湯浩 石麗娟 于利 曹宇

1.3.3毛細(xì)胞纖毛束的偏離啟動(dòng)了機(jī)械-電的轉(zhuǎn)導(dǎo) 在圖2中已表明，纖毛束向右側(cè)偏移時(shí)，是一種正向的刺激,能夠使毛細(xì)胞去極化；而向相反方向運(yùn)動(dòng)時(shí)則會(huì)引發(fā)毛細(xì)胞的超極化。圖5a是一個(gè)記錄電極插入到細(xì)毛細(xì)胞胞質(zhì)中的模式圖[3,8]。將一個(gè)機(jī)械刺激作用于毛細(xì)胞的纖毛束，就可以誘導(dǎo)出一個(gè)電反應(yīng)，即產(chǎn)生感受器電位(圖5b，c)。這一電位是由機(jī)械敏感性離子通道控制的。在體外實(shí)驗(yàn)觀(guān)察到，當(dāng)附著在一束纖毛頂部的探針使其偏轉(zhuǎn)時(shí)，毛細(xì)胞對(duì)此的反應(yīng)取決于所受刺激的方向和大小(圖5b，c)，在未受刺激的細(xì)胞中接近15%的轉(zhuǎn)導(dǎo)通道是開(kāi)放的，因此，毛細(xì)胞的靜息電位大約是-60 mV，部分是由內(nèi)流的轉(zhuǎn)導(dǎo)電流決定的。一個(gè)使纖毛向傾斜的較高側(cè)緣(動(dòng)毛側(cè))偏轉(zhuǎn)的正性刺激可以使其余的通道打開(kāi)，結(jié)果正離子的內(nèi)流使得細(xì)胞去極化，去極化的程度大約是10 mV。相反，一個(gè)使纖毛向較低緣偏移的負(fù)性刺激則可以關(guān)閉這些在靜息時(shí)開(kāi)放的轉(zhuǎn)導(dǎo)通道，使細(xì)胞超極化(圖5b，c)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，毛細(xì)胞只對(duì)在形態(tài)上與纖毛的軸平行的刺激成分產(chǎn)生反應(yīng)，因而一個(gè)傾斜的刺激引起一個(gè)與其軸的矢量突起成比例的反應(yīng)。

圖5毛細(xì)胞的機(jī)械敏感性檢測(cè)
a.一個(gè)記錄電極插入到細(xì)毛細(xì)胞胞質(zhì)中的模式圖
b.對(duì)纖毛束施加一個(gè)機(jī)械力使這個(gè)彈性結(jié)構(gòu)發(fā)生偏移
c.當(dāng)一個(gè)纖毛束的頂端在刺激電極作用下往復(fù)偏移時(shí)，機(jī)械敏感性通道開(kāi)放和關(guān)閉，從而產(chǎn)生一個(gè)振蕩的感受器電位
d.一個(gè)受刺激的毛細(xì)胞，以感受器電位作為縱坐標(biāo)，纖毛束的偏移作為橫坐標(biāo)，二者表現(xiàn)出 “S”形曲線(xiàn)的關(guān)系。

一個(gè)毛細(xì)胞的感受器電位是分等級(jí)的，隨著刺激振幅的增大感受器電位也隨之逐漸增大，直至飽和時(shí)的最大值。纖毛束的偏移與它產(chǎn)生的電反應(yīng)之間呈S形關(guān)系(圖5d)。與毛細(xì)胞對(duì)微小刺激的敏感度相一致，100 mV的移位可以表現(xiàn)出90%的反應(yīng)范圍。在正常刺激的情況下，纖毛束的偏移在±1°或更大一點(diǎn)的范圍內(nèi)，也就是說(shuō)小于一個(gè)立體纖毛的直徑。毛細(xì)胞非常敏感，因此，聽(tīng)覺(jué)和前庭感受器的反應(yīng)閾很可能是布朗運(yùn)動(dòng)確定的。在體外觀(guān)察時(shí)，一束纖毛可以做約3 nm的布朗運(yùn)動(dòng)，即聽(tīng)力的閾值同纖毛束的偏離(約為±0.3 nm)有關(guān)。但由于聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)要平均地對(duì)幾個(gè)周波做出反應(yīng)而改善它的信噪比，這一數(shù)量的刺激可引起大約100 μV的動(dòng)作電位。

