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微观系统化生物(人体)模型

已有 4651 次阅读 2012-7-14 18:40 |系统分类:观点评述| 人体, 模型, 微观, 系统化

多细胞生物体和人类社会一样是复杂的适应性系统,它的特点是一小块局部,一个组成单位,例如一个细胞,往往可以反映整体状态的各个方面,但它又是开放的动态的,不仅各个组成单位之间互相联系制约,还会对外界环境变化作出适应性反应。因此不能用机械的眼光来看待细胞之于整个生物体的关系。

细胞是多细胞生物体的基本功能单位。当人们谈论个体的生长、发育、成熟时,指的是组成生物体的每个细胞的生长、增殖、分化。如果把生物体中的一个细胞看成是一个巨大的细胞社会的一个有机的基本成员,现在以整个社会为背景,仔细考量该成员的方方面面。首先注意到的是该成员和所有其他成员拥有共同的内部结构和活动过程,这是做为社会基本成员的必要条件;同时还必须注意到,作为整体中的一员,该成员的活动还必须服务于整个社会,与其他成员沟通协调,为其它成员提供进行生命活动和行使功能所需的服务以保证整个社会的正常运行发展;同样作为整体中的一员,它的生命活动也必定依赖于其他成员甚至包括它自己提供的服务。带着这样的想法,就可以把单个细胞的内部结构组成和整个的生物体放到一起来进行分析了。
首先来分析细胞的内部结构和生理活动及需求。细胞的双脂膜以及与膜结合的蛋白是真核细胞的基本构建物质,细胞的内部也是通过脂质膜的包裹被精细地分割为不同功能的次级结构或称细胞器。一个动物细胞大概包含一百亿个蛋白质分子,可以归为一万个类别;几乎所有这些蛋白质的编码基因都以染色体的形式藏在细胞核里,而几乎所有蛋白质的合成都发生在细胞质内。每一个新合成的蛋白质都会被定向运送到需要它的细胞器。为了决定何时进行增殖、分化、甚至凋亡,细胞需要一些特定的蛋白分子来接收来自其外部的信号,并将这些信号传递到细胞的内部,这些特定的蛋白叫做受体。为了进行蛋白质及其他大分子的合成、运送、以及信号传递等活动,细胞需要消耗特定形式的能量,所以它必须利用细胞内存在的某些材料来制造可以被直接利用的能量形式。
根据它们的特定功用,细胞内的细胞器、功能单位、以及生理过程可以被归类为三个基本的部门。
第一个部门叫做信息处理和生产制造中心,包括(1)细胞核(nucleus,可称为细胞的控制中心),内包含着细胞绝大部分的遗传物质(genome,基因组),以线性DNA分子的形式与多种蛋白质例如组蛋白等结合形成染色体;(2)核糖体(ribosomes),是蛋白质的合成工厂。核糖体结合到信使RNA上,以信使RNA为模板来连接正确的氨基酸序列形成多肽链;(3)内质网膜(endoplasmic reticulum,ER)包括粗面内质网(rough ER)和滑面内质网(smooth ER)。粗面内质网的表面嵌满了正在合成蛋白质的核糖体,这些核糖体只有在开始合成有特定用途的蛋白质的时候才会与内质网结合。滑面内质网的功能包括合成双脂膜组成成分的脂质和甾体,碳水化合物代谢,调节钙离子浓度,药物解毒,把受体蛋白结合到细胞膜上,以及甾体的代谢;(4)过氧化物酶体(peroxisomes),是从滑面内质网形成脱落下来的颗粒,只包裹单层膜,内含氧化酶类,象过氧化氢酶(catalase)和D-氨基酸氧化酶(D-amino acid oxidase)等。某些酶在氧化反应中利用氧分子除去特定有机底物上的氢,从而产生过氧化氢。过氧化氢酶接着利用过氧化氢在过氧化反应中去氧化其他底物如,苯酚、甲酸、甲醛、和酒精等。过氧化反应在肝细胞和肾细胞中非常重要,这些细胞中的过氧化物酶体是身体清除进入血液的各种有毒物质的主要场所。过氧化物酶体中的β-氧化反应是分解脂肪酸,形成乙酰辅酶A的关键步骤。在心肌和神经细胞中,缩醛磷脂(plasmalogen)合成的第一步也是发生在过氧化物酶体中。它们也参与胆酸和蛋白质的合成。(5)细胞内的信号传导系统并不是一个被脂质膜包裹的细胞器,它是细胞中具有信息处理和发出指令功能的模块。在细胞质中有些骨架蛋白把某些信号通路聚集在特定的区域。 细胞的信号传导过程包括:细胞外信号细胞膜/核受体细胞内的媒介效应蛋白细胞行为负反馈控制细胞行为。
从行为和功能上讲,细胞的信息处理和生产制造中心包括DNA的复制、修复、重组、转录,RNA的剪接和翻译,蛋白质的合成折叠,其他生物大分子的合成等功能单位;同时那些合成的受体蛋白又把细胞外的信息导入细胞内,指导细胞进行蛋白质的翻新(protein turnover)、分泌、生长、增殖、分化、或凋亡等行为。所有这些行为都是一个活细胞的基本特征,是生命的本质和精髓。在表现在生物体的整体水平上,就是个体的生长、发育、和成熟等等基本生命活动。

