人类如何发现地球是圆的，细胞蛋白又是如何发现细胞膜是弯的？
2020/5/11 9:29:22 生物流BioStream

     无论身处多大或多小的空间，人类都想要去认识和改变整个世界。

     人类如何发现地球是圆的？

     很久以前，人类认为地球是平的。中国古代就有“天圆地方”的说法。

     古希腊哲学家德谟克利特，基于“球是世界上最完美的几何体”，主观猜想地球是球体。之后，伟大的希腊学者亚里士多德发现，月食之际，地球投射到月亮上的影子是圆弧状的，于是他推测地球是圆的。这也是人类首次为“地球是圆的”这个理论找到证据。

    

     月食发生时，太阳、地球和月球几乎在一条直线上，地球位于中间，会遮住太阳照到月球上的光线，形成月食。

     公元1519年，葡萄牙航海家麦哲伦率领船队，从西班牙出发，绕过南美洲，然后横渡太平洋，抵达亚洲，绕过好望角，最终又回到西班牙，实现了人类首次环地球一周的旅行，证明了“地球是球体”这一事实。

    

     麦哲伦船队探险

    

     麦哲伦环球航线

     为什么地球是圆的，最初人们却一直认为地球是平的呢？因为对于渺小的人类来说，地球实在太大了。半径越大，曲率就越小，球面直观的感觉就越接近平面。

    

     地球

     所幸，人类能够从地球外部天体的运动以及航行实践中，得出地球是球体这个结论。

     纳米大小的蛋白分子游荡于细胞中，就像人类生活在极大的地球之上。

     在显微镜下，科学家很容易看到细胞是个类似球形的东西，其细胞膜是弯曲的。然而，就像人类直观感觉地球是平的一样，对于细胞内微小的蛋白颗粒来讲，细胞实在太大了，它们也很难发现整个细胞膜的弯曲程度。

    

     尽管如此，仍然有一类蛋白，它们能够感受细胞膜局部的弯曲程度。

     感受细胞膜曲率的蛋白——BAR蛋白

     地球表面因山脉和盆地，局部弯曲程度迥异。类似的，细胞膜也并非完全平滑，也有凸起和凹陷，曲率有正有负。

    

     科学家很早就发现了一类BAR蛋白，它们能够从细胞内部感知细胞膜的弯曲程度，即曲率。这一类特殊的蛋白含有一个共同的结构域——BAR结构域，专门用来结合不同曲率的细胞膜。

     根据感受曲率的不同，BAR蛋白被划分为不同的亚型。例如，N-BAR结合正曲率膜，F-BAR结合接近平坦的膜，Pinkbar结合平面膜，而I-BAR则结合负曲率膜。

    

     结合到细胞膜表面的三种不同的BAR蛋白

     在细胞中，BAR蛋白感受膜曲率需要形成二聚体。结合正曲率的F-BAR蛋白，通过二聚体形成的凹面，和细胞膜的局部突起相结合。而结合负曲率膜的IF-BAR、I-BAR，以及结合平面膜的Pinkbar，则通过二聚体形成的凸面与细胞膜相结合。

    

     不同BAR蛋白，几何不同曲率的膜

     不同的BAR蛋白结合到合适曲率的细胞膜上，其目的是为了进一步改变和稳定细胞膜，以进行胞吞、胞吐、形成伪足等细胞生理活动。

     例如，囊泡形成过程中，膜曲率在不断变化。感知大曲率的N-BAR蛋白成员，能够结合到囊泡中间体上合适的曲率位置，稳定其形态，并在最终的囊泡剪切过程中发挥作用。

     再例如，F-BAR能够将细胞膜向里拉起来，形成囊泡，I-BAR则可以使细胞膜向外突出，形成伪足。

    

     I-BAR使细胞向外凸起伪足，F-BAR使细胞内凹成囊泡，N-BAR稳定囊泡中间体形态

     那么，BAR蛋白究竟是如何改变膜曲率的呢？

     BAR蛋白可以改变细胞膜曲率

     以F-BAR蛋白为例。F-BAR蛋白不仅能结合正曲率膜，还能够将平坦的膜拉起来，适应自己的弯曲程度，这一过程极其迅速，仅需要25纳秒。

    

     F-BAR蛋白诱导细胞膜弯曲

     在F-BAR蛋白改变膜曲率之前，有一个单体装配成二聚体的过程。

     首先，一个F-BAR蛋白单体通过与磷脂层的静电作用结合到膜上，它一端的α螺旋结构插入膜中。

     然后，另一个F-BAR单体通过中间的F-BAR结构域结合第一个单体，从而形成二聚体。此二聚体另一端的α螺旋结构也会插入膜中。

     最后，两端锚定好的二聚体F-BAR蛋白，随后会迅速诱导细胞膜弯曲，使其跟二聚体中间的BAR结构域紧密结合，以贴合二聚体的曲率。

    

     BAR蛋白使细胞膜弯曲的机制

     不同BAR蛋白可诱导出不同曲率的膜

     不同的BAR蛋白诱导细胞膜的弯曲程度不同。例如，下图左边的N-BAR蛋白诱导的曲率更大，细胞膜更弯；右边的N-BAR蛋白诱导的曲率较小，细胞膜相对更平坦。细胞膜想要产生不同的膜曲率，就需要不同“曲率”的BAR蛋白参与。

    

     两种N-BAR蛋白诱导细胞膜的曲率不同，左边(a和b)比右边(c和d)更弯

     不同BAR蛋白曲率的差异，源自于蛋白单体自身的角度。例如，F-BAR蛋白亚型Syndanin1是54度，FBP17亚型是27度，而FCHo2和CIP4亚型分别是37度和32度。

    

     F-BAR蛋白有多种角度不同的单体

     这些单体在细胞膜上装配成二聚体后，一个拱形的“桥”便会形成。拱形桥的弧度则由单体自身的角度决定。例如，下图中F-BAR蛋白的FCHo2亚型，因其单体曲折角度小，二聚体弧度也较小。而N-BAR蛋白的吞蛋白亚型，其单体曲折角度大，因此二聚体弧度也大。

    

     F-BAR蛋白二聚体结构

    

     N-BAR成员吞蛋白Endophilin的结构

     总结

     就像人类想要探索地球之外的宇宙一样，细胞内部的分子也想了解细胞膜以外的事情。人类可以建造卫星、宇宙飞船去外太空探索。细胞内的分子虽无此智慧，却也“不甘示弱”。细胞会通过内吞收集周身物质，也会伸出伪足主动去探索外界环境。

     而内吞和伪足，全依赖于BAR蛋白家族。BAR蛋白超家族的成员能够通过BAR结构域，结合不同弯曲程度的细胞膜，并改变其曲率，然后招募其他蛋白一起工作，最终实现细胞内吞或外突的探索功能。

     BAR蛋白超家族就像微观领域的麦哲伦和卫星，用自己渺小的身躯，去丈量无边无际的细胞膜，去探索细胞外的未知世界。

     (生物流系头条号签约作者)

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