细胞运动的基础

细胞运动的基础

一、细胞内部的运动细胞是生物的基本结构和功能单位。从一株小草到参天大树,从肉眼看不见的微生物到我们有智慧的人,都是由细胞构成的。如果把一个生物体比作一座高大的建筑,细胞很像这座高大建筑的砖块,但砖块是无生命的,它们是无法与细胞比拟的。要了解生命,就要研究细胞的活动;而细胞活动的一个重要方面是细胞内部的运动。因此,研究细胞运动及其与其它生命过程的关系具有重要的科学意义。细胞运动是生物体最基本的生命现象之一。在活细胞内部,处处有运动,时时有运动。像膜蛋白在膜中的运动,物质的跨膜运输、细胞器在细胞内的运动、细胞胞浆的转运、细胞的有丝分裂等等,都是和细胞生命活动有密切关系的重要的生物学过程。这些运动多数属于细胞内部物质的输运过程。从狭义的运动来说,细胞内部的运动主要是指物质输运过程,具体来说是指在显微镜下可以观察到的有形结构的位移过程。我们认为,应该广义地解释细胞内部的运动,即包括下面三个方面:细胞内部的物质输运、能量转换和信息传递。因为近些年的研究进展表明,这些过程都与运动密切相关,包括显微镜下能观察到的细胞器水平上的运动和肉眼观察不到的分子水平上的运动。本文中,我们将以细胞运动为主线,从物质输运、能量转换和信息传递三个方面,选择几个问题进行讨论。在物质输运方面,重点讨论活细胞内细胞器的运动;在能量转换方面,重点讨论ATP的合成与水解;在信息传递方面,重点讨论细胞内部的通讯。此外还要对细胞膜结构模型、有丝分裂中染色体的运动模型给予详细讨论,最后简述细胞生长与细胞凋亡。二、细胞内部的结构和信息传递我们先考察活细胞内部的一般情况,包括细胞的组成和结构,这样才能够进一步了解细胞内部的各种活动。细胞是一个非常复杂的体系。细胞中有各种各样的细胞器,像细胞核、质膜、线粒体、粗面内质网、光滑内质网、高尔基体、细胞骨架、溶酶体等。这些细胞器各有自己的结构特征,分别执行不同的功能,但它们都处于连续的胞浆之中,它们之间存在着结构和功能上的密切联系。上面提到的细胞内部这些结构,是对一般细胞而言的。在一个生命体中,尽管所有细胞都来自同一个受精卵细胞(就有性生殖来说),但由于功能的需要,它们的分化方向不同。细胞的高度分化使细胞的功能分工更细致,这和各兵种协同作战更有效是一个道理。因此,除了细胞形状有各种各样的差异外,各种细胞内部结构也是有区别的。比如能进行光合作用的植物细胞,内部含有大量的叶绿体。这些叶绿体可以运动,它们根据光的强度不断调整自己的位置。当阳光太弱时,它们就充分散开排列,以接受更多的阳光,来提高光合效率;当阳光太强时,它们怕受灼伤,就会纵向排列,尽可能避开阳光的直射。在各种细胞器中,细说起来细胞核最重要,因为细胞核含有遗传物质,它相当于一个兵营的指挥部,控制着细胞所有的生命活动。但是,也有无细胞核的活细胞。比如人的红细胞就没有细胞核。红细胞的作用是将我们吸进的氧气输送到各种组织,然后又把二氧化碳送到肺部以便呼出。植物细胞也有无核的,比如筛管细胞,是负责植物体内有机物质长距离运输的,完成运输任务需要的是长而空的管道结构。植物细胞还有一个非常特殊的结构,就是细胞壁,每个细胞都在细胞壁的包裹当中。这是否意味着植物细胞之间就没有联系、离开细胞核就不能存活了呢?不是的。植物细胞之间虽然由细胞壁隔开,但相互是有联系的,靠着胞间连丝,使物质、能量、信息得以传递。比如,植物体内含有叶绿体的细胞通过光合作用,将空气中的二氧化碳和由根吸收的水还原成糖。这些糖必须及时送走,“光合工厂”才能出更多的产品。糖的输运任务就是由筛管细胞完成的。筛管细胞中虽然没有细胞核,但仍是活细胞,它们含有丰富的蛋白质和有活性的酶类。筛管细胞内部这些大分子物质大多是通过胞间联丝从附近细胞获得的。有一种细胞被称为伴胞,就存在于筛管的旁边,它们的细胞核很大,胞质浓厚,生命活动旺盛,可以随时合成、供应筛管所需要的物质。植物筛管细胞运输糖时,对糖的装、卸,是通过膜上的运载蛋白实现的,这些过程已被公认属于主动的。但是沿筛管的长距离运输机制,目前国际上仍用半个多世纪以前提出的“压流学说”来解释,认为是由筛管两端渗透压差引起的被动过程。其实,现在人们在研究中发现,有许多现象无法用这个理论解释:筛管中有丰富的丝状结构,富含ATP(腺苷三磷酸)高能物质,有ATP酶类,筛孔常被蛋白丝堵塞等。我们最近在实验中发现,筛管中有一种马达蛋白(动蛋白),主要定位于筛板上。这种马达蛋白是一类能将ATP的化学能转变为机械能的大分子,已被证明在动物细胞中参与主动运输。植物筛管中马达蛋白的存在,间接的表明糖的长距离运输可能是一个主动的生命过程。是否确实如此,尚需进一步的研究。总之,细胞内部结构是有序和复杂的。