第二个部门是细胞内的物流系统,包括(1)高尔基体(Golgi apparatus)的功能是对内质网中合成的大分子(蛋白质和脂质)进行修饰、分类、包装,使之成为最终产品,通过细胞内的囊泡交通(vesicular traffic)运送到所需的场所或在需要时直接分泌到细胞外;(2)内涵体(endosomes)是通过叫做胞吞作用(endocytosis)的一系列复杂过程形成的膜囊泡,存在于所有的动物细胞质中。许多通过胞吞作用由细胞质膜形成的囊泡,或者被运输到已经存在的内涵体并与其融合,或者通过质子泵使其内容物不断酸化而变成内涵体。一些被胞吞作用吞入的材料通过内涵体,再被转移到溶酶体。(3)溶酶体(lysosomes)是从高尔基体形成脱落的单层膜细胞器,内含消化酶(酸水解酶,acid hydrolase).溶酶体消化多余的或老化的细胞器、食物颗粒、及吞入的病毒或细菌。(4)细胞骨架是细胞中的动态结构,包括中间纤丝(intermediate filaments)、肌动蛋白丝(actin filaments)和微小管(microtubule)。这些纤维保持细胞的形状,保护细胞,通过形成诸如鞭毛(flagella)、纤毛(cilia)、和板状伪足(lamelliopdia)等结构来促成细胞的运动。 在细胞内的交通运输中如囊泡运输(vesicular traffic),细胞器和复合蛋白大分子的转移等,这些纤维扮演着类似公路的角色。在细胞的分裂过程中,微小管更是主要的牵引力。(5)中心体(centrosome)是细胞中微小管的组织中心,位于细胞核的一侧。在细胞周期进程中,中心体是非常重要的协调器官。(6)蛋白酶体(proteasomes)是一类位于细胞核和细胞质中的蛋白酶。它们的作用是分解被泛素(ubiquitin)标记为需要销毁的非正常的蛋白质。其靶点包括变性了的和在合成时发生折叠错误的蛋白质。同时也包括在细胞中执行短期任务的正常的蛋白质,在完成需要的生理过程后,就必须销毁。
细胞内的物流系统,从其中心功能上讲包括所有参与处理下述任务的生物大分子:(a)所有细胞内过程中的物理运动,也就是位置上的移动和转移,其中以马达蛋白(motor protein)和肌动蛋白(actin)为代表。(b)修饰、包装、运送、储存细胞制造的成品和半成品大分子。(c)从细胞外获取和加工细胞生理过程所需的原材料。(d)销毁和回收已损坏的和过期的部件、组分和信息。
在生物体整体水平上,细胞内物流系统的存在集中体现在负责力量和运动的肌肉组织,以及需要进行大规模跨膜转运营养物质的消化道上皮组织。

第三个部门是细胞内的能源系统,其主要成员是线粒体。线粒体是被双脂膜包裹的细胞器,其主要功能是消耗氧和制造细胞内通用的化学能量物质三磷酸腺苷(ATP),因此被称为细胞内的发电厂。产生ATP的过程是一系列的以电子传递为特征的跨膜生化反应,其中居于中心地位的一套反应就是著名的三羧酸循环。除了制造能量外,线粒体在细胞的代谢中还扮演很多重要的角色:(a)为在细胞质中进行的生物合成提供NADPH和碳骨架;(b)通过接受从细胞质中的NADH传递来的电子,维持细胞质中正常的NAD+浓度,这对于糖酵解过程是必须的;(c)临时储存钙离子的场所,参与钙离子信号通路包括钙诱导的细胞凋亡;(d)有些组织特异性的蛋白,虽然是由细胞核内的基因编码,却在线粒体内工作。例如肝细胞的线粒体就含有一种酶,能够解除蛋白质代谢产生的氨的毒性;(e)在棕色脂肪细胞中,线粒体的呼吸链与ATP的合成反应没有耦合在一起,因此这种细胞的线粒体呼吸链所释放的能量就是以热量的形式散发。

