核心提示: 提到葡萄糖大家一定不陌生,對於葡萄糖是怎麼進入細胞的,您可能就不清楚了。清華大學教授、長江學者顏寧將晦澀難懂的科研知識,變成通俗易懂的科普「甜點」,讓您了解什麼是轉運蛋白,葡萄糖怎麼進入細胞。
提到葡萄糖大家一定不陌生,對於葡萄糖是怎麼進入細胞的,您可能就不清楚了。清華大學教授、長江學者顏寧將晦澀難懂的科研知識,變成通俗易懂的科普「甜點」,讓您了解什麼是轉運蛋白,葡萄糖怎麼進入細胞。
什麼是細胞
每個人的身體內都有百萬億量級的細胞,對於生命來說,不論你是人類,是花草魚蟲,又或者是我們都知道的真菌,有些是有益的,有些是有害的,只要是生命,它的共同特徵就是由細胞組成的。什麼是細胞?細胞必然都是個實體的物質,當我們說細胞的時候,就不可避免地要涉及到它的一個邊界,就像西安的古城,你需要有個城牆把它定義出來,拿什麼來定義細胞呢?就是細胞膜。細胞膜的物質成分是磷脂雙分子層,一說到磷脂可以想想脂肪,是輸水的,正是因為磷脂的輸水特性,使得細胞可以在水環境中,比如說在進化之初,可以在海洋中把它包裹出一個空間,形成生命的實體。但是細胞膜不僅僅是磷脂雙分子層,上層是非常擁擠、非常繁忙的一個結構,有磷脂,還有蛋白質。科學家們其實經過很多年才意識到,細胞膜是一個流動鑲嵌模型,蛋白質鑲嵌在上面。
轉運蛋白的作用真不小
作為生命需要新陳代謝,需要不斷進行化學反應,把營養物質吸收進來,把代謝的物質排出去。可是這些物質絕大多數是溶於水的,一層輸水的細胞膜,使得吃的鹽、糖等這些親水的物質,沒有辦法自由進出細胞。怎麼辦?經過億萬年的進化,一大類蛋白質被進化出來,叫做轉運蛋白或者叫運輸蛋白。
顏寧舉了個生動有趣的例子。她說,這個房間周圍這一層牆就是細胞膜,每個人要進出怎麼辦?有門,各種各樣的門,不同的方位、不同特性的門就是轉運蛋白,通過打開或關上可以讓物質進或者出。但是有些有毒的東西,不想要,這個門就像一個邊界,你沒有籤證就不讓你進,所以需要有選擇性。比如說火災了,我需要大量湧出,這需要速度,可是當我走紅毯的時候,需要特別慢,所以需要在正確的時間、正確的地點,讓正確的數量和正確的對象能夠進或者出,這個過程說來簡單,但是真正做起來是非常複雜的。
大家一定要注意睡眠
民以食為天,最基本的營養物質是幹嗎的?是給我們提供能量的,我說你聽都需要耗費能量的,葡萄糖是最基本的提供能量的物質,特別是對於我們大腦而言,可能愛因斯坦的比重高一點,對於我們每個人來說大腦佔體重的2%左右,可是它消耗的葡萄糖要佔到整個人體攝入葡萄糖的1/4,所以我們大腦是嚴重依賴於葡萄糖的功能,特別是在我們睡眠的時候,好像整個人放鬆了,休息了,可是大腦不休息,耗費葡萄糖的量就更高了,所以大家一定要注意睡眠,這樣不僅有利於第二天精神煥發,還對於避免很多疾病非常重要。因為我們睡覺的時候,大腦是在工作、在清除很多代謝廢物的過程。
葡萄糖怎麼進入細胞
葡萄糖是高度親水的,怎麼進出輸水的細胞膜呢?葡萄糖轉運蛋白理解起來是一種蛋白,在人體中有14種,所以有各種各樣的蛋白分布在我們的不同組織、器官之內,具有不同的特異性,發揮著功能,但有一個共同特點,都能轉運葡萄糖。