不同细胞之间既有共同的结构,又有其特殊性;细胞结构与功能是统一的;细胞内部结构是动态的,细胞之间是有联系的。三、膜上的蛋白质细胞膜是细胞内部和周围环境的边界。它不但是细胞的结构基础之一,而且也是细胞和周围环境进行物质输运、能量交换和信息传递的必经之路。除细胞表面的质膜外,细胞内部还有丰富的内膜系统,像细胞核的核膜,线粒体、内质网、叶绿体等各种膜类细胞器,表面都被膜包围着。细胞质膜和内膜系统统称为生物膜。生物膜的基本化学构成是一样的,以脂类(主要是磷脂)和蛋白质为主,还含有少量糖、无机盐和微量的水。它们的结构也基本相同,由磷脂分子尾对尾形成脂双层,构成生物膜的连续相;有许多蛋白质镶嵌在上面。细胞内不同部位的生物膜功能有区别,主要体现在膜上蛋白质种类的区别上。糖以共价键与膜上脂类或蛋白质连接,与信号识别有关。生物膜有流动性。无论磷脂分子还是蛋白质分子,它们在膜中的位置不是固定不变,而是不断运动的。磷脂分子可以侧向随机移动,也可以沿垂直于膜平面的轴发生转动,有时还能翻转。构成生物膜脂双层的脂类分子是“双亲性”分子,它们的“头”是“亲水性”的,“尾部”是“疏水性”的。在排列时,分子“尾”对“尾”排成两层,即“尾部”在中间,“头”伸在两侧。脂双层这种结构在能量上是稳定的。在这种结构中,脂类分子的侧向运动和旋转更容易一些,作翻转运动时因必须经过脂双层的疏水区,所以运动速度要慢得多。膜上蛋白质也有类似的情况。蛋白质在脂双层膜上的分布是有规律的。有的在生物膜外表面,有的在膜的内表面,有的嵌在膜的里面。它们在脂双层的“海洋”中像小船一样侧向移动,也可以围绕与膜平面相垂直的轴进行旋转运动,但是它们不能像潜水艇一样上下移动,更不能翻转。这是由蛋白质的结构特点决定的。生物膜是构成细胞、细胞器与周围环境的界限,像是“围墙”,而且它们有利于细胞执行各种功能。生物膜的功能,首先是它的分隔与屏障作用。在一个生物体中,不同细胞执行不同的功能,在同一细胞中,不同细胞器执行不同功能。有了质膜,细胞内外的成分不能随意通过;有了内膜系统,各种细胞器才能存在。虽然生物膜起着分隔和屏障作用,但它们是半透膜性质的,可以选择透过膜的物质的成分,这是生物膜一个很奇特的功能。这种功能是由生物膜上的蛋白质完成的。每种蛋白质有自己独特的结构和作用,有的专门运输小分子,有的专门运输大分子,有的专门运输水,还有的专门起识别和传递信号作用。起识别作用的大多是糖蛋白,连在膜蛋白分子上的寡糖,像天线一样伸在细胞膜的外面,接受细胞外面的各种信号,再传递到细胞内部。这是一个信号传导问题,很有趣,也很复杂。细胞膜是活细胞最重要的结构成分之一。关于细胞膜的结构,前人曾经提出过许多模型来描述,有:单位膜模型、流动镶嵌模型、液晶模型、以及最近提出的功能平台模型等等。目前人们普遍接受的模型是流动镶嵌模型。已经知道,细胞膜具有脂双层结构,它的表现类似于两维溶液,有流动性;细胞膜中的膜蛋白处于黏性脂双层中,像是镶嵌在这两维溶液之中,它们可以侧向扩散。这就是流动镶嵌的概念。包括流动镶嵌模型在内的这些模型能够描述细胞膜不同方面的特性,但是它们都有一个不足之处,就是没有充分考虑细胞膜骨架对细胞膜结构和功能的作用。膜骨架是一种很重要的成分。膜骨架最早是在哺乳动物的红细胞中观察到的。在电镜下可以清楚地看出,在红细胞质膜的脂双层下面,即细胞膜的细胞质一侧,有靠着脂双层的纤维网络。它们是多种蛋白质组成的网络状结构,称为膜骨架。除电镜观测外,最近用单粒子径迹法研究膜蛋白在细胞膜中的局域扩散的实验,也证实细胞内膜骨架的存在。人们在实验中观测到,膜骨架结构对膜蛋白在细胞膜中的自由扩散形成障碍。这说明在细胞膜的结构和功能方面,脂双层和膜骨架形成一个整体。这些关于膜骨架的新的实验事实,促使我们重新考察现有的各种细胞膜模型,提出了一个把流动镶嵌特性和膜骨架网架特性统一起来的新的细胞膜模型,称为网架支撑流动膜模型。网架支撑说的是,由膜骨架组成的纤维网架,为镶嵌有膜蛋白的两维溶液提供支撑,并且两者结合成整体。这样,流动镶嵌特性就可以和网架支撑特性统一起来。网架支撑流动膜模型保持着原来流动镶嵌模型的主要特点,它的新特点是把流动镶嵌模型的概念和膜骨架网架的概念统一起来了。在这个模型中,脂双层和膜骨架网架是细胞膜的不可分割的部分,它们偶联在一起,形成了整体结构。具体地说,在这个模型中,细胞膜结构的图像是这样的:细胞膜是一个近乎于两维的生物学结构,它由两个部分组成,一部分是由膜蛋白镶嵌组织的脂双层,另一部分是膜骨架的网架。细胞膜的膜骨架形成网架状的衬底,它的厚度数量级为10nm(纳米),它位于厚度数量级也大约是10nm的脂双层流动膜下面,联系着并且支撑这流动膜。网架由直径为5nm、长度约为30nm的纤维组成,网架每一交叉点处的纤维数目是3至4根。