細(xì)胞是執(zhí)行生命功能的基本單位, 各種生物分子在脂膜包被的區(qū)域內(nèi)有序協(xié)調(diào)地行使功能, 從而構(gòu)成了生物活動(dòng)的基礎(chǔ). 脂分子層不僅具有隔絕內(nèi)外形成微環(huán)境的屏障作用, 而且還通過(guò)受控的跨膜物質(zhì)運(yùn)輸與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)而發(fā)揮交通樞紐的功能, 實(shí)現(xiàn)了膜內(nèi)外物質(zhì)與信息交換的精細(xì)調(diào)節(jié). 除此之外, 脂分子層由于其形成的疏水環(huán)境還為大量的脂溶性生物小分子的合成與代謝提供了加工場(chǎng)所. 細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)的物質(zhì)運(yùn)輸是一個(gè)高度受控的復(fù)雜物流網(wǎng)絡(luò), 所運(yùn)輸?shù)牡孜锖w了無(wú)機(jī)小分子、有機(jī)小分子和生物大分子等眾多物質(zhì), 其運(yùn)輸效率和調(diào)節(jié)機(jī)制與細(xì)胞發(fā)揮正常功能以及疾病發(fā)生發(fā)展具有重要關(guān)系。
由于分子定位、原位成像和蛋白質(zhì)樣品獲取方面的困難, 目前對(duì)于細(xì)胞內(nèi)膜運(yùn)輸系統(tǒng)的研究與了解只是冰山一角. 近期來(lái)自*上海生命科學(xué)研究院生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所的研究人員就細(xì)胞內(nèi)各膜系統(tǒng)間發(fā)生運(yùn)輸和交換的信號(hào)分子、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及生物大分子的研究進(jìn)展做了綜述, 并且期待在細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)研究上新技術(shù)新方法的發(fā)現(xiàn)。
細(xì)胞是執(zhí)行生命功能的基本單位, 除特殊形式(如病毒)外, 地球上所有的生命體都是由細(xì)胞構(gòu)成的。細(xì)胞在本質(zhì)上是由磷脂膜包被的一團(tuán)大分子溶液, 各種生物分子功能在其中的有序協(xié)調(diào)行使共同構(gòu)成了宏觀生命現(xiàn)象的基礎(chǔ). 磷脂膜是基本上連續(xù)的二維面結(jié)構(gòu), 其不僅將細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)與細(xì)胞外環(huán)境相隔離, 而且還在細(xì)胞內(nèi)通過(guò)折疊-彎曲-融合形成多種亞細(xì)胞結(jié)構(gòu),例如細(xì)胞核和其他多種細(xì)胞器, 這些不同位置的磷脂膜在一起構(gòu)成了細(xì)胞的膜系統(tǒng). 由于細(xì)胞的膜系統(tǒng)是一個(gè)疏水性較強(qiáng)的結(jié)構(gòu), 因此對(duì)于水溶性小分子和生物大分子起到了非常良好的屏障作用, 膜兩側(cè)自發(fā)進(jìn)行的該類(lèi)物質(zhì)交換幾乎可以忽略不計(jì). 在這種情況下,由跨膜蛋白質(zhì)所實(shí)施的分子輸送對(duì)于合理地將各種維持生命活動(dòng)必須的物質(zhì)分配至各自的目的地起到了至關(guān)重要的作用。
*以來(lái)負(fù)責(zé)細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)與信息交換的跨細(xì)胞膜分子過(guò)程受到了較多關(guān)注, 大量的跨細(xì)胞膜過(guò)程的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和功能調(diào)控得到了良好的闡明,例如GPCR介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程、鉀離子通道的導(dǎo)電原理、葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制, 等等. 與之成對(duì)比的是, 由于在分子定位、原位成像和蛋白質(zhì)樣品獲取方面的困難, 細(xì)胞內(nèi)的各種跨膜過(guò)程研究目前進(jìn)展較為緩慢, 對(duì)于細(xì)胞器內(nèi)外和細(xì)胞器之間物質(zhì)與信息交換的具體分子機(jī)理的了解剛剛起步。
細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)的物質(zhì)運(yùn)輸是處于一個(gè)高度受控的復(fù)雜物流網(wǎng)絡(luò)之中的重要生理過(guò)程, 這一過(guò)程的流暢運(yùn)轉(zhuǎn)是細(xì)胞各項(xiàng)功能正常行使的前提. 然而, 由于當(dāng)前存在的技術(shù)障礙, 人們對(duì)細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)物質(zhì)運(yùn)輸認(rèn)識(shí)相對(duì)匱乏, 主要的障礙存在于:
(ⅰ) 膜蛋白結(jié)構(gòu)解析與功能分析的困難. 近十年來(lái), 雖然膜蛋白的結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域取得了較大突破, 一系列重要的膜蛋白獲得了高分辨的三維結(jié)構(gòu)和較為可信的功能描述, 但是這些成就基本上局限于細(xì)胞膜上的跨膜蛋白質(zhì)研究, 對(duì)于輔助細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)轉(zhuǎn)運(yùn)的蛋白質(zhì)的研究由于表達(dá)、純化和結(jié)構(gòu)分析的困難而進(jìn)展緩慢;
(ⅱ) 針對(duì)細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)中各種化學(xué)物質(zhì)的活體定量手段目前仍有欠缺, 在無(wú)法準(zhǔn)確獲知各細(xì)胞器內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)底物(例如, 葡萄糖、檸檬酸等)的濃度并對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤的情況下，很難系統(tǒng)地完成細(xì)胞內(nèi)膜運(yùn)輸系統(tǒng)的功能圖譜, 目前所能做的只能是針對(duì)某一兩種轉(zhuǎn)運(yùn)體蛋白進(jìn)行功能分析。相信在這兩個(gè)領(lǐng)域中出現(xiàn)的新技術(shù)新方法將會(huì)有助于人們對(duì)于細(xì)胞內(nèi)運(yùn)輸?shù)恼J(rèn)識(shí)與了解, 并在此基礎(chǔ)上提出這一過(guò)程紊亂所引發(fā)疾病的治療方案。
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