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我们不知道答案的125个科学问题(62)细胞的物质输运 精选

已有 4171 次阅读 2023-11-15 12:05 |个人分类:科学教育|系统分类:科普集锦

62. 是什么让细胞内的输运保持畅通?What keeps intracellular traffic running smoothly?

所有真核细胞都含有细胞与环境相互作用的膜隔离室,细胞的内部构造如图1和图2所示。细胞内的膜系统由各种内膜、膜细胞器和细胞外膜等组成,它们在细胞内形成一个相互联系、相互作用的复杂网络,对于细胞的正常功能和代谢活动至关重要。细胞内的膜细胞器包括内质网、高尔基体、溶酶体、线粒体、叶绿体等各类有膜的细胞器,这些膜性细胞器通过膜的融合和分离来实现物质的运输和交换,同时也通过膜上的蛋白质和分子来实现细胞内的信号传递和代谢调节。细胞内的膜系统是细胞内各种生物大分子和代谢产物的运输、加工和调节的重要场所,对于细胞的正常功能和代谢活动至关重要;而细胞整体的细胞外膜则是细胞与外界环境之间的屏障,它通过膜上的蛋白质和其他囊泡体(如胞内体endosome)来实现细胞内外物质的运输和交换,同时也通过膜上的受体来感知和响应外界环境的信号。

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图1 细胞的结构

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图2 动物细胞的典型结构

这些由膜构成的囊泡体或细胞器主要通过两条途径在细胞内的不同腔室之间运输蛋白质和脂质等物质,一个是向外的胞外途径,将细胞质及各个细胞器始中合成的物质通过内部膜系统运送到细胞的外环境中;一个是向内的内吞途径,是将环境外的营养物质通过内部膜系统内化到细胞内部不同区域。最典型的囊泡输运过程见图3所示:首先运输囊泡从原膜萌发,要么是空的,要么充满“货物”;其次,运输囊泡移动到它们的目的地:目标细胞器;然后运输囊泡停靠在目标细胞器的膜上,即附着在相应细胞器的膜上,并与膜融合,完成输运。由于所有膜运输过程之间的基本相似性,它们中的大多数可能在机制上相似。然而,在任何给定的时间内,所有细胞中都有许多不同类型的膜运输,例如从内质网到高尔基体或从内体到溶酶体的运输。细胞通常设法保持不同类型的膜交通很好地分离和控制。

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图3 细胞内通过膜囊泡的典型物质输运过程

细胞内物质的内外输运,是绝大多数细胞维持其基本功能和活性的基础。细胞内物质的输运尺度跨越了从分子级的纳米尺度、细胞量级的微米尺度直到细胞间的米量级尺度。纳米尺度的输运包括支撑生物分子混合、反应或合成的各种离子(如钾离子钙离子)和小分子的纳米级输运过程,微米级的输运包括大分子的氨基酸、蛋白质、细胞器及小代谢产物的输运过程,以及到穿过细胞外膜进行细胞间的米量级的物质输运过程。

从微观到宏观,细胞每时每刻都在进行其生理活动所必需的物质输送活动,细胞的生物功能必修依靠细胞内物质输运通道畅通无阻地持续畅通才能维持,所以细胞的这个跨尺度的输运网络显得非常复杂。比如细胞内合成蛋白质的过程:首先需要胃里分解得来的氨基酸等营养物质透过细胞外膜进入血液,血液输送营养物质到达细胞的周围;然后营养物质通过细胞膜进入细胞内,并依靠细胞内膜系统规则有序的进行细胞内输运,将营养物质送达蛋白质合成的mRNA“施工现场”。在这个工地周围,氨基酸先要和ATP(三磷酸腺苷,水解时释放出能量,是生物体内最直接的能量来源)接触形成氨基酰,并释放释放出焦磷酸,这个称为“货物的包装”;然后在合成酶的作用下氨基酰与tRNA形成复合体,称为“货物的装载”;精确载有各种氨基酸的tRNA复合体进入核糖体内,依靠mRNA分子上的编码进行识别和组装,最后形成蛋白质并释放,可见实现这个过程的每一步都伴有细胞内生物分子的输运过程。在细胞内输运中,不同物质分子要穿过细胞内膜系统形成的不同区域,形成不同物质分子的输运通道,而这些通道之间往往会互相交叉。例如蛋白质合成过程中,信使mRNA分子是在细胞核内形成的,它必修从细胞核内的合成位点穿过细胞核的膜到达核外蛋白质的合成区域,同样参与蛋白质合成的核糖体所需要的rRNA也是在细胞核中合成也需要通过核膜输送出来等等,总之,蛋白质合成位点周围所有参与合成的“物质原料”,都必须经过细胞内膜系统形成的输运网络从不同区域运输过来,蛋白质的合成过程才能顺利完成。

