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细胞内的“骨架”


□ 武延生

  如果说生命是一种非常神奇的现象,那么,细胞便是成就生命的载体,那么又是什么成就了细胞呢?

  细胞本身就是一个复杂的社会,功能不同的众多分子承担着数不胜数的生命活动,即使一个最简单的细胞也比迄今功能最强大的计算机精巧得多。有些细胞里发展出了膜性结构,把进行相关生命活动的分子集中在一个膜泡里,这就形成了细胞器。细胞器是细胞质中具有一定结构和功能的微结构,组成了细胞的基本结构,使细胞能正常地工作、运转,主要有细胞核(负责遗传信息的储存和表达)、内质网(负责蛋白质和脂质的合成)、高尔基体(负责蛋白质的修饰和糖类的合成)和溶酶体(负责无用分子的消化)等等。细胞核是最大的细胞器,科学家根据细胞内是否发展出细胞核,将细胞分为原核细胞和真核细胞。真核细胞内有细胞核,原核细胞则没有。

  细胞的结构虽然复杂,但也是高度有序的。如果生命活动不能有序进行,就意味着生命的终结。但是细胞里有一个很有趣的现象,那就是细胞内的大分子都在进行无规则的热运动。这这对细胞的有序性提出了挑战。不过,不管有什么样的困难,细胞依旧存在着,而且至少已经在地球上繁衍并演化了30多亿年的时间,细胞内必然有某种机制维持着细胞的有序性。研究发现,原核细胞的膜具有多功能性,比如可以进行有氧呼吸、蛋白质和细胞壁组分的合成等。也就是说,原核细胞的细胞膜为各种酶提供了附着位点,同时赋予这些酶以有序性。

  从进化的角度看,真核细胞比原核细胞发达,但同时真核细胞的体积也大很多。因为体积与直径的3次方成正比,而膜面积与直径的2次方成正比,所以面对细胞要承担的众多功能,区区细胞膜似乎早该不堪重负。那么,细胞是如何解决这个问题的呢?

  原来,部分区域的质膜内陷形成膜泡或膜性结构,在这些膜泡或膜性结构的表面或内部存在功能相关的酶,这样就极大地扩展了细胞膜的表面积。但这些膜泡和膜性结构之间又需要协调,这又增加了维持有序性的难度。真核细胞如何解决这个问题呢?

  随着电子显微镜的发明和使用,人们逐渐认识到在真核细胞内还存在着微丝和微管两种线状的成分,这两种成分纵横交错,形成细胞骨架,为不同分子和细胞器提供了交流的桥梁,有效地提高了真核细胞的有序性。

  将微丝染色后,我们就可以在光学显微镜下观察到微丝束的存在。撕下洋葱鳞茎的内表皮,经过处理后,洋葱细胞的细胞膜和细胞内的水溶性物质被去除,这时细胞内就基本上只剩下微丝束了。然后用染料将其染色,再放在光学显微镜下观察。这时我们就可以看到:粗大的微丝束弥散于整个细胞中,部分微丝束的一端附着于细胞核结构上,另一端则伸向靠近细胞膜的地方,好像微丝束是从细胞核发散出去的。在未经任何处理的洋葱鳞茎内表皮细胞中,由于中央位置有一个大液泡,细胞内的其他物质都被挤到靠近细胞壁的位置。但是在处理后的细胞中,液泡膜连同内含物都流出去了,由于受到微丝束的拉扯,细胞核便处于中央位置。在有些细胞中,多个细纤维束结成粗大的纤维束,似乎将细胞核撕裂开来。细胞核之所以呈现这种情况,可能是由于细胞核的核膜消失了,细胞核内的大量脂溶性纤维与微丝紧密相连,相互拉扯,便形成了我们见到的情况。

  细胞内的微丝、微管等结构成分相互交错,构建了物质交流的桥梁,同时还是多种细胞器的附着位点和多种生化活动的发生位点,这种构造简直太精巧了!但紧接着我们又会问:细胞骨架是怎么来的?真核细胞起源于原核细胞,在原核细胞里是否也存在细胞骨架呢?目前这方面的研究进展似乎让人失望。已经发现的几种类似真核细胞骨架成分的物质不但分散存在于几种不同细菌中,而且其结构和功能与真核细胞骨架成分之间也不存在可比性。

  也许美国女科学家马古利斯的内共生学说更接近进化史的真实,这一学说认为:真核细胞是由不同的细菌通过共生逐步进化的,真核细胞中不同的骨架成分也是来自于不同的细菌祖先。内共生学说在解释线粒体和叶绿体的来源时获得了巨大成功,认为线粒体来源于好氧细菌,好氧细菌在进化历史的某个时间被真核细胞的祖先所吞噬,但真核细胞的祖先没有将它分解,而是二者各取所需,共同生活在一起:真核细胞为好氧细菌提供营养物质,好氧细菌则将营养物质彻底氧化分解后释放出更多的能量,这些能量大部分提供给真核细胞使用。叶绿体也是被真核细胞吞噬后共生在真核细胞内。内共生学说认为,在更加古老的时候,真核细胞的祖先吞噬了一种被称为螺旋体的细菌。但这种细菌不如上述的好氧细菌和蓝藻幸运,它的细胞膜消失了,将菌体内的成分释放到了真核细胞内,真核细胞充分利用了螺旋体释放出来的动粒。动粒可发射出微管,而微管可以在细胞分裂时形成纺锤丝,将姐妹染色单体或同源染色体拉向两极,从而形成两个子细胞,也可以充当细胞内物质运输的轨道。我们之所以能看书和思考,正是由于在神经细胞纤维中的微管上频繁地进行着信号物质流动。

  细胞的共生是建立在吞噬和细菌种类的随机性基础上的,只有当吞噬的细菌种类和顺序恰当时,才会产生真核细胞。虽然真核细胞不出现的概率要远远大于其出现的概率,但真核细胞还是幸运地出现了,并在此基础上不断演化,最终形成了我们今天生活其中的纷繁多彩的生命世界。要知道,各种植物、动物和真菌都是由真核细胞构成的,从这个角度说,人类与它们真是兴衰相系、亲密无间的一家人啊!

  (作者单位:邢台学院生物化学系)

  更正:本刊2013年第1期P17右栏倒数第18行“有三个方面”应为“有四个方面”;P54右栏倒数第7行“著名的新疆民歌《在那遥远的地方》”应为“著名的青海民歌《在那遥远的地方》”;P21右栏第一行“6550”应为“50”。

  特此更正,敬请谅解。

  《大自然》编辑部

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摘自:大自然 2013年第02期  
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