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眇观世界中的纤维装配压模型与细胞运动

投稿时间:2017-04-05 18:27 投稿人:王孝恩 【字号: 访问量:

介观医学(Mesoscopic),或介观物理学,是指在1~100纳米的尺度上的医学或物理学。在物理学上也曾有人提出过“宏观小,微观大”的概念。这个尺度也称为纳米尺度,在这个尺度上的材料具有既不同于微观,也不同于宏观物质的特殊性质。因此,它对于材料科学的研究是一种很适合的尺度界定。但对于生命科学在细胞及亚细胞尺度上的研究,就显得小了两个数量级。

在细胞及亚细胞水平,也就是在纳米到十微米的尺度上,蕴涵了生命奥秘的绝大部分。因此,作者建议,将小于纳米尺度的研究归于微观,将大于十微米尺度的研究归于宏观,而将这两者之间尺度的研究归于眇观。或者将眇观尺度专门用于生命科学的研究,而将纳米尺度专门用于非生命科学,特别是材料科学领域的研究。纵观近代对生命科学及材料科学的绝大多数研究,都属于眇观范围。

在眇观世界,与肌动蛋白纤维相关的产力方式可大致分为四种:肌纤维收缩、胞质分裂、细胞运动及负载运动。前三种都属于生命的范畴,对于肌纤维的收缩,作者已经提出了一种渗透压机理[1]。最后一种负载运动则属于生命与非生命的过渡类型,它为我们理解生命体中的力/能转换建起了一座桥梁,作者将另文专门讨论。本文着重分析肌动蛋白聚合驱动的细胞运动的产力方式和机理。我们提出的纤维装配压机理不同于现行的布朗棘轮(Brownian ratchet)模型(以下简称为BR)。

1993年,正当人们面对无需蛋白马达,仅由肌动蛋白的聚合就能产生推动力的新的困惑时,Peskin, C. S., Odell, G. M.Oster, G. F. 提出了布朗刺轮模型[2],用防倒转的棘轮来描述在眇观尺度上由纤维的聚合和解聚而产生机械力的踏车机理。

BR是以细胞运动为基础建立的,其热力学分析是正确的,但其动力学上假设的思路不清。我把BR的动力学假设形象化为垫砖模式[3]。也就是聚合的肌动蛋白纤维的头不断地生长,直接推动细胞膜向外伸出。

我们的纤维装配压模型在动力学上的形像化则不是垫砖机理。我们认为,在描述细胞运动的例子中,肌动蛋白纤维的装配也发生在近质膜处,这一点与BR是相同的。不过,由纤维装配产生的装配压水流是从近质膜处的加端汇入,沿网络中的纤维表面流向近核处的另一端,形成胞浆环流。通过胞浆环流,在质膜向外伸出的地方,把从胞外吸收的营养物质带到近核区。同时胞浆环流与增长的纤维一起推动质膜向外伸出。由于横连且交织在一起的肌动蛋白纤维网络的巨大运动阻力,纤维装配压水流仅能使这一网络产生缓慢的向核位移,这一位移在实验上早已被观察到。这种内部的胞浆环流与外部观察到的细胞的趋化性运动是一致的。

对于细胞的趋化性运动,通常也可理解为趋营养性运动。当胞外某一方向上的溶液中,例如糖类、脂类等有机营养物质的浓度更大一些时,由质膜外侧的脂质基团或膜蛋白基团的面分布形成了疏水性起伏,这种疏水性吸引胞外液中的营养物质靠近细胞,然后被质膜吸纳。当这些物质跨膜入胞后,首先引起细胞皮层的局部渗透浓度增大,诱导周围的胞浆向此处汇聚,相伴而至的肌动蛋白单体就会聚合到纤维的加端。纤维的聚合产生装配压水流,经纤维表面流至减端的并促进减端纤维的去装配,纤维单体的离解增大了减端的渗透浓度,又吸引了来自加端的水流,从而起动胞浆环流。离解下来的单体随胞浆环流又回到加端。同时将吸收的营养物质从加端输送到细胞的近核区,并有可能经过微管及中心体复合物的周转,然后扩散到更大面积的核包被区域,供核内或核周区吸收,用作生化反应的原料。

在胞外营养物质的浓度降到低于其它方向时,在此方向上发生的跨膜吸收趋于停止,纤维装配的活跃区及胞浆流的驱动区将转移到其它方向。若原来的膜性伸出是线头足或小的扁平足,此时,其内部的局部胞浆流则有可能发生倒流,倒流的水流使原来的加端变成减端,肌动蛋白纤维由此处去装配变短,则显微镜下观察到的就是膜性伸出的退缩和消失。

虽然像线头足、小的扁平足等,比较容易随外部环境的化学梯度而改变方向,但由横连胶织的肌动蛋白纤维网络,和微管阵列等纤维组织构成的细胞骨架,建立了细胞的极性和定向性,这种极性和定向性的改变比较慢,需时较长。如果此后,在此方向上又有利于细胞营养吸收的化学梯度出现,新的线头足或小的扁平足就会更容易地重建。因此细胞的趋化性有类似于记忆的特点。2016Harrison V. Prentice-Mott[4]的实验已经证明了这种记忆的存在。

再以阿米巴虫的运动为例,它是一种比较原始的单细胞动物。当在它的前边的胞外环境中出现有利的营养物质的化学梯度时,它就会和上面我们分析的那样,前导边缘就会向前伸出。肌动蛋白的装配就有可能透过腹部的某些部位与基质连接,有少量的胞浆环流和装配压水流在这些部位与基质间流通。结果,蛋白质在这些位点的装配建立起伪足。从前边吸收的营养物质通过胞浆流运输到近核区,经细胞核或近核区的吸收之后,变成了更稀的胞浆而扩散到细胞内的最后部。稀的胞浆使细胞后部的细胞骨架纤维和后部伪足溶解,在整个胞浆环流的带动下,细胞后部的质膜回缩。整个过程在显微镜下看到的,就是阿米巴虫的向前运动。这种运动完全是在纤维装配压水流驱动下的胞浆环流下运作的,完全可以不考虑马达蛋白的驱动作用[5]

纤维装配压机理还可以解释肌动蛋白聚合驱动的其它负载运动,也可解释细胞分裂中所涉及的几乎所有的产生机械力的过程。对于这众多的细节,将另外专笔讨论。20170405

参考文献

1. 王孝恩 生物电与肌肉收缩的渗透压机理,中科院科学智慧火花:2017年2月22日

2. Peskin, CS., Odell, GM. and Oster, GF. (1993) Cellular motions and thermal fluctuations: the Brownian ratchet. Biophys J. 1993 Jul; 65(1):316-324.

3. 王孝恩 纤维装配压模型的热力学及动力学基础,中科院科学智慧火花

4. Harrision V. Prentice-Mott, et. al., (2016) Directional memory arises from long-lived cytoskeletal asymmetries in polarized chemotactic cells. PNAS. vol. 113 no. 5 1267-1272.

5. 王孝恩 所谓的蛋白马达,实质上的纤维装配压. 中科院科学智慧火花:2017-3-19.