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【bio-news】摇摇欲坠的百年生物学支柱
来源:科技日报
在某些方面，细胞与城市有很多相似之处。细胞内部结构图中描绘出的条条大道，将制造大分子的“工厂”和装配发运这些分子的“邮局”连接起来。细胞内的居民——蛋白质和其他分子，在细胞内的繁忙小道上不停穿梭着，它们像街头的人群一样约会、沟通并让一切井井有条地进行着。
忙着去参加重要会议而被耽搁在路途中的任何一个人，对这个城市总是有所了解的。生物学家们现在也正开始深入地了解细胞，但这些结构图并不总能描绘出关于细胞的众多细节，如交通、封闭的道路或是一棵倒下的树等，而这些又可能会对旅程造成很大的影响。
百年经典遭遇挑战
将近一个世纪以来，试图描绘细胞内部结构的生物学家们总是假设，存在于结构图和实际街道之间的差别是无足轻重的。这在对细胞内具有导向功能的骨干蛋白——酶的研究中表现得尤为真切。教科书中描述这些重要分子催化剂如何加速反应的公式——米氏方程，就假设这些酶通常不会陷入交通瘫痪的状态。这些酶预计会定时地碰到其他分子，并以恒定的速度完成反应，所以，这些酶的行为更像装配线上的工人，而不是街上的行人。
在大多数实验室进行的实验中，研究人员确信分子可自由活动和频繁互动，所以这个经典公式似乎非常适用。但实验室的实验并不能反映出实际细胞内的真实生活，其中的差异甚至足以将这个古老的方程废黜掉。
英国爱丁堡大学的生物物理学家拉蒙·格里玛最近发现，因为拥挤，酶在实际细胞内要比在试管里更难找到它们的同伴。另一项研究指出，即便在其他方面都完全一样的情况下，个别细胞拥有的酶的数量也不尽相同。这些研究成果意味着基于米氏方程的酶动力学模型也许是错误的。
“这是一个人们熟悉了百年的系统，”荷兰内梅亨大学酵素学家克斯汀·布兰科说，“现在我们得到的信息是，原来事实有点儿颠倒了。”
当科学家们为细胞内的化学过程建立模型时，米氏方程一直是默认的标准公式。格里玛说：“它具有广泛的影响，对于任何生物化学路径来说，你常常会在这些路径的主干道上发现一些酶。当你给这些酶建模时，你会自然而然地采用米氏方程。”
通过将这些街景进行放大，科学家们希望，他们能画出一幅更为精确的细胞城市地图。对细胞内的酶进行观察的实验方法，还不足以看到这些化学反应速度的差异实际上是多么的重要。但假如米氏方程不能准确地预测酶在成活细胞内工作得有多快，那么从生物化学课程到癌症治疗策略等诸多方面可能都要改写。
不过，科学家们并没有被不得不重写教科书的悲剧所吓倒，他们正在研究如何使用新发现的知识来设计新药物和生物燃料。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的内森·普莱斯说：“最终，你想要理解这些进程，以便能控制这些进程。”
生物学中的“百变金刚”
酶使得整个细胞城市能准点运行。有了酶的介入，过去需要300多年时间才能自助完成的反应，现在1秒内即可完成。通过拥抱一个特定的伙伴分子——基质，并将之变成新的东西，酶可完成诸如将DNA转译成可消化食物及产生萤火虫荧光这样的任务。因此，了解酶是怎样工作的，对理解细胞如何工作及如何操纵它们至关重要。
莱昂诺尔·米歇尔和穆德·曼滕1913年在《生物化学》杂志发表其著名的米氏方程，当时要观察一个正在工作的酶是一件不可能完成的任务。为了弄清楚酶在帮助邻近分子从一种形式转变为另一种形式时有多快，他们俩人不得不设法对充满着数十亿个分子的试管进行分析。
米歇尔和曼滕将工作重点放在有助于分解蔗糖的转化酶上。如果他们在一定程度上观察到了试管中究竟发生了什么事情，他们也就能看到酶会拥抱住一个糖分子（将其部分整齐地嵌入裂口），然后将其分裂成两个。由此产生的单糖、果糖和葡萄糖会继续成为细胞的能量来源，而酶则会坐等下一个新的蔗糖分子来投怀送抱。
米歇尔和曼滕发现，将一茶匙蔗糖转化为葡萄糖和果糖的时间取决于开始时的蔗糖量。蔗糖越多，反应在某种程度上也就越快。在此之后，反应会以稳定的步伐进行。
生物学家在解释这种现象时，将酶及其伙伴形象地比作锁和钥匙。一种酶一般只和一个伙伴一起工作，两者的形状可完美地结合在一起。但是，每一种酶一次也只能和一个伙伴结合，当所有的酶都忙得不可开交的时候，新的伙伴就不得不等着它空闲下来。
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作者:admin@医学,生命科学 2011-01-22 13:10
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