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确实驱动蛋白和肌球蛋白看起来很像典型的趋同进化产物,也就是说,两个本来毫无关联的蛋白质因为负责类似的工作,结果慢慢特化发展出类似的结构。
就好像蝙蝠和鸟,也是为了适应飞行,各自独立发展出翅膀。
后来,X射线晶体学解开了两个蛋白质的三维立体结构。
基因序列告诉我们的是二维的线性字母序列,如同歌词但是没有音乐。
晶体学给我们展示的是蛋白质的三维空间结构,就好像完整的歌剧。
德国音乐大师瓦格纳曾说过:(歌剧的)音乐应当去配合歌词的要求,而不应让歌词来将就音乐。
但是现在不会有人因为那些日耳曼式歌词而记得瓦格纳,流传下来的反而是他的音乐,启发了后代的音乐家。
同样,基因序列就是大自然的文字,而真正的蛋白质音乐却藏在它的形状之中。
是蛋白质的形状通过自然进化的考验,才能存活下来。
自然进化才不管基因序列,自然进化在乎的是功能。
虽然说基因决定功能,但是功能却必须用一套我们还不清楚的蛋白质折叠规则,把蛋白质折出特定形状才能执行。
因此,很多基因有可能因为分异太久太远,以至于在序列上完全没有相似性,这就是肌球蛋白和驱动蛋白。
但是藏在蛋白质深处的音乐还在,有待晶体学来揭露。
根据晶体学,我们现在知道肌球蛋白与驱动蛋白,尽管基因序列差异甚大,但确实来自共同祖先。
从它们的三维结构来看,许多蛋白质折叠法与结构都相同,许多关键点的氨基酸也都被保存下来,在空间上朝向同一个方向。
这是进化的不可思议之处,经过好几十亿年,尽管蛋白质的成分甚至是基因序列都被时光改得面目全非,但是相同的模式、相同的形状、占据相同的空间——这一切细节却从原子等级上被保留下来。
这些形状上的相似性清楚地指出,肌球蛋白和驱动蛋白是来自细菌祖先里的一个蛋白质大家族[8]。
这些祖先确实也从事某种和运动或力量有关的工作(它们今天还是做同样的工作),比如说从一个构型转换成另一个构型,但是没有一个细菌蛋白质有移动能力。
X射线晶体学让我们看清蛋白质骨架,如同X射线让我们看清鸟类的翅膀结构一样。
就像翅膀祖先的骨骼与关节结构清楚地指出它们来自没有飞行能力的爬行类前肢,马达蛋白的结构也清楚地显示它们来自可以变化形状,但还没有移动能力的蛋白质祖先。
晶体学研究也告诉我们细胞骨架进化有趣的一面。
这些由肌动蛋白和微管蛋白所组成、高悬于四处的缆线十分让人费解。
你一定想问,为什么细胞会想要进化出这些高架缆线或马达蛋白的快速道路?一开始还没有这些蛋白质汽车呀,这岂不本末倒置?其实不然,因为细胞骨架本身自有用处。
它们的价值来自它们的形状。
所有真核细胞的形状,从细长的神经细胞到扁平的内皮细胞,都靠这些细胞骨架微丝来维持。
而后来我们发现细菌也差不多。
长久以来生物学家都认为细菌的各种形状(杆菌、螺旋菌、弧菌等),是因为它们有坚硬的细胞壁。
因此后来在20世纪90年代中发现细菌也有细胞骨架时,着实让大家吃了一惊。
这些骨架由类似肌动蛋白与微管蛋白的细纤维构成,可以帮助细菌维持各种精巧的形状。
(如果让这些细胞骨架突变的话,原本形状复杂的细菌就会成为最简单的球状。
)
就像刚刚提过的马达蛋白一样,细菌与真核细胞的骨架蛋白在基因上也很少有相似处。
不过在世纪交替之际,科学家利用晶体学,解出细菌骨架的三维立体结构,结果比马达蛋白的更让人吃惊。
细菌与真核细胞的骨架蛋白质,在结构上可以完全重叠,它们有一样的形状,占据相等的空间,在少数关键位置上的关键氨基酸完全相同。
很明显,真核细胞的骨架来自细菌的同类蛋白质,形状与功能都被保存下来。
两者如今在维持细胞形状上都十分重要,而且功能的相似不止于此。
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