牢房是又快又拥挤的地方(2011)

我最近了解到牢房是非常拥挤和繁忙的地方。我知道细胞中有很多活动，但直到我读了“细胞分子生物学”，我才意识到有这么多。我当时在读这本分子生物学教科书，想知道在过去十年左右的时间里，分子生物学发生了什么，我发现我对细胞内的事情发生得有多快有一些误解。你可能已经看过令人惊叹的“细胞内部生命”视频，其中有壮观的动画，展示了细胞内的活动是血细胞对炎症做出反应的过程。(BioVisions网站上还有更长的旁白版本。)。我把牢房想象成有很多事情发生的大空地，也许是像中央公园那样的地方。从“细胞的内部生命”视频，或细胞的典型图画来看，它看起来像是一大片空白。但事实证明，牢房里挤满了东西，更像是时代广场的新年前夜。蛋白质紧密地堆积在细胞内。下图展示了细胞是多么拥挤，有蓝色的RNA，绿色的核糖体和红色的蛋白质。图片：来自“细胞分子生物学”的细胞质结构。改编自D.S.Goodsell，Trends Biochem。SCI。1991年16：203-206。

我偶然发现了另一个有趣的例子，说明了牢房是多么拥挤。这张图显示了一个突触小泡，它是神经元的一部分，负责将神经递质从一个神经元释放到另一个神经元。当我看到这张图时，我以为作者把所有不同的蛋白质都塞进了这张图，这样他们就可以画出不同的膜蛋白的漂亮插图。但事实上，下图省略了三分之一的蛋白质，因此真正的膜更加拥挤。包含这张图的论文指出，与其认为膜上漂浮着蛋白质，就像冰山一样，我们应该把膜想象成像鹅卵石路面一样塞满了蛋白质。图片："；平均SV的分子模型，来自贩运器官的分子解剖学，Takamori等人，细胞。2006年11月17日；127(4)：831-46。

你可能会想，如果牢房这么拥挤，里面的东西是怎么走来走去的。事实证明，由于热运动，分子运动的速度快得难以想象。像葡萄糖这样的小分子正以大约每小时250英里的速度在细胞周围巡航，而一个大的蛋白质分子正以每小时20英里的速度移动。请注意，这些是单元内部的实际速度，而不是放大的速度。我不是在说以每小时20英里的速度驾车穿过拥挤的时代广场；要扩大规模，更像是以每小时2000万英里的速度驾车穿过时代广场！因为细胞是如此拥挤，分子不可能在不与物体碰撞的情况下走得很远。事实上，一个分子每秒会与某物碰撞数十亿次，然后朝不同的方向反弹。正因为如此，分子在细胞中随机行走，并扩散到周围。一个小分子可以在1/5秒内从细胞的一侧到达另一侧。所有这些随机运动的结果是，一个典型的酶每秒可以与要反应的东西碰撞50万次。看着视频，你可能会想，不同的片段是如何恰好移动到正确的位置的。事实上，他们在牢房里的覆盖范围如此之快，以至于他们经常会偶然地出现在正确的地方。此外，典型的蛋白质每秒会翻滚一百万次。想象一下，蛋白质挤在一起，每个蛋白质以每分钟6000万转的速度旋转，分子每秒撞击它们数十亿次。这就是牢房里正在发生的事情。我并不是在责怪“细胞内的生命”的制造者放慢了细胞内的行动。如果视频是完全真实的，你不会看到任何东西，因为动作太快了，甚至看不到模糊。但是，记住细胞的真实速度可以弄清楚很多事情，比如分子是如何找到自己的路的。细胞令人难以置信的速度和密度也有助于解释为什么很难模拟细胞内发生的事情。即使有了一台超级计算机，在不进行重大简化的情况下，细胞内部也有太多的事情要进行模拟。即使模拟单个核糖体也是一个巨大的计算挑战。关于细胞的另一件令我惊讶的事情是细胞内的马达移动得如此之快。就像拥有两只笨拙双脚的机械机器人一样，在视频中可以看到，在2分钟的时间里，一种运动蛋白马达蛋白沿着微管轨迹拖动着一个巨大的袋状囊泡。(这应该是您在页面顶部的YouTube预览框中看到的内容。)。如果扩散速度不够快，不足以将东西送到目的地，这些马达蛋白就会在细胞内运送货物，这在神经元等极长的细胞中尤为重要。动蛋白马达还有助于分离正在分红的细胞