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Science:細胞如何對抗饑餓

日期:2012-02-27 08:27:00

糖,膽固醇,磷酸鹽,鋅——一個健康的個體令人驚訝的能將這么多種營養元素保存在合適的水平,從工程學的觀點來看,細胞表面應該有一個具有萬能功能的泵,用以保持這些營養的均衡:當一種營養成分,比如糖的濃度,在細胞內水平下降了,那么這個泵就應該能是泵入機制,只到糖的濃度恢復正常。

 

但是奇怪的是,細胞采用了兩種類型的泵,一種在良好狀態下激活,當特殊的營養物質在細胞內是充足的時候,另外一種則是在惡劣的情況下激活,這種情況下營養元素是缺乏的。那么為什么細胞需要這種雙重機制呢?

 

來自Weizmann研究所的研究人員發現細胞在氧的參與下,通過酶的催化作用將糖類等有機物徹底氧化分解,產生二氧化碳和水,同時釋放出大量能量。細胞內的能量物質轉換發生在線粒體中,因此線粒體是為細胞提供能量的“動力工廠”。其氧化過程由線粒體內膜上的4個呼吸鏈膜蛋白復合物。

 

線粒體把外部吸收來的以營養形式存儲的能量在細胞內轉換為普遍的能量來源三磷酸腺苷。ATP在線粒體中的生產要經歷多個步驟,主要步驟為氫氣氧化為水的爆鳴氣反應。在實驗室中人們可以讓氫氣和氧氣相互反應,使存儲在原料中的能量以熱的形式釋放出來,而在生物氧通過呼吸鏈蛋白復合物膜時,能量受到控制,被釋放在小包中。這些能量像在燃料電池中那樣被轉化為最終用于合成ATP的電子膜電位,人體內線粒體的表面積總計約1.4萬平方米,每天大約可以生成65公斤的ATP

 

膜蛋白復合物I的新結構模型解釋了其工作原理的重要和意想不到的信息。一個不是由已知分子形式的蛋白組成的“傳輸導桿”通過納米尺度的機械耦合完成了蛋白復合物內部的能量傳輸,可像蒸汽火車的車輪連桿一樣進行力的傳遞。線粒體呼吸鏈的結構生物學研究對于徹底了解細胞內電子傳遞和能量轉化的機理至關重要。

 

除此之外,來自清華大學的研究人員發現成年小鼠母體中一種被稱為Cidea基因的缺失,會導致其分泌乳汁中的脂類含量明顯下降,嚴重影響子代小鼠存活。

 

乳腺細胞中的脂肪合成后,最初是儲存于細胞內的脂滴中,這些脂滴通過XOR等多個蛋白的介導,從細胞中分泌進入乳汁。這就像一粒粒粘在黏膜上的珍珠,要把它們摘下來,就需要一只靈巧的‘手’(XOR),而Cidea基因就充當了‘推手’的角色來調節XOR的表達水平。沒有了Cidea就沒有了這只手,脂肪便只能留在細胞內,無法分泌到乳汁中,造成乳汁‘營養不良’。

 

通過一系列分子生物學和細胞生物學研究,研究人員發現Cidea可作為轉錄調控的輔助因子調節XOR及其他多個基因的表達和乳汁脂肪的分泌。這為此后關于新生兒健康存活及營養干預等領域的研究奠定了理論基礎。

 


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