細胞是執(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, 而且還通過受控的跨膜物質(zhì)運輸與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)而發(fā)揮交通樞紐的功能, 實現(xiàn)了膜內(nèi)外物質(zhì)與信息交換的精細調(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所. 細胞內(nèi)膜系統(tǒng)的物質(zhì)運輸是一個高度受控的復(fù)雜物流網(wǎng)絡(luò), 所運輸?shù)牡孜锖w了無機小分子、有機小分子和生物大分子等眾多物質(zhì), 其運輸效率和調(diào)節(jié)機制與細胞發(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, 目前對于細胞內(nèi)膜運輸系統(tǒng)的研究與了解只是冰山一角. 近期來自*上海生命科學(xué)研究院生物化學(xué)與細胞生物學(xué)研究所的研究人員就細胞內(nèi)各膜系統(tǒng)間發(fā)生運輸和交換的信號分子、營養(yǎng)物質(zhì)及生物大分子的研究進展做了綜述, 并且期待在細胞內(nèi)膜系統(tǒng)研究上新技術(shù)新方法的發(fā)現(xiàn)。
細胞是執(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胞構(gòu)成的。細胞在本質(zhì)上是由磷脂膜包被的一團大分子溶液, 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), 其不僅將細胞內(nèi)物質(zhì)與細胞外環(huán)境相隔離, 而且還在細胞內(nèi)通過折疊-彎曲-融合形成多種亞細胞結(jié)構(gòu),例如細胞核和其他多種細胞器, 這些不同位置的磷脂膜在一起構(gòu)成了細胞的膜系統(tǒng). 由于細胞的膜系統(tǒng)是一個疏水性較強的結(jié)構(gòu), 因此對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)進行的該類物質(zhì)交換幾乎可以忽略不計. 在這種情況下,由跨膜蛋白質(zhì)所實施的分子輸送對于合理地將各種維持生命活動必須的物質(zhì)分配至各自的目的地起到了至關(guān)重要的作用。
*以來負責(zé)細胞內(nèi)外物質(zhì)與信息交換的跨細胞膜分子過程受到了較多關(guān)注, 大量的跨細胞膜過程的結(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)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程、鉀離子通道的導(dǎo)電原理、葡萄糖轉(zhuǎn)運體的轉(zhuǎn)運機制, 等等. 與之成對比的是, 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, 細胞內(nèi)的各種跨膜過程研究目前進展較為緩慢, 對于細胞器內(nèi)外和細胞器之間物質(zhì)與信息交換的具體分子機理的了解剛剛起步。
細胞內(nèi)膜系統(tǒng)的物質(zhì)運輸是處于一個高度受控的復(fù)雜物流網(wǎng)絡(luò)之中的重要生理過程, 這一過程的流暢運轉(zhuǎn)是細胞各項功能正常行使的前提. 然而, 由于當前存在的技術(shù)障礙, 人們對細胞內(nèi)膜系統(tǒng)物質(zhì)運輸認識相對匱乏, 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, 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胞膜上的跨膜蛋白質(zhì)研究, 對于輔助細胞內(nèi)膜系統(tǒng)轉(zhuǎn)運的蛋白質(zhì)的研究由于表達、純化和結(jié)構(gòu)分析的困難而進展緩慢;
(ⅱ) 針對細胞內(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, 在無法準確獲知各細胞器內(nèi)的轉(zhuǎn)運底物(例如, 葡萄糖、檸檬酸等)的濃度并對其進行實時跟蹤的情況下，很難系統(tǒng)地完成細胞內(nèi)膜運輸系統(tǒng)的功能圖譜, 目前所能做的只能是針對某一兩種轉(zhuǎn)運體蛋白進行功能分析。相信在這兩個領(lǐng)域中出現(xiàn)的新技術(shù)新方法將會有助于人們對于細胞內(nèi)運輸?shù)恼J識與了解, 并在此基礎(chǔ)上提出這一過程紊亂所引發(fā)疾病的治療方案。
