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1、论坛活细胞大分子的定位和定量问题陈宜张第二军医大学神经科学研究所,上海200433E-mail:chenyizhang1927@163.com2013-04-15收稿,2013-05-20接受国家自然科学基金重大项目(3049173)资助摘要细胞的极性,以脂筏与胞膜窖(caveolae)为特征的细胞质膜的非匀质性;细胞质膜上受体的不均匀分布;细胞内信号转导系统分子的“区隔化”和分子间的“牵拽”作用;细胞内各种区隔(compartment)、微域(microdomain)的存在;以及细胞骨架分子的结合蛋白和缔合蛋白的作用等事实
2、,都表明了细胞结构及功能的非均一性.这些事实也强力地提示,细胞内的蛋白大分子组构成为有效的分子机器,是当它们处于一定位置和具备一定浓度(量)的条件下发生相互作用的.所以,蛋白大分子的定位和定量问题是细胞生物学的一个基本问题.当细胞主要大分子在一定时间范围内的定位和定量问题得到基本阐明以后,融入单分子研究的材料,人们将可以在更精确的水平上描述细胞的功能活动,这应当称之为精确细胞生物学(precisioncellbiology).但是,直观地演示蛋白大分子之间的定位关系,确切地测定它们的微局域浓度,并非易事,这主要是受到了技术条
3、件的限制.近年发展起来的超分辨荧光显微镜、冷冻高压电子显微镜等新技术,极大地有利于这方面的研究,但仍远不能满足需要,还需要继续发展.关键词大分子活细胞定位定量精确细胞生物学2871论坛细胞生物学是所有生命科学的重要基础和支柱,因为任何生物体的活动,究其基础,乃是细胞的活动,细胞间隙(细胞外)的许多分子也是细胞产生的.细胞活动,本质上是一些化学反应.细胞当然也有机械的变形,电位的产生、发光和发热等过程,但就其终极的能量来源而言,它们仍然是化学反应的产品和副产品.细胞内许多化学反应的参与者,有大分子,也有小分子,本文讨论的是细胞
4、内的蛋白大分子;当然,核酸也是大分子.1问题的提出细胞内大分子之间的化学反应能否发生,发生的强度如何,从经典(牛顿)力学的范畴来看,取决于参与化学反应分子的存在位置(localization)、局域浓度以及存在的时间.如果不考虑时间因素,假定有关的分子是可以同时存在的,那么细胞内大分子活动最重要的参数,就是它们存在于什么局域(domain)(定位问题),以及以多大的浓度存在(定量问题).试设想一下,细胞内有生物学意义的化学反应,会在什么情况下发生?一种可能是分子的2871论坛浓度非常高,如线粒体内的酶,文献早有报道,在那里分
5、子几乎达到过饱和的程度,这种条件下的化学反应是一种极端的形式,但可能并不罕见.另一种可能是,化学反应随机地发生在溶解于胞浆内或核浆内溶液中的分子之间.胞浆内大分子的浓度一般很低,发生反应的几率一定也很低(但不是没有可能).试作分析,便可以看出上述问题的重要性.取1fl(1μm×1μm×1μm)的细胞区隔(compartment),在一定浓度下,这样一个小体积中的分子数量有多少?当分子浓度为1µmol/L时,fl体积里面含有的分子数目是600多个;如果为10−9mol/L(nmol/L),则1fl所含的分子数为0.6个,这意味
6、着在这个体积里面,有时有1个分子,有时还不到1个分子.在1μL边长1μm的长度上,可以排列100个直径为10nm的分子.两个直径为10nm的分子,其浓度均为10−9mol/L,它们互相碰撞的机会如何?可以作一个比喻,设想在一个空间内两个篮球相碰撞的几率,如篮球直径为7英寸(17.78cm),100个篮球按直径对准排列起来,其长度为17.78m;所以,上述命题相当于直径为17.78cm的两个篮球,在17.78m×17.78m×17.78m的大空间内碰撞的机会,可见其碰撞几率很低.活细胞检测到的蛋白浓度,往往是超微量或痕量的.显
7、然,在这种条件下,化学反应很难组构成为有生物学意义的反应,有时它可能仅为细胞提供噪音和背景而已.第3种形式可能是最具有生物学意义的,分子的分布具有一定的局域特异性,即具有较高的局域浓度,分子主要在一定范围内互相反应,这类反应可能正是我们正在努力、试图弄清其发生条件的那些大分子间的反应.但是,恰恰就在这方面,当前的细胞生物学研究存在重大不足.因此,这是当前细胞生物学领域的一个重大问题,这也就是我们为什么提出细胞内大分子定位和定量问题的出发点.大分子定位和定量问题如此重要,却与当前实际掌握的关于蛋白大分子的定位、定量知识的现实并
8、不相称,我们的知识还很单薄.许多数据往往是用人工方法把数以万计的细胞裂解,破坏了细胞完整性而得,所谓浓度是裂解物(lysale)的浓度;亚细胞定位信息丧失殆尽;定量数据也仅是一个平均数而已.2现有细胞生物学资料举例和给予的启发细胞构造的异质性、细胞内分子微域(micro-domain)的存