这是根据红细胞的细胞膜的实验结果估计的。预期其它细胞的膜骨架结构可能与它类似。总之,这个模型认为膜骨架和流动镶嵌构成统一的细胞膜。这种结构不仅存在于红细胞中,而且在所有细胞中都存在。按照这个模型,膜骨架的网架是一种柔性结构,并且和脂双层及其它膜蛋白之间有动态的偶联。这种复杂的结构可能会决定细胞膜整体的形状和功能。膜骨架能使脂双层保持稳定,并且为细胞膜提供力学强度。看来细胞的形状主要决定于这种网架的力学性质,而网架的柔性使得细胞的形状易于改变。最近有些实验用激光光镊研究了细胞质膜中受体分子的运动,确定了细胞质膜分区边界的力学性质。这些结构可以用膜骨架网架中纤维的复杂组织来解释。此外,为了实现小泡转运,在胞吞和胞吐过程中,网架必须去组装,然后重新再组装,所以在这个模型中,膜骨架网架的结构是动态的,它们可以去组装和再组装。这个模型具有许多有生物学意义的特性,但是它是否符合实际,还有待进一步的实验检验。例如可以在不同实验条件下测量细胞膜的特性,如用不同的药物改变脂双层和膜骨架网架之间的偶联,来对网架支撑流动膜的概念进行检验。四、细胞骨架与马达蛋白下面我们讨论细胞骨架和分子马达。在所有真核细胞内,都存在由蛋白质纤维构成的细胞骨架,这是一个三维网架,其中纤维纵横交错,但杂而不乱,这个网架的存在制约着细胞器在细胞内的分布。当然,细胞骨架的作用还远不只这些。在谈细胞骨架作用之前,我们先对细胞骨架组成和结构特点进行讨论。已经知道,从大的方面来说,细胞骨架是由三个系统组成的:即微丝系统、微管系统和中间纤维系统。这三个系统首先在表观上是不同的。微丝比较细,直径为5-7nm;微管比较粗,直径25nm;中间纤维介于二者之间,直径为10nm。它们分别由不同种类的蛋白质排列而成。这三个系统在细胞中形成三维网络,对支撑细胞结构起着重要作用。如果用某一种试剂特异地破坏掉这个三维网络,细胞质就会失去正常的结构。有趣的是,细胞骨架不仅与细胞结构有关,还与细胞运动和物质运输有关。变形虫可以变形,精细胞可以泳动,神经递质在神经细胞中被运输,这些过程都离不开细胞骨架。具体来讲,细胞的运动和物质运输是与微丝骨架系统和微管骨架系统有关,而中间纤维则主要参与细胞核的定位等过程。细胞骨架在成分上是很复杂的。微丝上有众多的微丝结合蛋白,微管上有众多的微管结合蛋白。这些结合蛋白有各种各样的功用:如加固、切割、成网、成帽、运动,等等。细胞骨架上那些与运动有关的蛋白,就是人们常说的马达蛋白。无论汽车、火车、飞机,它们都离不开马达,只有马达才能将燃料的能量转变成机械能,引起机身的移动。细胞运动也需要马达,不过这类马达非常特殊,它们属于蛋白质分子,所以又叫分子马达。马达蛋白实际上是一类机械化学酶,可以将化学能转变为机械能,引起沿微丝或微管的定向运动。细胞骨架马达蛋白必须具有哪些特性呢?首先它们必须具有与细胞骨架微丝或微管可逆结合的特性,也就是在某种因素调节下,需要与细胞骨架结合时,就结合;需要脱离时,就脱离。除了与微丝或微管可逆结合特性外,马达蛋白还具有核苷三磷酸酶(如ATP、GTP)的活性。核苷三磷酸是高能化合物,含有两个高能键。当核苷三磷酸被马达蛋白水解时,末端的一个高能键被打断,同时释放出自由能。这种自由能可以使马达蛋白分子构象发生变化。正是马达蛋白构象的改变,导致马达蛋白机械运动的发生。马达蛋白能产生运动,这是马达蛋白的又一特征。细胞内部成分非常复杂,仅细胞骨架结合蛋白就有上百种,核苷三磷酸酶也有许多种。必须同时具备细胞骨架结构特性、核苷三磷酸酶活性、产生运动这三个特征,才算是细胞骨架马达蛋白。在产生运动方面,还有一个问题应该提一下,就是运动的方向问题。在20世纪80年代初,人们在神经细胞轴突中观察到囊泡可以沿单条微管双向运动。后来证明是有两类马达蛋白完成的。动蛋白携带囊泡从微管的负端(聚合慢的一端)向正端(聚合快的一端)运动,而力蛋白则产生相反方向的运动。运动的方向性究竟是由什么决定的呢?有人认为马达蛋白在与微管结合发生相互作用时,其头部与微管的亲和力沿微管存在一个梯度,导致运动方向朝向亲和力高的一侧。有人则认为主要与马达蛋白颈部在构象上的定向变化有关。我们认为,微丝和微管作为轨道在结构上的极性,以及马达蛋白分子上与微丝、微管相互作用位点的带电状况,都应该在运动的方向性上有贡献。五、胞质颗粒的运动轨迹活细胞内部的细胞器,是在马达蛋白的驱动下沿着微管、微丝进行主动运动的。如果离开细胞骨架马达蛋白,这些运动就不能进行。在分子形状上细胞骨架马达蛋白有一个共同点,它们都是有“头”有“尾”的分子。它们的“头”与细胞骨架纤维结合,“尾部”携带着各种“货物”(比如细胞器)。