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所谓的蛋白马达,实质上的纤维装配压

投稿时间:2017-03-19 11:36 投稿人:王孝恩 【字号: 访问量:

在细胞及亚细胞尺度的化学能向机械能转化的研究领域,盛行着一类名词,即所谓的蛋白马达,也称为分子马达(molecular motors)或马达蛋白。这些名词最早源于肌肉收缩模型

一、肌肉收缩学说中的所谓蛋白马达——肌球蛋白

在上世纪60年代末到70年代初期,肌肉收缩的滑行丝学说开始盛行。从显微照片上发现:在粗细丝之间有许多来自粗丝的类似横桥的伸出物。后来证明它们主要是肌球蛋白分子的头部和颈部。从那时起,该学说认为肌球蛋白是产生肌肉收缩动力的来源。因此,也将其称为马达蛋白。并且该学说试图将这一产力机理推广到平滑肌细胞,甚至包括单细胞的阿米巴运动、细胞的扁平足、线头足及前导边缘的伸出、胞质分裂等几乎所有的细胞运动。

然而,到了上世纪70年代后期,人们发现根本无需肌球蛋白的存在,只有肌动蛋白纤维的聚合和解聚就能产生推动力[1]。由此,肌球蛋白作为马达的学说领域又被缩回到了狭小的横纹肌范围。

对于横纹肌的收缩机理,自从滑行丝学说提出至今,一直争议不休。因为无论它怎样改进,都难以与肌细胞的兴奋性及膜电位的变化相联系,不能解释化学能向机械能的转化,对其相关的力学分析都是苍白无力的,其预言也不能与新的实验发现接轨。详细内容作者已经另文讨论,并且已经提出了肌肉收缩的“渗透压机理”(已投稿科学智慧火花栏目)。

二、与微管运动相关的所谓“动力蛋白”

在动物细胞的分裂过程中,从两个中心粒的复制、分开、到向极运动,从星形微管的成核、生长到纺锤体的形成,从姊妹染色体的向中运动、中板分离、到后期的向极运动,从后期的分裂沟出现、胞质分裂、到最后完全分裂为两个子细胞,所有这些过程,都离不开微管参与的、有机械力产生的过程。

受肌肉收缩之滑行丝学说的影响,“马达蛋白”概念也被引入,如动力蛋白,加端马达、减端马达等等,以研究细胞分裂过程中的机械力的产生。几十年来,研究者们一直把与有丝分裂纺锤体相关的微管运动及胞浆运输,看作是微管与各种马达蛋白相互作用的结果。尤其是他们以马达蛋白在微管上滑行时,测得的pN量级的迈步力,作为所谓的“实验证据”。作者后面将会说明,其实这都是纤维装配压水流沿微管表面,冲动这些蛋白颗粒滑行的结果。

但与肌肉收缩机理一样,这种微管与马达蛋白的相互作用对细胞分裂过程中的大多数实验事实都不能解释。

其实早在1981年,Hill, TL就已经说明[1],由微纤维或微管的装配或去装配就能产生力,尤其是肌动蛋白纤维,根本不用马达蛋白的参与就能产生力。

2002年,Thomas Duke 及Badoual et. al. 就从微管与马达蛋白的滑行实验分析中发现并指出[2],定向运动实际上是众多的马达蛋白的整个梯队的性质,不能减少到由单个的马达分子来描述。我们不仅要问,这众多的各自独立的蛋白颗粒,是谁给它们下命令,并统一指挥它们一起同时向一个方向用力呢?显然,这是一种定向水流的性质,而不是蛋白分子的驱动。

Mclntosh, JR, et. al. 在2010年证明[3],不用微管和蛋白颗粒的滑动,只有微管的解聚(去装配)就能产生推动纺锤体极运动的机械力。他们还发现,随着微管的解聚,粘附到着丝点处的微珠能被移动几个微米的距离。他们指出,在有丝分裂中,将微管的解聚(去装配)作为一种产生力的所谓马达,是一种多年来有充分的细节却无法证实的[3]。我们认为,为什么无法证实?因为所谓的“马达”根本就不存在。

三、纤维装配压产力机理

无论纤维或微管的装配还是去装配,都能产生机械力的最好的理论解释,就是作者在其它文章中已经提出的纤维装配压机理。其实肌动蛋白纤维及微管的聚合和或解聚,其实是一体的。另外,各种能沿纤维表面滑动的蛋白颗粒,当它们结合到纤维表面时,都能产生一种沿纤维的微流体动力。这种以消耗ATP(或GTP)的水解能为代价的,由化学能转化为机械能的纤维装配压机理,在包括植物界、动物界及所有生命的范畴内所有纤维的生长,都是适用的。细胞及亚细胞尺度上,生命的结构基础基本上有两种:一种是膜性的分室化,再一种就是线性大分子或球形单体聚合的纤维化。前者有利于生命对渗透压的运用,后者有利于生命对纤维装配压的微流体力学方面的需求。