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图4 离子通过跨膜蛋白的输运示意图

而相反的外输运过程,细胞内新合成的蛋白质分子也必须从合成位点通过细胞不同区域的内膜系统转运到其他位置参与其他过程,或者通过细胞器膜进入不同细胞器,或者穿过整个细胞膜进入细胞间质或血液,以便其他器官输运到更远的地方(比如腺体蛋白的分泌过程,如图5所示)。特别是当细胞需要生长分裂或出现忽然损伤,此时需要向高代谢细胞区域提供更强大的物质输送保障。同样,细胞膜如果接收到外部信号后,通常需要将活化的蛋白质分子运送到细胞核内,以启动细胞的转录反应;细胞代谢过程中需要ATP和代谢产物有效地分布到所有细胞内区域。在神经元这样的大细胞中,代谢的空间组织是支持具有高代谢需求的局部区域能量需求的关键。此外,关键的功能作用归因于多个细胞器之间的物理接触,这些接触的形成以及大分子到接触区域的传递需要细胞成分的调节运输。

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图5 蛋白质的外输运过程示意图

所以,真核细胞本身就担负着一项极具挑战的任务,即需要通过复杂的细胞内环境膜运输系统输送各种尺度的颗粒物质,以传递、分布和混合来支持细胞功能的许多物质成分。而完成这项“物流任务”的核心问题就是:到底是什么让细胞内输运过程保持高效畅通?

细胞内的膜系统在物质运输和交换方面通过膜的融合和分离来协调工作,具体来说,这些膜系统之间通过特定的蛋白质和分子的相互作用实现膜的融合或分离,从而实现物质的运输和交换过程。例如,内质网管道中合成的蛋白质被运输到高尔基体的膜囊中,经过进一步加工和修饰后,通过膜的融合被运输到细胞膜或其他细胞器中(见图5)。溶酶体与其他细胞器或细胞膜融合,将其中的水解酶释放出来,分解细胞内的废物或外来物质。线粒体通过内膜上的呼吸链来产生ATP,为细胞提供能量。植物细胞中的叶绿体通过叶绿素和其他色素来吸收光能,并通过光合作用将二氧化碳和水转化为有机物和氧气,而其代谢的产物也要通过不同的膜系统传送到细胞内其他区域或细胞外环境中。显然细胞内物质通过内膜系统的融合和分离来内外传送这么复杂的物质过程中,为什么膜不会粘在一起或膜会相互缠绕而发生混乱?总之,到底是什么让细胞内外物流输运膜网络保持精准、高效和畅通的呢?

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图6 物质输运的三种物理机制

无论如何,细胞内物质输运的本质依然是物质分子或颗粒在细胞内嘈杂的热运动环境中通过相互作用的一种运动过程,所以细胞的内输运机制从物理角度来看主要分为三种模式:(1)扩散运动:(2)分子马达驱动;(3)细胞质的平流。也就是扩散、分子马达和细胞质流动是支持细胞内物质运输的基本过程,它也是细胞生物输运过程多样性的基础。

细胞为完成多尺度多样化的运输任务,真核细胞分别利用了这三种物理运输机制(图2)进行物质的输运。对于小尺度短距离(纳米级)的物质输运,主要是通过浓度不同的扩散运动完成,物质离子或分子之间或者和细胞质内分子的随机碰撞产生“布朗”运动,这样细胞内的小尺度短距离的离子和分子会快速混合和扩散,完成物质的转移输送,这是一种自发过程。而对于大尺度和远距离的物质输运,细胞则利用分子马达方式运输。分子马达利用分子间相互作用与输运物质结合,分子马达会沿着细胞内某种骨架细丝上的定向运动来传递如囊泡细胞器和tRNA-蛋白复合物等。分子马达是一种利用分子相互作用的主动运输机制,其可以受多种调节因子所控制,这些因子可以导致细胞成分进行受控分类和分布,不是自发的过程,需要耗费能量;此外,许多细胞利用其内细胞质流体的平流来快速驱动颗粒通过细胞质,如同漂流。而细胞物质的每一种运输模式都并行地在高度复杂、拥挤和活跃波动的细胞内环境中进行。因此,细胞内物质的输运过程将涉及到软物质(如膜的张力、能量、结构等)、非平衡统计力学和随机过程等领域的知识。

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图7 分子马达输运(左)和囊泡扩散输运(右)示意图

由此可见细胞内这些不同物质在膜系统间的运动过程的确是一个非常复杂的过程,但这些过程的顺利实现必须由细胞内的环境来保障,如通过扩散运动的离子输运和细胞内外的酸碱性、细胞的温度都有重要联系,也和细胞膜的通透性相联系,而分子马达和输运分子的相互作用和输送轨道骨架的完整性有关,而细胞内细胞质的流动和其黏度系数等都会相关,所以细胞必须保持一个相对独立、稳定和健康的环境,细胞的各类输运过程才能在物理上获得保障,而究竟细胞内的膜系统如何不发生粘连、缠绕、堵塞而使结构保持正常,细胞分裂、损伤等意外过程如何启动更大通量的物流,这依然是很难解释清楚的,无论如何,活性细胞内物质内外输运的有序畅通无疑对我们而言就是一个奇迹。



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