因为细胞骨架提供了细胞器在细胞质中运动的轨道,所以我们可以用观测和分析细胞器运动轨迹的方法,来研究活细胞中细胞骨架的空间性质和运动情况。因为在活细胞内部处于活跃运动的微米量级大小的颗粒状细胞容易被检测,因此,为叙述方便下文用“胞质颗粒”进行讨论。我们曾经对花粉管和细胞中的胞质流动进行实验,观测到细胞内部颗粒运动轨道具有复杂的形态,而且运动轨道是流动可变的。在观测事实的基础上,我们提出了在花粉管内存在胞质颗粒快速运输轨道循环系统的概念。这个概念强调这些轨道是流动的,也就是强调细胞骨架构成的轨道在活细胞中是时时刻刻运动着的。在另一方面,我们还认为花粉管内的细胞骨架具有复杂的网络组织,它是一个由众多流动轨道相互连续组成的动态的三维结构。这个兼有韧性和柔性的实体是作为一个整体存在于活细胞中的,是活细胞内部一个不可缺少的循环系统,起着胞质颗粒定向及多向快速长距离运输的作用。脱离这个结构实体,胞质颗粒就不能进行快速长距离运输。明确提出胞质流动轨道循环系统这个概念,为解释胞质颗粒的定向、多向的快速的长距离运输提供一个新的思路。当然这方面还需要有更多的实验研究。我们在实验上用显微录相和图像分析的方法研究活细胞内部胞质颗粒,可以定量地测量它们的运动情况。对录相带上同一个胞质颗粒进行连续跟踪,测量它在不同时刻的位置,就记录到它的运动轨迹。实验观测到,活细胞内部胞质颗粒的运动轨迹,都不是笔直的一条直线,而是有曲折的形状,并且在同一个细胞中的不同部位,各个细胞器和胞质颗粒的运动轨迹形态是多种多样的。我们测量过萌发的花粉管细胞内部胞质颗粒的运动。有正向运动的,也有反向运动的。正向是指朝着花粉管顶端的方向,反向是指离开花粉管顶端的方向。正向和反向运动的颗粒的运动轨迹都是曲曲折折的。再以水霉细胞为例,我们观测到胞质颗粒的运动轨迹的形状有三类,第一类是局域型的,颗粒几乎限制在细胞内部小区域中运动,轨迹没有延伸的趋势;第二类是延展型的,颗粒具有延展的轨迹,但是有曲折的形状;第三类是混合型的,颗粒运动轨迹的某些部分具有局域的特性,而另一些部分则具有延伸的特性。已知布朗运动是微粒在液体中受到分子热运动的作用,它们不停地作连续的无规则的杂乱运动。胞质颗粒局域型的运动,是不是通常所说的微粒的布朗运动呢?我们对烟草愈伤组织细胞内胞质颗粒的无规则运动进行过定量的测量。在显微镜下观测胞质颗粒的运动,当在细胞外环境中加入TFP药物(一种抑制胞质流动的物质)后,定向的胞质颗粒运动停止,但胞质颗粒作无规则的杂乱运动。当洗去TFP药物后,定向的胞质颗粒流动又恢复了。要判断胞质颗粒的无规则的杂乱运动是不是布朗运动,需要对颗粒的运动进行定量的测量。我们在实验上测量某一个胞质颗粒在一定时间内位移的均方根值,并且用颗粒直径、时间间隔和胞质黏度的值代到布朗运动的公式中去,就得到布朗运动的理论计算值。对两者进行比较,只有当实验测得的位移均方根值和理论计算的位移均方根值相等(在实验误差范围之内)时,才能说这种运动是布朗运动。我们在实验上测量的颗粒位移的均方根值,竟是布朗运动理论计算的位移均方根值的5到7倍。因此我们肯定它们不是通常由分子热运动引起的布朗运动。我们把它们定名为拟布朗运动,或准布朗运动。意思是说,它们貌似布朗运动,但实际上却不是布朗运动。拟布朗运动的机制是什么呢?我们认为,细胞骨架纤丝为胞质颗粒的运动提供了轨道。但是细胞骨架纤丝成分可以在一定条件下组装或去组装。当胞质颗粒沿着组装好的轨道运动时,表现为定向运动。当加入TFP药物后,纤丝成分去组装,可能拆散为局部的片段纤丝,定向的胞质流动就停止了。但这时胞质颗粒仍可以由连接的分子马达使ATP水解提供能量,沿着片段纤丝运动。由于这时轨道是片段的和无规则的,胞质颗粒的运动也就表现为无规则的而不是定向的,这就是拟布朗运动的机制。当洗去TFP药物后,细胞骨架纤丝重新组装为定向的轨道,胞质颗粒又恢复了定向运动。由此可见,虽然拟布朗运动和布朗运动表观上很相像,即表现为无规则的杂乱运动,但拟布朗运动是由ATP分子水解所驱动的主动运动,是生命活动的一种表现,它和无生命的布朗运动有本质的区别。我们在对花粉管细胞内细胞器和胞质颗粒的运动的实验中还看到,在它们运动过程中速度的变化是很大的。胞质颗粒的运动普遍都是忽快忽慢,运动速度是不均匀的。为了对这种现象进行定量的解释,我们在实验上观测过水霉细胞内部胞质颗粒的运动,测量了它们运动速度的非均匀性的定量数据。这种现象是不是和胞质颗粒运动轨迹的类型有关系呢?例如有的颗粒的运动轨迹是局域型的,有的则是延伸型的,它们的运动速度非均匀性是否不同呢?我们的实验测量表明,具有不同的运动轨迹形态的不同的胞质颗粒,它们的运动速度非均匀性都是类似的。对这种运动速度不均匀的奇特现象,目前人们对它还没有解释。我们提出一个称为“分子涨落”的概念来解释这种现象。