关于与微管运动相关的所谓分子马达的产力机理,很可能是来自实验结果的一种误解。当这些所谓的马达蛋白,在微管的加端与微管加合(并不一定要聚合)时,产生的装配压微水流,冲涌驱动着这些蛋白,沿微管表面从加端向减端滑行。相关实验人员所测得的所谓分子马达产生的力,刚巧就是装配压水流冲涌这些蛋白沿微管滑行时的水流驱动力。

由于管蛋白单体的特性,它们装配成的微管也具有一定的极性。所以,不同的所谓马达蛋白,易从微管的某一端靠近,然后向特定的另一端滑行,也是可以理解的。另外,在有丝分裂的不同时期,依据微管是否已经被姊妹染色体的着丝点俘获,沿微管的微水流的方向也会改变。有关微管在细胞的有丝分裂过程中如何通过纤维装配压产生机械力的细节,作者已经另文讨论。

四、肌动蛋白聚合驱动的细胞运动

在迁移细胞的前导边缘、扁平足或线头足之内,肌动蛋白纤维都是以网状或束状存在。由于这些网状或束状结构具有很大的运动阻力,从前导边缘的加端流向核周区的纤维装配压水流动力主要用于胞浆环流的驱动。在前导边缘细胞从胞外吸收的物料在胞浆环流的运输下,沿肌动蛋白网束先被送至微管区,后被送至中心体附近,在中心体的加力下被扩散到核膜上。不能被核所吸收的物料或胞浆再从近质膜处循环回前导边缘。在胞浆环流和加端肌动蛋白纤维的聚合的共同作用下,前导边缘的细胞膜不断向外伸出。在这些细胞的后边,由于胞浆环流使那里的纤维解聚,细胞膜随胞浆流不断向胞内回缩,总体结果导致细胞的向前运动。

当一个迁移细胞的前导边缘、扁平足或线头足不能从胞外吸收细胞所需的物料,或遇到前进阻力时,胞浆环流减慢甚至发生倒流,而使这些地方的纤维从前导边缘开始解聚。结果使这些地方不但不能继续前进,而且会回撤。

五、肌动蛋白聚合驱动的负载运动

这类运动的特点是肌动蛋白纤维的聚合在负载的后边形成一种明显的慧星状的尾巴。最早发现的是李斯特(Listeria monocytogenes)等细菌在寄主细胞内或细胞与细胞之间的推进运动。后来的研究人员用人造囊泡或聚苯乙烯微球,在其表面涂上细菌表面蛋白,用以成核肌动蛋白纤维,形成慧尾。慧尾中肌动蛋白纤维的聚合能推动负载向前,甚至发生跳跃[4]。

这种负载运动与上面的细胞运动(以下简称细胞运动)的产力机理相同,都是纤维装配压,但产生的微流体推动力的作用方式不同。在细胞运动中,肌动蛋白纤维的成核配合物是吸附在肌动蛋白纤维的网束上,不是在质膜上,也就是说,虽然加端在近质膜处,但纤维不是从质膜上长出来的,对质膜产生的推动力是来自返回的胞浆环流;而在负载运动中,这些负载本身就是肌动蛋白纤维的成核体,。

在负载为成核体的情况下,慧尾的根部为成核和连接端,梢部为纤维的聚合端,或加端。也就是说,慧尾中的纤维最初都是从这些负载体的表面长出来的。即使有的纤维已经从负载表面上脱落,但是,只要它还与仍连接负载的那些纤维连接,它的自由端就仍能成为加端,产生纤维装配压。因为装配压产生的水流仍能通过连接的那些纤维流向负载表面。

参考文献

1. Hill, TL. (1981) Microfilament or microtubule assembly or disassembly against a force. PNAS. 78(9): 5613-5617.

2. Thomas Duke. (2002) Push or pull? Teams of motor proteins have it both ways. PNAS, Vol. 99 No.10 6521-6523.

3. Mclntosh, JR, et. al. (2010) Tubulin depolymerization may be an ancient biological motor. J Cell Sci. 123:3425-3434.

4. Cameron, L.A.et. al. (1999) Motility of ActA protein-coated microspheres driven by actin polymerization. PNAS.  96 (9): 4908-4913.