一个细胞，一座迷城

叶盛

人类对生命的认识是从动物个体开始的。可是如果要回答一些生命的问题，光从动物个体的层次出发是不够的。要追根溯源，刨根问底，宏观的生命现象需要我们深入至微观世界才得以解答。微观到什么程度呢？细胞、微生物……这些都不够，我们一直要微观到分子、原子才可以。举个例子，为什么血液是红色的？因为血液里面有红细胞，而红细胞是红色的。红细胞为什么是红色的？因为红细胞里有一种蛋白质，它的名字叫血红蛋白，它是红色的。血红蛋白为什么是红色的？因为血红蛋白里含有铁，铁这种微量元素很容易和氧结合到一起，这样就能把氧带到我们全身各处。可是，铁不是黑色的吗？怎么就成红色的了？因为铁氧化了，氧和铁结合后形成的氧化铁是红色的，所以我们的血液才是红色的。今天我们就来聊聊这种肉眼看不见的物质——蛋白质。

细胞有多大

细胞有多大？是0.1毫米，也就是万分之一米。这也是人类肉眼分辨率的极限。所以想用肉眼观察细胞内部是不可能的，因此我们需要借助显微镜。我们以洋葱表皮细胞为例。把洋葱一层层剥开，将其内表皮撕下来，就会很容易得到它的单层细胞。显微镜下，这些细胞呈现为一个一个的格子。实际上，细胞对应的英文单词叫cell，cell这个词本身的意思就是小格子。所以，洋葱表皮细胞呈现的其实就是细胞的一个基本形态。每一个格子代表一个细胞，里边黑黑的是细胞核，它是细胞最核心的部分。大肠杆菌是一种单细胞生物，一个细菌就是一个细胞。大肠杆菌生活在人类的大小肠中，正常情况下，它是一种和人类互利共生的细菌。只有在机体免疫力降低等情况下，它们才会对人体健康造成危害。再以蛙的胚胎为例。蛙的受精卵分裂成兩个细胞后，再从两个细胞变四个细胞。人也是从受精卵分裂发育成的，一变二，二变四，四变八……这么一步一步变出来的。这就是生命微观，也是最根本的东西。

细胞里面长啥样

我们把细胞整个剖开，就会发现细胞的结构非常复杂。细胞里有细胞核、核仁、内质网、高尔基体、线粒体……细胞里有各种各样复杂的东西，其中一部分可以统称为细胞器。整个细胞就像一座喧嚣的城市，里边的蛋白质和细胞器在不停地运动，如果你真的能缩微成一个小人进到细胞里去看一看，就会发现细胞里的工作非常忙乱。当然，细胞的很多状态都需要借用显微镜来观察，不过这种显微镜并不是学校实验室里常用的显微镜，而是复杂得多、高级得多、巨大得多的显微镜。

细胞中的线粒体

线粒体是什么？线粒体是细胞的能量工厂。我们所有的运动，包括呼吸、说话、思考，全都需要能量，能量从哪儿来呢？通过饮食获取。当食物进入身体之后，会变成一些有能量的小分子——葡萄糖。葡萄糖在哪里释放能量呢？就在线粒体里。所以说，每个细胞里都有很多的线粒体来帮我们提供能量。我们吃进去的能量分子最终转换成了一种叫作ATP的小分子。ATP是细胞里的能量货币，细胞里绝大多数活动都需要它来提供能量。

细胞中的蛋白质复合体

我们把尺度再进一步缩小，就会看到蛋白质复合体，它的尺度是100纳米，也就是千万分之一米，这是非常小的。在众多的蛋白质复合体里，有一种叫核糖体，是细胞中的蛋白质工厂。蛋白质从何而来？就是从核糖体中生产出来的。人们每天都要活动，即便当你坐在那一动不动，身体每一个细胞里的蛋白质机器仍旧在不停地运动，所以我们才说“生命不息，运动不止”。我们把蛋白质机器拆开，里面是一个一个的蛋白质，比如这个核糖体蛋白质机器，拆开后就会发现里面有非常多的蛋白质。所以，蛋白质是组成细胞里分子机器的零件。蛋白质还有其他用处，比如有的蛋白质本身就很大，自己就像一个分子机器，能做很多很复杂的事情。磷酸原激酶是细胞中很重要的一种蛋白质，能够帮助我们把暂时不用的ATP分子先储存起来，等要用的时候，再将其能量释放出来，它的作用类似活塞式的发动机。还有一类蛋白质是细胞的建筑材料，如砖瓦般搭起了整个细胞。细胞里有很多纵横交错的网络，叫作细胞骨架。细胞骨架聚合的过程中很多小蛋白质不断地汇聚到一起，形成了一个管状或纤维状的结构。不需要这些骨架的时候，它又会迅速地解聚。还有很酷的动力蛋白，它正拖着一个巨大的囊泡在一根微管上行走，囊泡里装着很多货物。这样的情况无时无刻不发生在你的每一个细胞里。