分子涨落中的“分子”,是指有驱动作用的分子马达的蛋白质分子。“涨落”是指分子马达的蛋白质分子数目发生的统计涨落。胞质颗粒的运动是由分子马达的蛋白质分子的力驱动的。分子马达蛋白将胞质颗粒和细胞骨架纤丝相连接。如果连接颗粒的马达蛋白分子数目时时发生统计涨落,马达蛋白分子的涨落又引起驱动力的涨落,那么就会使颗粒运动发生涨落,这些涨落就造成观察到的颗粒运动速度非均匀性。如果采用这种观点,对胞质颗粒运动速度非均匀性可以作定量的描述。我们在理论上推测,如果胞质颗粒运动速度非均匀性是由于少量马达蛋白分子的统计涨落所造成的,那么颗粒运动的速度的分布就可以用泊松分布来描述。我们对水霉细胞内部颗粒运动速度进行测量,得到的运动速度分布的实验数据,确实可以用泊松分布来近似地拟合。活细胞里胞质颗粒的运动,还有跳跃式运动的现象,它们走走停停,像是在那里跳跃一样。这是活细胞里大量存在的现象。例如在神经轴浆转运中,转运小泡的运动多为走走停停,作跳跃式的运动。迄今为止,对胞质颗粒的这类跳跃运动有过许多定性的观察和描述,但是很少有定量解释的。我们在实验上测量过水霉细胞内胞质颗粒的跳跃运动,对跳跃运动中的停顿现象作了定量测量,对停顿前后颗粒运动的平均速度也进行了定量的比较。怎样解释跳跃运动的机制呢?我们的看法是,跳跃运动的机制和胞质颗粒运动速度非均匀性的机制是一样的,也就是由马达蛋白分子的统计涨落所造成的。前面讲过,马达蛋白分子的统计涨落,是指连接胞质颗粒的马达蛋白分子数目有时多、有时少。在这种统计涨落中,马达蛋白分子数目有时也会等于零,所以对颗粒的驱动力偶尔会等于零。这时胞质颗粒的运动就停止了。胞质颗粒上连接着分子马达,当ATP分子水解时提供能量,胞质颗粒被分子马达驱动而沿着细胞骨架纤丝作主动运动。细胞内局域的马达蛋白分子的统计涨落,导致运动的停顿与跳跃。在颗粒停顿前后,运动都是主动运动。颗粒的运动为什么会突然停顿呢?这可以解释是颗粒脱开分子马达,主动运动就停止。那么颗粒的运动为什么又突然启动呢?这可以解释是颗粒和纤丝重新连接了分子马达,就开始作主动运动。胞质颗粒的跳跃运动是不是和颗粒运动轨迹的类型有关呢?我们的实验表明,它们没有相关性。因为颗粒的停顿现象是由分子涨落所决定的,所以它们和运动轨迹的类型无关。也就是说,分子涨落现象是普遍存在的,各种类型的运动轨迹都有这种现象。六、atp的形成和代谢生物体系是一个开放体系,它和周围环境既有物质交换,又有能量交换。在生命活动中,生物体所利用的能量主要来源于光能。光合生物将光能转换为化学能并储存于所合成的化学物质中。其它生物摄取光合生物的化学物质,再通过分解代谢将化学物质中储存的能量释放出来,用于作机械运动、发光反应或进行合成反应,没有被利用的能量就转化为热能。由光能向化学能的转换,是由绿色植物的叶绿体来完成的,就是光合作用。这是大家所熟知的。我们在这里讨论一下细胞是如何将化学能转换为机械能的。先简要谈谈能量流向。植物通过光合作用将光能储存在所合成的化学物质中,具体说就是淀粉。细胞经过一系列酶的化学反应,还可以将光合作用合成的化学物质转变成其它化学物质,如脂肪等。这些物质有的构成细胞结构,有的则作为储存的能源储存于细胞内的能量储存库中。生命体要进行生长、发育、繁殖,这些过程都是建立在细胞生命活动上的,如细胞分裂、细胞内外物质运输、细胞内部蛋白质等大分子的合成反应等。这些生命活动都需要提供能量,虽然糖分子中储存有化学能,但它需要经过进一步的转换才能使用。不同的生命过程需要的能量形式不同。以机械运动类的生命活动为例,像细胞分裂、物质运输、细胞运动等,宏观地说,我们每个人,且不说行走、奔跑,哪怕是眨眼、甚至睡眠中都离不开肌肉的收缩运动。完成这种机械运动所需要的能量,不是直接来自我们吃下去的食物,而是来自这些食物经过一系列降解代谢反应,最后形成的腺苷三磷酸,即ATP分子。在有氧条件下,一分子的葡萄糖经过一系列降解代谢后,可以形成36个ATP分子。有人计算在能量从葡萄糖向ATP的转移过程中,只有40%左右被储存在ATP的高能键中,其它60%以热量形式放出。ATP是生物系统中自由能的“通用现钞”,或者说是自由能的特殊载体,它在能量交换中具有特殊使命。在细胞中,ATP不断被消耗,又不断被形成,它是自由能的即时供体。ATP在细胞中周转速度很快。有人计算过,一个休息的人,24小时可以消耗40kgATP。但消耗不等于消失。ATP周转很快,就是说ATP分子的一个高能键被打断后,形成ADP(腺苷二磷酸)分子和一个无机磷,同时释放出自由能。所谓ATP消耗了,实际上是它转化成了ADP和无机磷,这些物质仍然存在于细胞中,可以在降解反应的驱动下再形成ATP。也就是说,ATP是不断分解,同时又不断合成。