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系列综述——微管生长动力学及其数值模拟 Day 12

上接Day 11
本系列章节、图表、引文均连续编号。

4. 总结

微管蛋白是一种GTP酶,这意味着微管本身即可视作一类分子机器,能量转换是微管的本质属性,力与化学是微管的两大要素。微管的加、解聚行为是其存在和运作的基础。正是依赖于自身的动态特性,微管以其简单的结构完成了自我组装和自我调节的复杂过程,实现了对外部环境的高度响应,在细胞中肩负起一系列精细复杂的职责。对微管生长动力学的研究下连微管的基本组成和结构、上启微管与外部环境的错综交联。揭示微管在力、化学作用下的形核与生长方式,以及伴随始终的能量积聚、转换和释放过程,对了解微管乃至细胞的机制具有本质的意义。

化学因素对微管生长的重要性广受重视。生物实验学家们对蛋白、离子、溶液环境等对微管的影响和影响方式做了大量细致的研究,实验手段也与日具新。力学因素其实在一些文献中也早有提及。Chrétien就曾推测,微管形核所需要的蛋白数应是保证它们能形成弯曲蛋白片并翻转成管的最少值,而片的特征尺寸由其力学性质决定;并且微管壁的力学稳定性对微管的稳定性意义重大 (147);Mahadevan曾明确指出:微管端部片状结构翻转后闭合为管的行为能用在两个方向曲率间转换的双稳过程描写 (226)。“构型加帽”模型的提出基本揭示了力学因素对于微管的生长和稳定可能具有独立的、关键的意义。但是迄今,还没有一个理论模型能对微管在生长中的变形和能量作出时空上的综合描述,对生物学家津津乐道的种种生长与稳定的可能机制缺乏证实或证伪;对力-化学的耦合的处理更是远远未达令人信服的程度。

微管研究中各尺度上的衔接也一直含混不清。实验研究者设计微管的受力变形方式,测得分子尺度上的力和变形量,但最终获得力学参数却是依赖于宏观的经典力学公式;连续介质模型的研究者则借用实验中确定的力学参数,在连续介质力学的框架下,试图重现微管的实验现象。这多少有循环论证的嫌疑,对于揭示微管的本质特征意义不大。为了获得高分辨的微管力学性质,不少模型研究者也采用“自下而上”的研究方法,运用计算机模拟手段在分子尺度上对单体的力学性质进行研究。但是分子模拟可以处理的规模过小,目前的计算机能力下只能获得亚基水平的信息;多尺度的模拟手段也尚不成熟,在单体的性质和微管整体的性质间一直未能建立有效的关联。

总体上讲,相对于实验研究的飞速发展,微管的模型研究还比较滞后,亟待一个能够阐释实验现象、验证实验假说、并作出一定预测的微管模型。目前看来,建立在单体或亚基尺度上的模型尚属合适,不仅能够搭建起微管的全貌,也方便考虑各类力、化学因素及处理它们的耦合。这一尺度也恰是目前实验研究可及的分辨率,能使模型与实验保持同步。

参考文献:

(147) Chretien, D., Janosi, I., Taveau, J. C., and Flyvbjerg, H. (1999) Microtubule’s conformational cap, Cell Structure and Function 24, 299-303.
(226) Mahadevan, L., and Mitchison, T. J. (2005) Cell biology - Powerful curves, Nature 435, 895-897.

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