毛細(xì)胞的機(jī)械電轉(zhuǎn)導(dǎo)通道是相對(duì)的無(wú)選擇性，并且陽(yáng)離子通過(guò)孔有接近100 pS的電導(dǎo)系數(shù)。因?yàn)樾〉挠袡C(jī)正離子支持可測(cè)量的電流，轉(zhuǎn)導(dǎo)通道孔徑至少為0.7 nm，大多數(shù)的轉(zhuǎn)導(dǎo)電流是由K+運(yùn)送的。K+是浸潤(rùn)著纖毛束的內(nèi)淋巴中濃度最高的正離子，這些通道的不敏感性使得它們?nèi)菀妆话被擒疹?lèi)的抗生素阻滯，例如鏈霉素、慶大霉素和托普霉素，在被大量用于抗感染時(shí)，這些藥物對(duì)毛細(xì)胞容易產(chǎn)生耳毒性作用；大量的形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)證明，這些抗生素破壞了毛細(xì)胞的纖毛束甚至殺死毛細(xì)胞。有一種學(xué)說(shuō)認(rèn)為，這些藥物可以通過(guò)轉(zhuǎn)導(dǎo)通道低速潛入細(xì)胞內(nèi)并且通過(guò)干涉線(xiàn)粒體中的核糖體(同原核生物的核糖相似)上的蛋白合成而轉(zhuǎn)為長(zhǎng)期的毒性作用。與這一假說(shuō)相一致的是，人類(lèi)對(duì)氨基糖苷類(lèi)的敏感性是作為線(xiàn)粒體的特性遺傳而來(lái)的。

聲音分析和單通道記錄表明，每個(gè)毛細(xì)胞只有約100個(gè)轉(zhuǎn)導(dǎo)通道。因?yàn)樵诶w毛束中有相當(dāng)數(shù)量的立體纖毛，而且感受器電位粗略地同顯微解剖術(shù)上保留的立體纖毛的數(shù)量成比例，所以每個(gè)立體纖毛上可能都有一個(gè)或幾個(gè)活性轉(zhuǎn)導(dǎo)通道。毛細(xì)胞上機(jī)械電轉(zhuǎn)導(dǎo)通道的不足以及用于修飾它們的高親和力配體的缺乏，很可能是這些通道的生化性質(zhì)至今仍未被描述出來(lái)的重要原因。

1.3.4門(mén)控彈簧學(xué)說(shuō)——機(jī)械-電轉(zhuǎn)導(dǎo)的離子門(mén)控機(jī)制毛細(xì)胞纖毛束的偏離啟動(dòng)了機(jī)械-電的轉(zhuǎn)導(dǎo)，提示機(jī)械力直接控制轉(zhuǎn)導(dǎo)通道的開(kāi)啟與關(guān)閉。換言之，機(jī)械-電轉(zhuǎn)導(dǎo)的通道是受纖毛束的彈性結(jié)構(gòu)調(diào)控的門(mén)控式通道[3,7～9]。由此可見(jiàn)，毛細(xì)胞中的機(jī)械電轉(zhuǎn)導(dǎo)所包括的離子門(mén)控機(jī)制，是完全不同于神經(jīng)、肌肉等細(xì)胞的跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)方式，例如動(dòng)作電位突觸后電位的電信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的離子門(mén)控機(jī)制是由化學(xué)信號(hào)調(diào)控的。毛細(xì)胞的通道是受機(jī)械張力影響的，而不是對(duì)膜電位的反應(yīng)或與配子結(jié)合。