ATP的形成有多条途径,它们主要是在线粒体中合成的。线粒体有两层膜。外膜平滑,稍有弹性,内膜有许多向内皱褶的嵴。内膜上存在着丰富的蛋白质、酶类。ATP的合成是在线粒体内膜上完成的。线粒体内膜是ATP合成的场所。具体完成这个任务的是内膜上的一系列电子传递体和一种特殊的ATP合酶。这里先解释一下电子供体是什么。胞浆中的酶首先将糖分解,形成还原性很强的高能分子,比如NADH(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸)就是其中的一类。NADH是一类很有用的电子供体,它的电子通过线粒体内膜上一系列电子传递体的传递,最后到达氧。在电子的传递过程中,有质子(H+)从线粒体内膜内侧泵到内膜外侧。外侧质子浓度高,内侧质子浓度低,自然形成跨线粒体内膜的电化学势,这是另外一种能量形式。这种能量就会形成ATP的高能键。形成的具体过程是这样的:线粒体内膜上ATP的合成,离不开ATP合酶,它有一个大大的“头”伸在线粒体内膜内侧,是合成ATP的部位;“尾巴”嵌在内膜中,作为质子通道使外侧的质子能回到线粒体内。内膜外侧的质子经ATP合酶的质子通道流向内膜内侧时,ATP“头部”被质子流驱动将ADP和无机磷合成ATP。质子流动与ATP合成的偶联已被科学实验证明,但是如何偶联目前还不清楚。人们很早就知道,ATP合酶非常奇特,它在生物体内的功能是合成ATP,但在体外则可以催化逆向反应—ATP的水解。关于ATP合酶的作用机制,Boyer(1993)曾预言能量的传递可能是通过酶分子中间γ-亚基的旋转产生的。1998年日本科学家Noji首次获得直接证据,有力地支持了Boyer的假说。通过巧妙设计,Noji在显微镜下观察到,ATP合酶在体外水解ATP时,可以引起旋转运动。因此把ATP合酶称之为旋转马达。在极低浓度ATP存在时,甚至观察到旋转步幅为120度,证明产生120度的旋转是水解一分子ATP引起的。研究还表明,每旋转120度大约做功80pNnm,这个数值与生理条件下ATP水解释放出的自由能非常接近,证明ATP合酶在将水解ATP释放出的自由能转变为机械功时,效率极高。ATP合酶作为旋转马达水解ATP产生120度旋转时没有自由能的变化,这可能是ATP合酶能催化逆向反应的必需特征。旋转马达对能量转换的高效率,是迄今所发现的其它马达蛋白无法比拟的。这是一项很有意义的工作,如果能找到能量转换的机制,将对人类在提高能量利用率方面有启迪。无论是旋转马达,还是细胞骨架马达,它们都能将ATP的化学能转换成机械力。肌球蛋白是细胞骨架马达蛋白的一种,它的运动轨道是肌动蛋白丝,属于线型马达。肌球蛋白水解一分子ATP可以产生3-4pN(皮牛顿)的力(相当于一个细菌的重力),使它可以在肌动蛋白丝上移动11-15nm。这些实验结果是用最新发展起来的光镊技术测得的。看来,所有马达蛋白在水解ATP高能键时,都可以利用释放出的自由能改变自己的构象,以此产生相对位移。马达蛋白在能量转换方面有着共同的机制。细胞内部无时无刻不在进行着能量转换。能量转换需要有化学物质的转变,而化学物质的转变常伴随能量的定向流动。不管能量代谢还是物质代谢,都需要有一个精密的调节系统。当一个人活动量大时,消耗ATP多,细胞降解更多的糖分子以合成充裕的ATP;如果进食过多,而活动很少时,能量常转换成脂肪储存起来。总之,细胞随时调整自己的代谢方向,以适应生命体的生理需要。七、ca2+与胞内信使细胞能根据需要及时调整自己,这里蕴含着另一个有趣的生物学问题,即细胞通讯。生物细胞内进行着十错综复杂的新陈代谢过程,如果没有严格、精巧的调控系统,有序地进行这种复杂的生命活动是不可思议的。有人曾将这些代谢反应用电路形式表示出来,看起来就像一个迷宫。对生物体来说,哪怕是一个很简单的动作,也要牵涉到非常复杂的细胞通讯过程。比如含羞草被触摸后叶片快速下垂、植物的向性生长、病原菌感染后机体所表现的抗性反应等等,都涉及到信号在细胞间和细胞内的传递和处理。通过大量实验,人们已经认识到,生物体内确实存在调节物质和能量代谢的信号系统。在高等动物中,研究比较早的、被公认的信号系统有内分泌系统、神经系统以及免疫系统等。每一个信号系统,有自己独特的信号分子。内分泌系统中的激素,神经系统中神经递质等都是重要的信号分子。在一个系统中,仅一个信号分子是远远不够的,往往需要多个信号分子。存在于细胞外的信号分子(像激素和神经递质等)首先作用于细胞膜表面,通过膜上的某种蛋白将信号跨膜传入细胞内;信号进入胞内后,有新的信号分子出现,并继续完成胞内的信号传递。最常见的胞内信号分子有哪些呢?拿内分泌系统来讲,胞内第二信使是cAMP,即环腺苷酸;后来又发现Ca2+也是胞内第二信使。