葡萄糖吸收如此重要,如果產生異常,就會導致多種疾病。GLUT1是胚胎發育過程中唯一的葡萄糖轉運蛋白,又是對於大腦至關重要的轉運蛋白,所以如果它產生異常,就會導致發育緩慢、智力遲緩,以及先天性的幼兒就開始的癲癇。我們經常說血糖,血液裡其實有非常高濃度的葡萄糖,它們是給紅細胞提供能量,讓它代謝,讓它燃燒,變成ATP,可是如果葡萄糖轉運蛋白不給力了,上不了這個膜,這個門打不開了,那麼大量的葡萄糖積蓄在血液中,後果就是糖尿病。所以當葡萄糖轉運蛋白產生異常的時候,確實是會給我們帶來很多意想不到的疾病,或者現在慢慢也可以知道的多了,可以根據它的序列,能夠預測出一些疾病。
看似簡單的事歷經漫長的研究
大概一百多年前,一個博士生發現,紅細胞可以攝入葡萄糖,而且和攝入的濃度有關係,不是自由的擴散。直到1948年,法國的科學家才通過更多的實驗猜測,葡萄糖不能自由地進入細胞,可能是有一些其他的成分來介導這個過程,但是什麼成分不知道,那個時候對於蛋白質我們還知之甚少。又到了上世紀五十年代,當時科學家對於生化知識,聚焦於各種參數的測量,他們也不知道這種物質到底是什麼,但是根據測量出來的轉運參數,提供了這樣一個運載模型,而這個運載模型持續了幾十年,現在我們才知道這是不對的。
到了1977年,這是非常重要的一年,兩位科學家從紅細胞裡分離出了這種蛋白,並且把這個蛋白放到體外系統來證明是可以介導葡萄糖的轉運,命名為GLUT1,第一個葡萄糖轉運蛋白。又過了8年,MIT科學家才終於把它的基因序列克隆出來,對於它到底是什麼,有了一個更為直觀的認識。但是說到直觀,也不過是一種抽象的字母,20種胺基酸的組合,到底是什麼不知道。到了上世紀九十年代,很多科學家開始想把它的結構呈現出來,可是非常難。九十年代看文獻,很多人根據它的序列,開始研究很多遺傳疾病與突變的關係,同時對於葡萄糖轉運蛋白的結構研究也提上了日程。
拿到一個膜蛋白在業內都會引起歡呼
當我們說結構生物學的時候,就是要藉助於這些物理、化學工具,把生命大分子的外形,以及它的動態過程呈現出來,這就叫做結構生物學。結構生物學因為探測的是非常基本的生命過程和生物大分子,所以也是諾貝爾獎的寵兒。從第一個諾貝爾物理獎——1901年倫琴射線的發現。之後又經過多少代科學家的研究,終於把X射線晶體學演變成一個成熟的學科,並且慢慢的把這個學科從無機物應用到有機物,最後應用到生命物質。這是經過了半個世紀,到了上世紀五十年代,才終於利用X射線晶體衍射解析出了第一個生物大分子,而且是兩個DNA以及血紅蛋白,把它的結構呈現出來了,標誌著結構生物學正式開始。
在過去所有的結構生物學諾貝爾獎,對於膜蛋白,這是一個非常熱門的領域,原因無非是兩點,第一是難,第二是重要。我們能夠呼吸,我們或者看到光合作用,這些都有賴於膜蛋白完成的。但是由於膜蛋白的表達量,它的生物操作難度太大了。在人體中,膜蛋白佔所有編碼基因的30%,涉及到各種各樣的感官運動等等。可是,對於所有拿到結構的蛋白質來說,30%的膜蛋白結構佔不到1.5%,就是因為它太難了,也因此大家對於膜蛋白的結構是非常重視的,只要能夠拿到一個膜蛋白,通常都會在這個領域裡引起很大的歡呼。
而顏寧所研究的一類蛋白叫轉運蛋白,它的難度比其他幾類還要難,其生物學進展尤其緩慢。在顏寧從事這個領域研究的時候,代表了當時膜蛋白結構生物學領域最為期待的生物學結構之一。通過她和她學生的努力,非常幸運地在2014年1月解析了葡萄糖轉運蛋白的結構。
本報記者王嘉