蛋白质能被直接看见吗？用显微镜我们一定看不到！为什么？人眼可感知的可见光波长范围大概为400—700纳米，紫色是波长最短的，约400纳米；红色是波长最长的，约700纳米。我们之所以能看到一个物体，就是因为光照射到物体表面，然后被反射出来，我们看到了被反射出来的光也就看到了这个物体。但是，在光波和蛋白质之间会发生什么呢？蛋白质的长度约10纳米或更小，比光波的波长几百纳米要小多了，所以当光遇到蛋白质的时候，它会绕过蛋白质，也就是说，它们之间不会发生任何反应，任何相互作用，所以我们不可能利用可见光看到蛋白质，也就不可能用光学显微镜看到蛋白质了。为了解决这个问题，科学家发明了荧光显微镜。现在，我们把希望看到的蛋白质和绿色荧光蛋白连在一起，如此一来，绿色荧光蛋白在哪儿，蛋白质就在哪儿了，这就是荧光显微镜的基本工作原理。不过，科学家们觉得只有绿色荧光这一种颜色太单一了，如果想看好几种蛋白质怎么办呢？于是有科学家把绿色荧光蛋白稍微改造了一下，就生产出了一系列不同颜色的荧光蛋白。有了这一系列不同颜色的荧光蛋白，我们就可以标记不同的蛋白质，也就看到了细胞内部五彩斑斓的微观世界。在荧光蛋白的帮助下，我们看到的蛋白质是一个一个的点，一个光点对应一个荧光蛋白，可是我们怎么知道蛋白质内部的结构呢？

蛋白质的内部结构

首先我们来了解一个尺寸——0.1纳米。0.1纳米等于一百亿分之一米，把1米的长度平均分成100亿份，那1份就是0.1纳米。在这样的尺度上我们再去看蛋白质。你们或许听过水分子的化学式H2O，水分子就是由2个氢原子和1个氧原子组成的，我们再来看看另一些常见物质的化学式，比如甲醛、乙炔、甲烷、硫酸根、甘油等。甘油在生活中很常见，几乎所有的化妆品和家化日用品里都有甘油。甘油的化学式是C3H8O3，代表它由3个碳原子、8个氢原子、3个氧原子组成。血红蛋白的化学式是什么呢？它是由多少个原子组成的呢？血红蛋白由3032个碳原子、4816个氢原子、812个氧原子、780个氮原子、8个硫原子和4个铁原子組成。所以，一个蛋白质分子就由这么多原子组成，我们最终也测到了每一个原子在三维空间中的位置。其实我们每个人的身体都像一个宇宙，里边有无数的原子，它们组成了非常复杂的机器，完成了非常精密的生物学功能。这些结构是用什么方法测出来的呢？这需要借助X射线、电子显微镜或核磁共振等手段。这是一个同步辐射X射线光源，它是一个很强大的X射线光源，可以用来给化石照X光片，它跟我们平常去医院照的胸片是不一样的。同步辐射光源是一个巨大的科学装置。目前全中国只有一台第三代同步辐射光源，在上海。

为什么要研究结构生物学

为什么要做结构生物学？我们知道线粒体是细胞中的能量工厂，ATP分子是细胞里的能量货币，那么，食物变成了葡萄糖之后是怎么变成ATP的呢？在这个能量转换的过程中，有一个很关键的蛋白质机器在起作用，那就是ATP合成酶，它就像电动机一样不停地旋转，而推动它旋转的力量来自跨膜质子动力势，旋转时产生的力量合成了ATP。ATP合成酶又像水坝上的水车，水车不停地转动，ATP合成酶也在我们体内不停地转动，这样的事情发生在我们每一个细胞的每一个线粒体里，它们给我们提供了能量，让我们能说能想，能跑能跳。正是通过结构生物学的研究，我们才能够进入到微观世界，看到这些蛋白质分子的运转模式。另外，结构生物学也能够帮助我们研制新药，治疗更多疾病。药物之所以会起作用，是因为它们能阻碍细菌的核糖体，阻碍它的运动，这样细菌就死掉了。这样的医学研究都需要靠结构生物学。回到今天的主题：从细胞到原子——生命的微观世界。从几百米高的楼房，一两米高的人，到几厘米长的昆虫，再到微米级的细胞，纳米级的蛋白质分子、原子，人类想要真正从根源上回答一些生命的问题，就必须从宏观向微观进军。