在质膜肌醇磷脂代谢途径中还有另外两个胞内信使:IP3(三磷酸肌醇)和DG(二脂酰甘油)。不管信号分子是什么,诱导的化学反应是简单还是复杂,信号在细胞内传递,最后总是会引起生理反应的改变。我们举一个具体例子。比如植物气孔,它由一对保卫细胞组成,大量存在于叶片的表皮上,保卫细胞中间有一个孔,叫气孔,像一个“门”一样可以开关。气孔开放时,气体和水分可以通过气孔出入;在关闭状态则不能。因此,气孔是植物体与外界环境进行气体和水分交换的一个“门户”。影响气孔开关运动的因素很多,其中光是最重要的影响因子。白天,气孔是开放的,夜间是关闭的。可见光是诱发气孔开放的重要信号。人们在研究中发现细胞膜上有光的专一受体,所谓受体,就是一种蛋白质,它嵌在细胞膜中,露在外面的部分像电视天线一样接受信号,通过自身构象的变化或某种化学基团的修饰,启动G-蛋白的活性,或诱发Ca2+向胞内流动,从而诱发一系列化学反应。细胞信号传递是经过许多化学分子参加的复杂过程。除了化学途径,应该还有物理途径。物理途径传递信号更直接、迅速。有报道说,当番茄幼苗的子叶受到伤害时,发现从子叶中缓慢发出动作电位,并且进入第一片真叶,认为是电信号传导了伤害刺激。实验上观察到电信号与化学信号是相关的。植株受到伤害刺激后,也诱导化学信号分子(磷酸肌醇)的产生。研究证明,没有电信号就没有磷酸肌醇的诱导;当用冷冻方法排除其它化学信号分子运输的情况下,动作电位的扩散仍然是诱导磷酸肌醇产生的先决条件。从信号传导速度看,物理信号远比化学信号来得快。物理信号的传导发生在化学信号产生和传导之前。化学信号在韧皮部中的运输速度很慢,大约为15微米/秒,而动作电位在韧皮部中的移动速度达1-4毫米/秒。显然快速的信号传导更有利于生物体的生存反应。生命体中,水是最明显的连续相,所有生物分子都浸在水中。像电一类的物理信号能快速传导,应该是好理解的。我们认为,除水以外,其它的连续相也是很重要的。比如生物膜、细胞骨架。生物膜的可流动性,细胞骨架的敏感性、运动性以及“轨道”分子排列的有序性,对物理信号传导都是很有利的。细胞内部通讯是活细胞最重要的生物学过程之一。但它的机制至今尚未完全明了。通常认为细胞内部的通讯决定于细胞内的生物化学通路,因为细胞内部通讯是由许多种信号分子作为媒介来实现的。这种机制看来是必需的,但是用它们解释细胞内部通讯并不充分。因为:第一,信号分子的传递,在细胞质中要经过长距离的扩散,这个过程很慢;第二,特定的信号分子如何能定向作用于远处的专一性的细胞内靶子,也还不清楚。我们曾经提出一种可能的细胞内部信号通路,即物理通路,作为对已知的生物化学通路的补充。也就是说,活细胞内部的细胞通讯可能具有生物化学通路和物理通路的双重机制,而且在这两种通路之间存在强的偶联。活细胞内可能存在的物理信号之一是机械信号,此外还可以有热、光、电等物理信号。细胞内部机械信号的一个例子是沿着细胞骨架组分传播的机械波。当活细胞受到刺激时,与细胞骨架网络相连系的蛋白质复合体可能发生构象变化,因而产生机械信号,形成机械波而沿着细胞内部的细胞骨架组分传播。当这波到达细胞骨架组分的另一端时,它们会引起该处相连系的蛋白质复合体的构象变化,从而在特定的靶子处激发起生物化学的级联过程。最近在实验上发现,在有丝分裂中,微管末端的分子马达蛋白对沿微管的张力变化敏感,并且能作出反应。对有丝分裂纺锤体产生张力和接受张力,是有丝分裂进行的一个重要机制。这个实验结果也许支持细胞内部物理通讯的机制。此外还有实验报道,作用在细胞表面的受体上的一个机械拉力,会立即引起细胞质和细胞核中分子复合体的组织发生变化。这个结果也是支持物理通路的机制的。前人也曾假设过,整合素、细胞骨架纤丝和细胞核支架结构之间的分子连接,可能提供机械信号传递的途径。但双通道通讯系统的概念和前人不同之处在于:他们认为连接仅仅是机械的连接,但双通道模型则认为物理通路是和生物化学通路相偶联的,因而两者构成信号转导的一个整合的途径。这个物理通路具有生物学意义的一些特性。例如单个细胞骨架组分具有直线结构,所以机械信号的传播可以是双向的,而且信号很容易发送到指定的靶子处。在活细胞内,细胞骨架组分构成一个三维的动态网络,在细胞内部一处产生的机械信号可以分送到细胞内多个靶子,而从不同地点来的机械信号则可以在细胞内部某个靶子处整合起来。因为细胞骨架网络是动态的,细胞通讯的物理通路也具有动态的特性。如果细胞骨架组分的力学性质可以近似地用弦来描述,我们估计了沿细胞骨架组分传播的机械波的传播速度。对于单根肌动蛋白纤丝而言,如果张力等于0.1pN(皮牛顿),求得传播速度为2m/s;对于单根微管而言,如果张力等于0.1pN,求得传播速度为0.6m/s。