有證據(jù)表明，轉(zhuǎn)導(dǎo)通道的開(kāi)閉是受纖毛束中的彈性結(jié)構(gòu)的張力調(diào)節(jié)的。首先，測(cè)量與機(jī)械電轉(zhuǎn)導(dǎo)有關(guān)的纖毛束的硬度成分是可能的。一束纖毛在沿著其形態(tài)學(xué)對(duì)稱(chēng)的軸上比其在直角時(shí)更堅(jiān)硬，因此具有機(jī)械敏感性。有人將一部分用于使纖毛束偏移的力作用稱(chēng)為門(mén)控彈簧(gating spring)，觀(guān)察表明，在這個(gè)彈性結(jié)構(gòu)上具有控制著轉(zhuǎn)導(dǎo)通道的分子門(mén)控系統(tǒng)(圖6)。由于門(mén)控彈簧多半分布于纖毛束的堅(jiān)硬部分，因此，當(dāng)纖毛束偏離時(shí)，轉(zhuǎn)導(dǎo)通道可以高效地捕獲所供給的能量。另外，纖毛束的硬度在通道門(mén)控系統(tǒng)的作用過(guò)程中減小，這一現(xiàn)象認(rèn)為是直接通過(guò)纖毛束與通道之間的機(jī)械連接控制的。

圖6毛細(xì)胞的機(jī)械-電轉(zhuǎn)導(dǎo)離子門(mén)控機(jī)制的模型
a.上圖：毛細(xì)胞上參與機(jī)械-電轉(zhuǎn)導(dǎo)作用的離子通道是門(mén)控式通道,受纖毛束的彈性結(jié)構(gòu)調(diào)控。這個(gè)通道可能是一個(gè)跨膜蛋白，具有陽(yáng)離子選擇性孔道。經(jīng)過(guò)這個(gè)通道的離子通透可被一個(gè)分子門(mén)所調(diào)控，而這個(gè)分子門(mén)的開(kāi)放和關(guān)閉又受到一種彈性成分-門(mén)控彈簧的調(diào)節(jié)，門(mén)控彈簧能夠感受纖毛束的偏移(引自Howard等，1988)
下圖：當(dāng)纖毛束處于靜息狀態(tài)時(shí),每個(gè)轉(zhuǎn)導(dǎo)通道也在關(guān)閉和開(kāi)放兩種狀態(tài)間交替，而大多數(shù)時(shí)間是關(guān)閉的(左圖)。當(dāng)纖毛束向正向偏移時(shí),增加了門(mén)控彈簧的張力(中間圖)，此門(mén)控彈簧被認(rèn)為是一種尖端連接，連接著每個(gè)通道的分子門(mén)，增加的張力促使通道的開(kāi)放，正離子流入，因而產(chǎn)生了一個(gè)去極化的感受器電位(右圖)(引自Hudspeth,1989)
b.在纖毛束的頂端表面的掃描電鏡圖(左圖)以及透射電鏡圖(右圖)中，可見(jiàn)連接靜纖毛頂端和相鄰的較長(zhǎng)的靜纖毛側(cè)壁的連接，稱(chēng)頂端連接。盡管每個(gè)頂端連接直徑僅有3 nm，在左側(cè)的圖解中，這些頂端連接顯得格外堅(jiān)固，是由于樣本處理過(guò)程中進(jìn)行金屬包被的原因 (引自Assad，1991)

另一方面的證據(jù)是，機(jī)械-電轉(zhuǎn)導(dǎo)中利用的通道是由門(mén)控彈簧直接控制的，這一控制速度同毛細(xì)胞的反應(yīng)一樣的迅速，即反應(yīng)的潛伏期很短，只有幾微秒。因此，這種不借助第二信使的門(mén)控系統(tǒng)更像是直接控制而非間接控制。毛細(xì)胞對(duì)于一系列不斷變大的階梯式的刺激的反應(yīng)并不只是逐步地增大，而是快速地上升。這一現(xiàn)象支持了動(dòng)力學(xué)的一種理論，即機(jī)械力控制著通道門(mén)控的速度恒量。如果來(lái)自于刺激的機(jī)械能被儲(chǔ)存在一個(gè)與通道門(mén)相連的彈簧上，那么通道開(kāi)啟和關(guān)閉的速度取決于彈簧的能量含量與用于開(kāi)閉通道的過(guò)渡態(tài)能量的差值。

