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从肥皂泡到生命过程:杨玉良教授在中科院第12次院士大会的讲演
2004-12-08  来源:中国聚合物网
   说到红血球的形状,还有一个非常重要的形状,即镰刀状红血球,看起来很像一个香蕉。它出现在一种病人的血液中,叫做镰刀状红细胞贫血症,即地中海贫血病。红细胞原来是饼状的时候它很软,流过毛细血管的时候能够自由的弯曲。但是变成香蕉一样的形状就带来了麻烦,很难流过毛细血管,整个身体的血氧交换就会发生问题,导致贫血病。生物学上已经知道这是因为血红蛋白上有一个氨基酸出了错。出错的氨基酸导致这些血红蛋白会一个个地粘了起来,形成很长的棒。这个各向异性的棒状的蛋白组装体嵌入到红血球膜上后,导致了红血球从双凹碟状转变为镰刀状。这个道理生物学家都已经知道,但是很遗憾的,至今尚未像双凹碟状红血球那样有了严格的理论计算。

    再来看看红细胞的生命周期。一个红血球的生命周期大概在两到三个月。红细胞膜表面上,大概有百分之六十是磷脂分子,百分之四十是胆固醇-胆固醇不是坏东西,是必须要有的。胆固醇比较刚性,膜上掺入有胆固醇后,它的弹性就相对比较好一点。但是胆固醇自身是不能形成囊泡的,胆固醇只有和卵磷脂在一起才能形成一个比较完整的红血球。有一种观点认为,在红细胞生命周期的晚期,卵磷脂和胆固醇会发生相分离。相分离形成的卵磷脂相因其十分柔软而会发生出芽(Budding)并进入血浆中。于是,卵磷脂不断流失之后,膜上剩下的越来越多的是胆固醇,因胆固醇不能形成囊泡而导致红血球的散架,胆固醇游离进入血浆中,并可能会在血管壁上富集。如果这个看法是正确的,那么用一定的方式补充卵磷脂,对防治冠心病等心血管疾病应该是有效的。事实上,对由卵磷脂和胆固醇制成的人工囊泡的实验发现,膜上的卵磷脂和胆固醇的相分离确实会导致出芽现象。我们采用统计力学方法计算了囊泡膜上的相分离,相分离诱导出芽的现象得到确证。因此,我们可以说生命过程同样必须严格遵守物理学的定律。基因只是通过物理学等基础科学的基本定律在发挥作用。

    细胞膜还有更为复杂的胞吞和胞吐现象。胞吞是细胞内的囊泡与细胞膜融合将小囊泡里的东西释放到细胞外,但是内囊泡的膜与细胞膜融合。胞吞则是胞吐的反过程。但是,细胞是采用什么机制来实现胞吞和胞吐过程的呢?有一个实验很简单也很有意思,即在囊泡外膜上吸附少量的高分子,如PEG,则会看到囊泡会发生形状的转变,管状囊泡会变成一串球、而其它形状的囊泡则会出现出芽、胞吞和胞吐的形状转变。这样的现象在生物学上有重要的意义。这种现象广泛地存在于高尔基体和内质网的蛋白质分选和内分泌过程中。我们将吸附有高分子链的囊泡作为模型,并采用统计力学方法计算了囊泡的形状转变。计算结果告诉我们,囊泡膜的内或外表面吸附了高分子后会转变为丰富的形状。这种形状与细胞中的高尔基体、内质网和线粒体等细胞器的形状有着十分密切的关系。囊泡为诸多细胞生命过程提供了十分有意义的模型。在这里,基因也没有直接出现,而是物理学的基本规律在起作用。

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