein-coupled receptor);有的蛋白只在细胞膜的内层磷脂上,例如传递信号的磷脂酶C(Phospholipase C, PLC)。
- 磷脂酶C是什么呢?
磷脂酶C(Phospholipase C, PLC)是一个酶,能够催化磷脂酰肌醇4,5-二磷酸(Phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate,PIP2)生成甘油二酯(Diacylglycerol,DAG)和肌醇三磷酸(Inositol trisphosphate,IP3)。
磷脂酶C可以把磷脂的头部和尾部切断。切开以后的头部是亲水的IP3,尾部是疏水的DAG。
PIP2和DAG位于细胞膜上,IP3会溶解到细胞内部。DAG和IP3是细胞的信使,也就是说,它们可以把细胞外部的配体信号,转导到细胞内部。
- 这个磷脂酰肌醇4,5-二磷酸(PIP2)和细胞膜的支架磷脂分子是一样的吗?
答案是否定的。
下图是细胞膜的支架——磷脂分子的结构。
通过比较它和前面提到的磷脂酰肌醇4,5-二磷酸(PIP2)的结构,可以发现二者并不一样。
来看二者的相对位置:
磷脂酰肌醇4,5-二磷酸(PIP2)有两条疏水的尾部,它们是插入到由磷脂双分子层构成的细胞内部的。
至此,我们对这个信号通路以及其中的蛋白、脂质等终于有了一个大致的了解。
我们知道,细胞膜是磷脂双分子层的结构。而细胞内部的囊泡也和细胞膜有同样的磷脂双分子层结构。
- 囊泡的磷脂双分子层结构
细胞内部的囊泡也是由磷脂双分子层构成,其中的磷脂包括亲水的头部和疏水的尾部。磷脂尾对尾,因此,囊泡的外部是亲水的,内部也是亲水的。可以把囊泡想象成一个立体的球体结构。
实际上,人类早已能够人工合成类似囊泡的结构,称为脂质体(Liposome)。例如,通过使用脂质体包裹药物,人们可以实现药物的递送过程。
与细胞膜一样,囊泡膜上同样镶嵌着各种蛋白,囊泡内部包裹着化学物质,如激素、多巴胺、五羟色胺等。
囊泡要完成运输物质的功能,无时无刻不需要与细胞膜进行互动。例如,外界的物质要进入细胞,需要胞吞;内部的物质要排出细胞,需要胞吐。
- 胞吞胞吐
胞吞是细胞将外界的物质吞进内部,此时,细胞膜通过弯曲,会形成新的囊泡,进入细胞内部。
胞吐是细胞内部的囊泡与细胞膜融合,将物质排到外部,此时,囊泡会消失到细胞膜上。
这是胞吞胞吐的模式图,目前,谁都没能在分子层面上看到过这个过程。
那么,如何实时观察到细胞的胞吞或胞吐过程呢?
- 实时观察胞吞胞吐中的细胞膜
你肯定会说,用显微镜啊。是的。
但是,普通光学显微镜的分辨率是微米级的。而细胞膜有多厚?约为7-8纳米。囊泡的大小约为几十到几百个纳米。假如,你在普通显微镜下,看到囊泡消失了,怎么就确定它是和细胞膜融合了呢?
有人会说,电子显微镜分辨率高,可以用电子显微镜观察。
的确,在电子显微镜下,可以清晰地观察到囊泡的结构。
甚至,电镜下还可以看到细胞膜上存在类似欧米伽(Ω)形状的结构。
但是,问题又来了,电子显微镜不能看活体细胞,只能把细胞固定起来再观察。也就是说,电镜下看到的是细胞膜的尸体,并不是一个动态的过程。
既然不是动态过程,你怎么能确定观察到的细胞,是在吞,还是在吐呢?
因此,还是需要看活体细胞的动态过程。并且,活体研究也更加具有生理意义。
那么,科学家想到了什么办法呢?
办法就是:将细胞膜标记上荧光蛋白,再拿到高分辨率的荧光显微镜下进行观察。
具体是如何来观察的,我们下一篇继续:细胞膜最简单的磷脂双分子层,行为复杂到超出你的想象(二)。