2014年3月28日 星期五

細胞內的磨坊和摩打腳

記得小學時看過一集教育電視解釋人體怎樣消化食物。它用一座工廠來比:牙齒是切割機,胃部是攪拌等等。其實用機器來形容器官很貼切外,用來形容細胞入面的「零件」也非常恰當。下面為你介紹我們身體內最精密的機器。

在介紹它們前,請想一想這些機器有多細微。以製造「能量儲備」的ATP synthase 作例子,它的直徑大約為90nm (納米)。一根頭髮的直徑大約為100μm (微米),即是說一根頭髮的直徑可以放下一千多個 ATP synthase。

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1. F0F1 ATP synthase (ATP合酶)

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你吸的每一口氣,吃的每一口飯,(幾乎)都是為了餵這一部雙摩打發動機。我們身體內的能源儲備是一樣叫ATP(adenosine triphosphate)的化合物。就像你出國旅行要兌換外幣一樣,食物經過消化吸收後要「兌換」成ATP才能供身體使用,要這找換店就要ATP synthase*。

這機器有兩個摩打:F0 和F1,兩個摩打由一個軸連接,另外有一個不動的定子(stator)把F0和F1固定。F0 同時是一個離子泵(ion pump)。食物經過分解後會用來泵質子(proton; H+)到線粒體(mitochondria)的內外膜中間的空隙(即是上圖中灰色以上的空間)。F0像水壩一樣,讓這些質子穿過來推動它。

質子通過F0會推動它旋轉,而連接F0和F1的軸(圖中藍色的axle)也會一起轉動,繼而攪動F1,變動F1的結構。F1結構的變動就提供了能量去製造ATP。

讀不明白?請恕小弟文筆拙劣,還是看看影片:




片中跟上圖畫的上下調轉。下面在轉動的是F0,跟它一起轉的就是軸,再上面被軸攪動的就是F1。周圍飛來飛去旳是ATP及其原料(ADP和phosphate)。F0的轉動,導致F1的結構改變,提供了能量製造ATP。跟磨坊用水力轉動水車,用其轉動的能力去磨麥一樣的原埋。我們人類不知不覺間抄襲了大自然的機器,到近幾年才發現呢!這影片其實是播慢鏡,F0每秒轉動150次!這不是機器是甚麽?



*synthase 為製造東西的enzyme(酶)。來自古希臘文: synthesis, “a putting together; composition”;有 -ase 結尾表示它是一種enzyme。


2. motor proteins (馬達蛋白)

如果細胞是一個城市,馬達蛋白就是它的公共運輸系統。細胞城有兩種公路:微絲(actin filaments)和微管(microtubules)。細胞內有三類車在走:走在微絲上的有肌球蛋白(myosin),而走在微管上的就有驅動蛋白(kinesin)和動力蛋白(dynein),向相反方向走。這幾類馬達蛋白在細胞中都是用作運輸物料的。肌球蛋白同時負責肌肉收縮。

先看影片:


很可愛吧?片中的是驅動蛋白 (kinesin),拉着大大的包袱(vesicle; 囊泡)在微管上從細胞中心大步大步的向外走。以下的影片解釋了它的兩條腿是怎樣運作的:



簡單來說,當前腳站穏時,後腳鬆開微管,前腿用力把後腿擺動到前面,成為新的前腿。重複這些動作就能向前走了。

動力蛋白(dynein)跟驅動蛋白 (kinesin)走相反方向,但由於動力蛋白大很多和比較複雜,目前我們還不太清楚它是怎樣走的。其中一個可能是這樣有點像穿跟高踭的女士一擺一擺的走在微管上:


而肌球蛋白(myosin)跟驅動蛋白有點相似,都是用「站穏,用力向前擺動,放開」的運作原理:



跟上面的ATP synthase 影片一樣,這些都是慢動作的。驅動蛋白一秒鐘走50步,名副其實的「雙腿好似摩打」!

以上介紹的機器都比較簡單,都是做比較單一的動作。下次為大家介紹細胞內的影印機和紡織機。這些大型機器,有很多零件,很多「按扭」,複雜但設計精密,很引人入勝呢。


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