细胞的“快递员”

晓阳

在电子商务高度发达的今天，快递员穿梭于大街小巷，为人们把包裹快递到家。在我们身体内，也有不少“快递员”在忙忙碌碌地输送着各种物质，有的是营养物，有的是垃圾，有的甚至是毒素。其中有一类“快递员”专门帮助细胞运输物质，这个“快递员”的名字叫囊泡。囊泡究竟怎样运输物质呢？美国和德国的三位科学家对此进行了深入研究，并因此获得了2013年诺贝尔生理学或医学奖。这三位科学家分别是美国生物学家詹姆斯·罗斯曼、兰迪·谢克曼和德国生物化学家托马斯·祖德霍夫。

人体里的“快递员”

生物体内的细胞像一个个小小的工厂，它们不但会吸收各种营养物质，也会生成人体所需的有益化学物质或一些废弃物。血液就像人体内的长途运输公司，可把细胞产生的一些物质运输到全身各处。然而，这些物质不能直接从细胞内到达血液中，它们得靠囊泡这个“快递员”来帮忙运送。这些小小的囊泡可以随意地和细胞膜融合或分离，因此，也可以说囊泡是某些物质进出细胞的“钥匙”。

囊泡具有真核细胞中十分常见的膜泡结构，是细胞内膜系统不可或缺的重要功能结构组分。

囊泡运输的物质包括胰岛素、激素、生物酶、神经递质等重要的生物大分子。假如囊泡运输系统发生病变，细胞运输机制随即不能正常运转，可能导致神经系统病变、糖尿病以及免疫紊乱等严重后果。

揭秘囊泡接力跑

长期以来，囊泡一直被视为细胞运输系统的关键部分，但囊泡如何工作一直很神秘。三位获奖者，正是发现了这些囊泡运输物质的关键秘密：它们会把物质在正确的时间传递到正确的地点。

谢克曼发现了囊泡的基因秘密。

谢克曼发现能控制细胞传输系统不同方面的三类基因，从基因层面上为了解细胞中囊泡运输的严格管理机制提供了新线索。他用酵母作为模型系统，研究其遗传基础。结果，他发现，某些基因的变化会导致囊泡堆积在细胞的特定部位，造成拥堵现象。通过逐步定位这些基因，他发现了三类调节囊泡运输的基因。谢克曼的研究极大促进了现代生物、制药工业的发展。如今，全球的糖尿病患者都使用酵母生产的胰岛素，世界上绝大部分乙肝疫苗也是通过酵母分泌的。

罗斯曼发现了囊泡与细胞膜结合原理的秘密。

在20世纪70年代，当罗斯曼开始研究细胞运输体系时，他决定创造一个无细胞系统，把这个运输体系中的各个环节在实验室中重现。当时很多科学家觉得根本不可能在细胞外将这些环节独立出来。但是罗斯曼做到了，而且有了许多惊人的发现。

他发现，一种蛋白复合物能使囊泡与目标膜进行对接、融合。在融合过程中，囊泡和目标膜上的蛋白以拉链的方式相结合。

两位美国科学家的研究揭示了囊泡和细胞膜的融合的基本机制，但囊泡融合如何被精确地控制，这个问题的揭秘者是祖德霍夫。

祖德霍夫发现了囊泡“投递”物质的秘密。

20世纪90年代，祖德霍夫对大脑内神经细胞是如何相互进行沟通的很感兴趣。传递信息的物质被称为神经递质，这种特殊分子正是由囊泡负责运输至神经细胞的细胞膜上，并能在准确的时机获得释放的。科学家们此前便已经知道钙离子参与了这一过程，后来祖德霍夫在神经细胞中找到对钙离子敏感的蛋白质。他还揭示了这种蛋白质的作用原理：它会对注入的钙离子做出反应，并控制邻近的蛋白质迅速让囊泡与神经细胞的外部细胞膜相结合，然后迅速释放信号物质。

研究囊泡有啥用

然而，就像现实中的快递员一样，囊泡也会因为种种原因出错，有的“罢工”不运输物质，有的运输能力减弱，有的会运错物质。这些紊乱的囊泡会让人们生病。

三位科学家的研究可让人们准确清楚地认识相关疾病的发病机理，并为寻找治疗靶点提供了理论支持，从而使人类更好地战胜疾病成为可能。举例来说，细胞的囊泡运输调控机制更好地解释了脑内病变的源头——脑神经元细胞囊泡基因突变，而重建系统，修复再生，最终达到脑内环境微平衡是帕金森病治疗的关键。

在生物工程方面，研究囊泡最重要的应用之一是模拟生物膜。生物膜的主体是由磷脂和蛋白质定向排列组成的封闭双分子层结构。生物膜在生物活体中起着很重要的作用，具有离子迁移、免疫识别等功能。对囊泡的研究可加深人们对生物膜的认识，也为人们的仿生研究提供了一条新的途径。

囊泡还有—个重要应用是作为药物的载体。与其他微结构相比，囊泡具有奇特的结构，即存在亲水微区和疏水微区，这使得囊泡具有同时运载水溶药物和水不溶药物的能力。同时，囊泡具有双层膜结构，与生物膜有很好的兼容性，是理想的体内药物的载体。由于分子进出囊泡需要较长的时间，近年来，人们研究用囊泡作为缓释剂，能更好地发挥药效。

这些年来，随着纳米技术的发展，人们也将囊泡用作模板来制备纳米材料。另外，囊泡在化妆品工业以及食品工业也有一定的应用。