作为一个“生命”的基本单位,“细胞”已经更多地具有了“系统”和“代谢”的特征,即组成系统的各部门之间“顺畅”的“信息”、“物质”和“能”的传递和交换。特别是“信息”,“信息”是一种“信号”,一种“生命独有的语言,”承载了一种“指令”,需要“应答”。
据我的了解一个细胞所具有的“能荷(Energycharge)”是一个细胞“生命力”的体征,更是一种“信息”的工具。首先,细胞内的能荷水平由细胞内与能量分子“ATP”代谢过程所呈现的三种分子形式的摩尔浓度决定,计算公式决定如下:
细胞内能荷大多数在0.7到0.95众所周知,ATP是生命的主要能量分子。ATP分子里Gamma位的磷酸酯键是“高能键”,携带有~7.3卡/摩尔的能量(吉布斯自由能-7.3cal/mol),这个"磷酸基"被生命用作了能量载体和信号工具。
细胞内能量存储方式一个公认的事实是,生命运动需要充足的能量。如果细胞内ATP合成暂时不足以满足“能荷”(0.7~0.95)的要求,那么细胞就开始“算数”,通过“减少分母中的AMP的分子数(,而不是减少参与直接作为ATP合成前体的ADP)提高能荷水平。此时,AMP可以通过两条不同的途径被转化为“次黄嘌呤”和“核糖-5P”,然后次黄嘌被不可逆的氧化为尿酸。
(通过降低总{ATP+ADP+AMP}浓度来缓冲腺苷酸能荷)
除上述“极端”情况外,正常生活的细胞的能荷水平可以成为细胞代谢的“目的”,通过不需氧的“糖酵解”(Glycolysis),耗氧的“三羧酸循环(TCAcycle)”以及“氧化磷酸化电子传递”和植物细胞的“光合作用”等“获取”ATP分子。而这些ATP分子作为“生命货币”(lifescurrency)广泛用于生命细胞的“能量”和“信号”分子。
一、燃烧ATP的生物引擎(engine)
AAA+引擎,是迄今已知的一种可以把细胞内“化学能”转化成“机械能”,从而“做功”的引擎。
AAA+(ATPassociatedmultipleactivity,AAA+)本质上是一个与多种细胞活性相关的ATP酶(ATPase),属于一个蛋白质家族。其中约个氨基酸残基的共同保守模块为这个家族的标志性特征,如下图。
AAA+家族的保守模块AAA+家族是一个大型、功能多样的蛋白质家族,属于环状(ringshaped)P环(ploop)NTPase的AAA+蛋白质超家族,通过大分子的能量依赖性重塑或易位发挥其活性。在这个过程中,AAA蛋白将ATP水解提供的化学能与“分子构象变化”耦合,最终使分子构象变化转化为施加在大分子底物上的机械力。(待续)
二、作为生命“信号”-细胞内的“幽王烽火戏诸侯”
细胞内的“信号”及传导方式之一是发生在参与信号传递的蛋白分子上的氨基酸残基中“羟基”的“磷酸化”和“去磷酸化”,这些含羟基的氨基酸有“丝氨酸”、“酪氨酸”、“苏氨酸”,其中,丝氨酸、苏氨酸更常被用于接受ATPgamma磷酸化修饰,情同“点火”。这种“点火”发生在少数分子上可以视为一种“指令”,如发生在细胞周期S期CDK(细胞周期依赖的蛋白激酶CellCycleDependentKinase,CDK)对DNA复制解旋酶MCM2-7的磷酸化修饰就被称为“firing”(指令枪),只有接到这个指令的MCM2-7才具有“解旋酶”活性,开始DNA复制;而这种修饰发生在“诸多”分子上,如DNA双链断裂部位的组蛋白H2AX上,这完全不是一种“指令”,而成了一种“危机”信号了(因为这是一种被称为ATM的专职信号激酶“点燃”的“烽火”),类似的情形也会发生在处于“危机”中的DNA复制叉前后的H2AX组蛋白变体上。
双链断裂部位的H2AX围绕危机中的复制叉的信号传导本来设计为分担超螺旋“缠绕”的支架蛋白组蛋白H2A含有诸多的非等位基因变体。因此,“组蛋白H2A”这个称呼是刻意被非特异性使用的,它包含了一组密切相关的蛋白质H2A组蛋白,除“正宗”(标准)的H2A之外,还常见不同分化类型细胞内的H2A.1、H2A.2、H2A.X及H2A.Z等变体。和正宗(标准)H2A组蛋白比较,这些变体H2A组蛋白通常仅有几个氨基酸残基的变化。
H2A变体常见于已分化细胞中,并随着细胞分化而出现。最清楚的是在神经元细胞的分化过程中观察到的H2A.Z。在神经分化中,H2A.Z是一种替换H2A的变体,H2.Z是与常规H2A核心蛋白交换有助于特定基因的沉默化处理。
H2A变体替换核心组蛋白中标准的H2A组蛋白之后会使得核小体的表面积有些许的变化,使之有别于含有组蛋白与H2A的核心组蛋白。最近的研究表明,H2AZ变体的替换需要“核小体重塑”,包括利用Swr1(一种Swi2/Snf2相关的腺苷三磷酸酶)的帮助使变体与核心组蛋白中的标准组蛋白H2A发生替换。
上面述及的H2A.X在DNA损伤修复过程中的“信号”引导作用已经比较透彻,H2AX组蛋白变体的C末端有较长的无序延伸(有别于其他组蛋白N端无序延伸)。该变体具有用于DNA修复的C末端延伸。该变体通常引导修复采用非同源端连接。利用电离辐射进行的实验表明,H2AX的γ-磷酸化与DNA双链断裂密切有关。在每个DNA双链断裂都涉及大量染色质;对DNA损伤的反应是形成γ-H2AX。
此外,发现女性细胞内处于非活性状态(“巴氏小体”的X染色体的核心组蛋白八聚体内含有macro-H2A变体,这个变体由H2AFY基因编码。与标准的组蛋白H2A相比,macroH2A变体的C末端尾部增加了一个折叠结构域。