已有人通過(guò)三種實(shí)驗(yàn)技術(shù)證明，機(jī)械-電轉(zhuǎn)導(dǎo)的位置是在立體纖毛的頂部[3,9,10]。第一，通過(guò)測(cè)量一個(gè)受刺激的纖毛束周?chē)陌怆妱?shì)的微小變化而推斷出陽(yáng)離子內(nèi)流進(jìn)入毛細(xì)胞的區(qū)域，即電壓信號(hào)在纖毛束的頂部最強(qiáng)；正離子內(nèi)流轉(zhuǎn)導(dǎo)通道會(huì)聚于立體纖毛頂部附近。第二，可以阻斷這些通道的氨基糖苷類(lèi)抗生素在纖毛束的頂部可發(fā)揮出最大的作用。第三，Ca2+敏感性熒光指示劑能夠標(biāo)識(shí)出Ca2+在接近偏離的纖毛束頂部的地方進(jìn)入。轉(zhuǎn)導(dǎo)電流在改變毛細(xì)胞膜電位之前沿著軸方向流動(dòng)到立體纖毛，這樣就影響了突觸遞質(zhì)的釋放速度。盡管立體纖毛非常的狹窄，但是它也很短，所以它們的電纜特性不會(huì)對(duì)電信號(hào)產(chǎn)生較大的削弱作用。

門(mén)控彈簧已經(jīng)被認(rèn)為是一種頂端連接，即一種兩個(gè)立體纖毛間的絲狀的連接(圖6b)。每個(gè)頂端連接都是精細(xì)的纖維，它可能是以?xún)A斜的方式連接著立體纖毛的頂端和鄰近的較長(zhǎng)纖毛的側(cè)壁的最長(zhǎng)的突起的一對(duì)分子鏈。人們認(rèn)為每個(gè)連接在其一端或兩端都與一個(gè)或幾個(gè)轉(zhuǎn)導(dǎo)通道的分子門(mén)相粘附。在這樣的排列之下，在正方向上推動(dòng)一束纖毛可以拉長(zhǎng)頂端連接并且促進(jìn)通道打開(kāi)；一個(gè)相反方向的刺激可以松弛頂端連接并且允許相關(guān)的通道關(guān)閉(圖6a)。有三方面證據(jù)表明頂端連接是門(mén)控彈簧[3]：首先，連接普遍地存在于纖毛束中，在纖毛束中它們分布在由生物物理實(shí)驗(yàn)中推斷出來(lái)的轉(zhuǎn)導(dǎo)位置；其次，當(dāng)頂端連接通過(guò)將毛細(xì)胞暴露在Ca2+螯合劑中而被破壞時(shí)，轉(zhuǎn)導(dǎo)也隨之消失；最后，頂端連接的方向同矢量轉(zhuǎn)導(dǎo)的敏感性方向一致。圖6b中可見(jiàn)，在靜息狀態(tài)，頂端連接以?xún)A斜的方式連接著立體纖毛的遠(yuǎn)端和鄰近纖毛，而且以這種方式長(zhǎng)度不變地聯(lián)系著立體纖毛并形成鏡面對(duì)稱(chēng)的纖毛束平面。當(dāng)一個(gè)直角的作用對(duì)纖毛束形成鏡面對(duì)稱(chēng)刺激時(shí)，幾乎無(wú)法從毛細(xì)胞引出反應(yīng)，原因在于這種刺激不會(huì)改變頂端連接的長(zhǎng)度，即不會(huì)使纖毛束產(chǎn)生偏移。只有來(lái)自正向或反向推動(dòng)作用才能拉長(zhǎng)或縮短(緊張或松弛)頂端連接，頂端連接被拉長(zhǎng)時(shí)，促進(jìn)通道打開(kāi)并引起毛細(xì)胞去極化反應(yīng)，反向刺激使頂端連接松弛，轉(zhuǎn)導(dǎo)通道關(guān)閉，引起毛細(xì)胞超極化。因此，這種直接的機(jī)械-電轉(zhuǎn)導(dǎo)的離子門(mén)控機(jī)制是毛細(xì)胞反應(yīng)迅速的關(guān)鍵所在。