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如何把信号传入到细胞里

发布时间:2019-06-08 09:48:19 编辑:笔名
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科学研究越来越深入、精细,也越来越让一般人难以理解。特别是生物化学方面的研究,由于不可避免地要用到非常专业的术语,更让外行如看天书。比如今年诺贝尔化学奖授予两位美国科学家罗伯特·莱夫科维茨和布莱恩·克比尔卡,他们是因为“G蛋白偶联受体研究”而获奖的。这就让一般人看得一头雾水,什么是“G蛋白偶联受体”?它有什么用?为什么研究它能够获诺贝尔奖?

这要从一般人都熟悉的肾上腺素讲起。肾上腺素是波兰生理学家赛布尔斯基在1895年发现的,已有一百余年的历史,它虽然也是一个专业术语,却已进入了日常词汇,连文人写文章形容一个人高度紧张时都会用到“肾上腺素开始大量分泌”之类的说法。肾上腺素的大量分泌会让身体出现应激反应,例如心跳加速、血管收缩。当肾上腺素刚刚被发现的时候,生理学家马上想到的是,它是通过刺激神经系统来起作用的。为了证明这一点,他们做了一个实验,把动物的神经系统破坏掉,然后注射进肾上腺素。结果发现,实验动物仍然出现了应激反应。这就证明了肾上腺素并不是通过刺激神经系统起作用的,而是直接刺激心脏、血管等部位的细胞,让细胞内部发生了变化。

但是这面临着一个问题。细胞由细胞膜包裹着,和外界隔离开。肾上腺素随着血液流到了它要影响的细胞,怎么让细胞知道它的存在呢?人们推测,在细胞表面上分布着一些特殊的蛋白质,它们能够跟肾上腺素结合在一起。一旦肾上腺素和这些蛋白质结合了,就相当于把信号传给了细胞。这些蛋白质叫做受体,和它们结合的肾上腺素就叫做配体。

受体是蛋白质,小得用普通显微镜看不到。那么怎么证明它的存在呢?一种办法是使用和肾上腺素类似的药物,看看它们对不同的器官产生什么样的影响。首先想到这一点的是美国药理学家阿尔奎斯特。他在上个世纪40年代试验了包括肾上腺素在内的6种有和肾上腺素一样的作用的药物,按它们的作用强弱进行排序。他发现,这6种药物对不同的器官的作用强弱存在差异。例如,在刺激血管收缩方面,肾上腺素的作用是强的,但是在刺激心跳加速方面,肾上腺素是第二强的。阿尔奎斯特因此推测,血管壁细胞上的肾上腺素受体和心肌细胞上的肾上腺素受体不一样,肾上腺素受体至少有两类,他分别把它们叫做阿尔法肾上腺素受体和贝塔肾上腺素受体。后来人们用类似的方法发现肾上腺素受体有9种。

阿尔奎斯特的实验很巧妙,但是只是很间接的证据,连阿尔奎斯特本人也无法肯定“受体”只是理论上的推测还是真实存在的。更直接的证据是莱夫科维茨发现的。在上个世纪60年代,莱夫科维茨用放射性碘标记肾上腺素和类似的激素,这样就可以追踪它们跑到了哪里,结果发现它们的确跑到细胞表面上了,在细胞膜上检测到了放射性碘。换句话说,在细胞膜上的确有能和肾上腺素相结合的受体。到了80年代,肾上腺素受体的存在更无可置疑了,因为编码这些受体的基因被克比尔卡克隆出来了。从基因的序列我们可以推知它编码的蛋白质的序列,进而推知该蛋白质的结构。结果很出乎意料,肾上腺素受体是一条长长的蛋白质,分成7个部分。也就是说,肾上腺素受体并不是都在细胞表面上,它露在细胞表面上用来和肾上腺素结合的只是一个头,它的身体打了7个折,跨越了细胞膜7次,尾巴呢则是在细胞内。

肾上腺素受体的尾巴和一种特殊的蛋白质结合在一起。这种蛋白质分为三个部分,分别叫做阿尔法、贝塔和伽玛亚基,其中阿尔法亚基和一种核苷酸结合在一起,这种核苷酸叫二磷酸鸟苷,二磷酸鸟苷的英文缩写和国内官员天天挂在嘴上的东西一样——GDP,所以这种蛋白质就被叫做G蛋白,而肾上腺素受体就被称为G蛋白偶联受体。

肾上腺素和肾上腺素受体的头部结合,让受体的形状发生了变化,这个变化在细胞膜里来回折腾了7次,传到了受体的尾巴,跟受体尾巴结合在一起的G蛋白的形状也发生了变化。由于形状的改变,G蛋白阿尔法亚基上的GDP掉了,改由三磷酸鸟苷(GTP)结合上去。阿尔法亚基一与GTP结合,形状发生更大的变化,没法和其他亚基结合在一起,掉了下来,由此引发了一系列的代谢反应。G蛋白阿尔法亚基实际上是一种GTP酶,它渐渐地把GTP变成了GDP,然后又能去跟G蛋白的其他亚基结合组成完整的G蛋白,G蛋白又去跟肾上腺素受体的尾巴结合,然后阿尔法亚基上的GDP又掉了……如此周而复始,在肾上腺素终从受体脱落之前,一个受体能激活数以百计的G蛋白质。

并不只是肾上腺素受体是G蛋白偶联受体,还有别的激素的受体、神经递质的受体、视膜里的光受体、舌头上的味觉受体、鼻腔里头的嗅觉受体等等,也都是G蛋白偶联受体,这类受体多达几百种。所以这是一个普遍的现象,自然而然地成了许多药物作用的靶点,现有的化学药(即所谓“西药”)大约有一半与G蛋白偶联受体有关,例如治疗高血压的药物、抗过敏的药物。对G蛋白偶联受体的研究不仅有助于我们了解这类药物的作用机理,而且有助于设计出新的药物。它们对我们的身体健康的影响是如此巨大,它的研究成果获得诺贝尔奖实至名归,虽然授予生理学或医学奖也许更为恰当(对G蛋白的研究在1994年获得了诺贝尔生理学或医学奖)。

2012.10.24.

(《新华每日电讯》2012.10.26.)

(文化责编:小飛侠客行)

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