揭秘令人惊叹的细胞内质网结构：当生物学遇上几何学

　　自然是最伟大的建筑师。人类的建筑结构也经常模拟生命的结构，比如螺旋上升的多层车库，层叠而平行连接的楼层、上升的斜梯，可以说是复制了细胞中内质网膜的螺旋结构。

　　内质网（endoplasmic reticulum）是遍布于整个细胞内部的膜状网，连接并围绕着细胞核。最近，美国加利福尼亚大学圣巴巴拉分校（UCSB）一个研究小组，用理论物理学的语言描述了内质网的几何结构。研究结果发表在10月31日的《物理评论快报》上。

　　细胞中的“停车库”

　　大致上，内质网是由或多或少的、有规则的层状结构组成，层与层间隔均匀，彼此相连。这种结构也反映了它的功能：细胞内蛋白质合成的“工作场间”。以往人们以为，相邻的层与层之间是通过“虫洞”相连，也就是简单的管孔。

　　去年，科学家才发现这种“虫洞”其实是一种复杂的螺旋结构，并以它的发现命名为“寺崎坡道”（Terasaki ramps）。这些螺旋坡道互相连接，一层层上升。论文第一作者、墨西哥国立自治大学的杰冒·古温说，一开始人们对此很惊讶，因为以往从未在生物膜中看到过这种螺旋几何形状。

　　而且不同部分的内质网形状不同，除了类似停车库的平行层，还有管状网络和包围细胞核的球形界面。光滑的内质网膜由管装网构成，这些管装网是膜在“三岔口”的汇合处，这里也是合成脂质（或膜）的地方。新的脂质在光滑内质网中生产出来，在连接处不断积累，最终将连接的管子劈开。

　　在粗糙内质网中，平行面或堆叠层由寺崎螺旋坡道连接。在某些情况下，一条坡道是左手螺旋，则另一条是右手螺旋——停车库也是如此构造。“我们提出，堆叠层里的基本建筑构造不是单条螺旋坡道，而是类似‘停车库’的两条坡道，是一对双坡道，彼此形成镜像。”古温说，“这种结构体系能使能耗最小化，能与层状结构结合，而且还很稳定。”

　　在物理学中，把内质网各层连接起来的这些螺旋结构，称为“缺口”（defects）。 论文合著者、UCSB卡弗里理论物理学研究所副所长格莱格·哈博指出，这个词在物理学背景中并没有负面含义。“这表示一种特殊结构。内质网层的边缘是高度弯曲的，因为这些层要旋转、折弯，这样就形成了螺旋。”

　　弯曲形成了U形结构，就像半个管子。哈博和同事把微分几何原理应用到这种曲面膜上。“应用几何方法我们以特定的方式分离了管网的一部分，得到一个确切的面，”哈博解释说，“设想一下，每个U形边缘都有弯曲的倾向，当你设法把这些U形连在一起时，它们就弯了。这也是彩图所显示的。一个管子可以变成曲面，只要把它从边缘破开，它就可以在空间弯曲。”

　　利用形状研究功能

　　“根据寺崎坡道之间相互作用，我们推测了这种细胞器为何会形成如此特殊的形状。” 哈博说，“一位物理学家可能会说，膜长什么样子并非偶然，而是有原因的。更好地理解形状背后的物理原理，有助于思考其它未解之谜，包括形状与功能之间有什么关系，一旦生了病，出现功能障碍会怎样。”

　　附着在膜上的细胞器，如作为蛋白质合成“主站点”的核糖体，密集排列在内质网上，就像汽车密集停泊在车库里。“核糖体之间必须有一定的距离间隔，否则它们无法合成蛋白质。”哈博解释说，“所以，怎样才能在每单位空间聚集尽可能多的核糖体，而又不至于彼此撞在一起？看起来，细胞解决了这个难题，它把内质网折叠成一层一层的，层与层之间几乎平行，这样就能容纳更高密度的核糖体。”

　　哈博认为，这项理论成果有助于人们更深入了解细胞的内部形状。跨学科研究也提供了更丰富的语汇和多角度的思考。“我们推测，这种形状与它们的功能有关。事实上，内质网形状可以作为某些疾病中功能异常的指标。”