可见,利用细胞内的物理通路,机械信号的传递速度可以达到1m/s的数量级。因此对于一个活细胞内10微米的距离,一个刺激信号沿着单根纤丝传到指定靶子的时间可能小于10微秒。这表明细胞内部物理通路的细胞通讯比生物化学通路的速度大得多,而且精确度高得多。这样就可以解释,为什么由细胞外信号分子触发引起的某些细胞响应,会在小于1秒钟之内发生。机械波除振幅信息外,还可以携带频率信息。当然,细胞质内机械波的阻尼过程也是必须考虑的。物理通路还对活细胞中的分子间合作提供了一个可能的机制。细胞内部的物理通讯,可能有助于协调与细胞骨架相联系的大量的蛋白质分子间的同步活动。此外,细胞骨架网络还可以协调不同来源的许多刺激。如果一个细胞器的膜同时连接着几个马达蛋白分子,并且连到细胞骨架的同一根纤丝上,由于细胞内部物理通路中信号的高速传播,这些马达分子将会协同响应。八、动粒马达-中央区马达模型我们再来讨论细胞有丝分裂中染色体的运动。真核细胞的有丝分裂是一个重要的生命现象。在有丝分裂前期末,细胞内形成纺锤体,它由两个“半纺锤体”组成。纺锤体有两个极。在纺锤体的赤道平面附近,从纺锤体相对的两极发出的微管(它们是半纺锤体的组成成分,称为极微管)交错对插。这个微管交错对插的区域可以叫纺锤体的中央区。已经知道,在中央区,交叉对插的微管的极性是反平行的。在微管之间存在微管协同蛋白,它们表现为在电镜观测下的微管之间的桥状结构。这些蛋白可以驱动微管相对滑动。我们把这类马达蛋白称为“中央区马达”。在有丝分裂前期末,每一个染色体都包括有两个相同的染色单体(也叫子染色体),它们连在一起。每个子染色体上各有一个动粒(或称着丝点,是连接微管的地方)。因此一个染色体有两个动粒,叫姊妹动粒。在一个染色体的姊妹动粒处,分别由微管把动粒的相应的纺锤体一个极连接起来,这些微管称为动粒微管。当一个染色体的姊妹动粒都连接了动粒微管(分别连着两个极)后,这个染色体就叫“两侧着丝”的染色体。有丝分裂有一个奇特的现象,就是在有丝分裂的前中期,两侧着丝的染色体总是要向纺锤体的赤道平面运动,最后全部染色体都要排列在赤道平面处。如果我们把两个半纺锤体叫左半侧的和右半侧的,那么原先位于左半侧的染色体都要向右移动到赤道平面,而原先位于右半侧的染色体却都要向左移动到赤道平面。这个奇特的现象称为“会聚”。到有丝分裂中期,排列好的染色体都在赤道平面附近不断地往复移动,这个现象称为“振荡”,一直到它们同时分裂为两个独立的子染色体为止。这种往复振荡和同时分裂的现象也是很有趣的。接着是有丝分裂后期,分开的两个子染色体分别向纺锤体的一个极运动,这段过程是“后期A”。其后,与子染色体分离的同时,纺锤体还延长,这段过程是“后期B”。最后,子染色体到达各自的极处,有丝分裂完成,纺锤体就崩解。那时细胞质也一分为二。有丝分裂中染色体这种复杂的运动,一直是细胞生物学中十分关注的问题。因为染色体必须正确地运动和一分为二,并且分别达到两个极,原来细胞内染色体携带的遗传信息才能够正确地分到两个新的细胞中去。但是为什么两侧着丝的染色体不就近到达纺锤体的极,却非要都向赤道平面运动不可?为什么一定要全部排列在赤道平面附近,而且又发生来回的振荡呢?前人曾经提出过许多模型来解释这些现象。例如有:牵引丝模型、动力平衡模型、微管聚合模型、极斥力模型、动粒马达-极斥力模型等等,不久前甚至还有人提出“动粒具有智能”的假说。我们提出一个新的模型,称为动粒马达-中央区马达模型来解释这些现象。这个模型主要观点是根据已知的有丝分裂中各种马达蛋白的实验资料,我们认为,有丝分裂中对染色体运动起重要作用的有两类马达蛋白,一类是位于染色体动粒处的马达,称为动粒马达,另一类是前面提到的中央区马达。可以认为,动粒马达直接提供染色体运动的驱动力,它的方向是沿着连接动粒的微管,指向相应的纺锤体的一极。但中央区马达怎么起作用呢?一个染色体同时受动粒马达和中央区马达的作用,其中动粒马达直接作用于与动粒连接的微管,它们是从纺锤体的对面一极发出,并且穿过中央区,再和动粒连接的。这些微管受中央区马达的力,发生滑动,同时又带着和它连接的染色体一起运动。在前中期,一个两侧着丝的染色体,它两侧连接的微管的长度是不同的。和纺锤体远端一级相连的微管(“长微管”)是穿过中央区的,而和纺锤体近端一极相连的微管(“短微管”)是不穿过中央区的。按照这个模型,长微管受到中央区马达的驱动,使它朝纺锤体的赤道平面运动,同时带着染色体一起朝赤道平面运动。但短微管不穿过中央区,所以并不和中央区马达作用。在染色体姊妹动粒处都有动粒马达,它们在两侧产生的驱动力相等而方向相反,所以互相抵消,剩下来只有长微管受到的力,染色体就朝赤道平面运动了。当染色体在力的作用下移动到达纺锤体的赤道平面时,染色体两