細胞內滲透壓調節不太可能依賴巨分子凝聚

核心概念

細胞膜的高滲透性會壓倒任何由巨分子凝聚提供的滲透壓緩衝能力。

摘要

本文探討了Watson等人提出的細胞內滲透壓調節機制假說,即細胞內巨分子的可逆性凝聚可以緩衝細胞質滲透壓的變化。作者指出,這一假說與已知的細胞膜高滲透性水通透性相矛盾。
作者首先介紹了Watson等人的研究發現,即細胞遭受滲透壓變化時會引起細胞內凝聚體的變化。然而,作者指出,這並不能直接證明巨分子凝聚可以緩衝細胞質滲透壓的變化。
作者隨後建立了一個模型細胞,結合已知的細胞膜水通透性參數,模擬了細胞遭受滲透壓變化時的反應。結果顯示,即使假設巨分子凝聚體佔細胞體積的10%,其緩衝作用也只能維持約1分鐘,之後細胞質滲透壓就會完全跟隨外部滲透壓變化。
作者進一步探討了兩種可能的機制,即細胞主動運輸水或細胞膜產生足夠高的張力,但都無法有效維持細胞質滲透壓高於外部滲透壓。
最後,作者指出,Watson等人的假說忽略了細胞膜作為水通透的主要通道,這與細胞生理學的基本原理不符。作者認為,Watson等人的實驗並未直接證實其假說,而理論分析表明巨分子凝聚很難成為細胞質滲透壓的主要緩衝機制。

統計資料

細胞膜的滲透水通透係數 Pf 一般在 8.3 × 10-3 至 1.6 × 10-3 cm/s 之間,人紅血球含有水通道蛋白的 Pf 約為 2 × 10-2 cm/s。
在模擬中,即使假設 Pf 為典型值的 1/10,巨分子凝聚也只能緩衝滲透壓變化約 50 秒。

引述

"Given the essential roles, high abundance and very large number of different IDR (intrinsically disordered regions)-containing proteins in cells it is impossible to formally prove that rapid changes in the global level of biomolecular condensates enable cells to accommodate acute physiological fluctuations in temperature, osmolality and, presumably, hydrostatic pressure."
"… that biomolecular condensation is the primary buffer of intracellular water potential"

從以下內容提煉的關鍵洞見

Macromolecular condensation is unlikely to buffer intracellular osmolality

by Kay,A. R. 於 www.biorxiv.org 05-27-2024

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.05.24.592450v1

深入探究

如果細胞膜的水通透性遠低於文中假設的值,是否可能使巨分子凝聚成為細胞質滲透壓的主要緩衝機制?

如果細胞膜的水通透性顯著低於文中假設的值，則巨分子凝聚可能在一定程度上成為細胞質滲透壓的緩衝機制。然而，這種情況的可行性仍然受到質疑。根據文中所述，細胞膜的水通透性是影響細胞內水分流動的關鍵因素。即使巨分子能夠通過可逆的凝聚和解聚來調節水的結合，若細胞膜的水通透性過高，這種緩衝作用將迅速被水的滲透流動所淹沒。因此，儘管在低水通透性情況下，巨分子凝聚可能會對細胞質滲透壓提供某種程度的緩衝，但在實際生理條件下，細胞膜的水通透性仍然是決定性因素，這使得巨分子凝聚作為主要緩衝機制的可能性變得微乎其微。

如果細胞能夠主動調節細胞內外的滲透壓差,而不依賴於膜的滲透性,是否可以支持Watson等人的假說?

如果細胞能夠主動調節細胞內外的滲透壓差，而不依賴於膜的滲透性，這將為Watson等人的假說提供某種支持。主動運輸水分的能力將使細胞能夠在面對外部滲透壓變化時，通過調節內部環境來維持穩定的細胞質滲透壓。這種情況下，巨分子凝聚的作用可能會被視為輔助機制，而非主要機制。然而，文中提到的對主動水運輸的爭議表明，這一假說的有效性仍然需要進一步的實驗證據來確認。若能證明細胞具備有效的主動水運輸機制，則Watson等人的假說可能會獲得更強的支持。

細胞內微小代謝物和大分子在調節細胞質滲透壓中的相對貢獻是什麼?這對理解細胞滲透壓調節機制有何啟示?

細胞內微小代謝物和大分子在調節細胞質滲透壓中各自扮演著重要角色。微小代謝物，如鈉、鉀和氯等離子，對細胞內外滲透壓的快速調節至關重要，因為它們能夠迅速進出細胞，影響細胞的滲透壓平衡。相比之下，大分子，如蛋白質和其他生物大分子，則主要通過其滲透性和結合水的能力來影響細胞質的滲透壓。這些大分子在細胞內的濃度變化可能會導致滲透壓的緩慢調整。
理解這些成分的相對貢獻對於細胞滲透壓調節機制的研究至關重要。這表明，細胞在面對外部環境變化時，必須同時考慮微小代謝物和大分子的作用。這種綜合考量有助於揭示細胞如何在動態環境中維持內部穩定性，並可能為未來的生物醫學研究提供新的視角，特別是在涉及細胞滲透壓異常的疾病中。