细胞中同时存在两种形式的能量,一种是线粒体中通过呼吸链制造的储藏化学能的ATP;另一种是细胞中的不同的膜蛋白离子泵通过水解ATP并利用ATP中的化学能转运特定离子而制造的跨膜离子梯度。ATP提供细胞活动普遍需要的能量和材料(磷酸、腺苷等),不同的跨膜离子梯度则使一些特殊的细胞活动例如神经细胞和肌肉细胞的信号传导等需要长距离、更精确和更快速的控制的行为能够顺利进行。

虽然细胞的信息处理和生产制造中心制造了细胞中所有的功能性分子,并接收处理绝大多数的细胞外部信息,它的功能活动的每一步都必须得到细胞内物流系统的支持与配合,同时所有的活动也必须消耗细胞内能源系统制造的ATP。细胞正常的生命活动就是这三个细胞内系统精确高效地协调活动的结果。总体来说,信息处理和生产制造中心根据所收到和处理的信息作出决定给出指示,并为其本身和其它两个系统制造提供劳动力(例如活性蛋白分子等),而其它两个系统则为细胞活动提供能量和物流服务。

在一个多细胞生物体中,几乎每一个类型的细胞都是由上面描述的三个次级功能单位组成的,这三个细胞内系统功能的密切协调是一个健康活细胞最基本的特征。但是作为一个多细胞生物体中的一个基本功能单位,单个细胞还必须从自己周围环境中获取生存所需的营养素和氧气,而且也要接收邻近细胞以及任何身体其他部位的细胞的协调工作信息,同时释放出自己的状态信息和代谢产物到周围环境中并传送到或远或近的目标场所。这样生物整体中的成千上万个不同类型的细胞,每一个都有着上面同样的需求,这就意味着生物体中的某些特定功能的细胞和分子需要专门从事满足这些需求的工作。

第一,为了每一个细胞能够及时获得营养物质和信息分子并及时运送出自身代谢产物和信息分子,多细胞生物体必须拥有一个能够通达几乎每一个细胞微环境的细胞外物流系统。这个细胞外物流系统的任务包括:(1)处理原材料或回收的材料,使之成为普通细胞可以接受的营养,并暂时储存这些材料等待需要时释放;(2)制造运送营养物质、信息分子、和其他物质的载体蛋白,运载并分配到所需地点释放;(3)运载并分配氧气,收集运送二氧化碳;(4)根据生物体的整体状况,销毁和回收损毁的和过时的循环蛋白、信息分子及其他分子;(5)制造和输布其他一些用以保证身体中营养物质和功能分子的储存、分配、回收、循环等过程能够顺利进行的功能分子。

不难理解,这个细胞外物流系统是由某些特定功能的细胞、组织、以及它们的制造的功能蛋白组成。对比人类社会的组织方式,如果说细胞内的物流系统类似于城镇地区内的本地交通物流,主管本地的原料和产品的分配及进出口;细胞外的物流系统则类似于城际省际之间高速公路上的物流交通,集中处理整个社会或说国家水平的原料和信息,并把它们有效地分配到各个地区。

第二,除了对于营养物质和信息的需求,作为需氧生物来讲,对于氧气是有特别的需要的。身体中的每一个细胞都需要氧气来制造细胞生命活动所必需的能量,同时产生并排出二氧化碳。因此身体内处理氧气的摄入,及其在全身每一个细胞内部及周围环境的扩散的细胞和分子体系,也应该是多细胞社会的一个关键部门,暂称之为氧气供应和分配系统。在现代生理学和解剖学中,对气体在肺部和组织中的交换都有详细描述,集中认为毛细血管中的血液的分气压,与外界及组织液分气压的压差是推动气体交换的动力。作为多细胞社会的重要活动和功能,不同部位的细胞耗氧量、微环境、细胞间质的质地,都有着差别,并随着身体的活动,所处环境和健康状况而变化,因此身体内部的各个部分的气体除了与周围毛细血管中血液间进行扩散最终完成与外界的氧气交换外,一定也会沿细胞间质进行全身性的扩散。身体是各种类型活细胞和细胞外物质的高度精细有序的组合排列,因此气体在全身微环境之间的扩散,一定是有固定方向和模式的,而且与身体各细胞的活动状态密切相关,互相影响。只是这扩散的模式和方向及影响因素会随着生命终止而彻底消失,解剖学方法无能为力,目前也很难用试验的方式确定。相信科学的发展会最终找到探测的方法,并发现其对理解人体生理活动的特殊意义。

第三,作为象人体这样的多细胞生物体,其主要的整体生命活动包括与外界自然环境、社会环境、其他个体的互动交流,并且其身体本身也具有生长、发育和成熟的时间表。究竟身体中的所有细胞是通过什么手段协调它们各自的行为来完成整体的生命活动的呢?在身体中有些特定的细胞和组织的功能就是接受外界的改变和刺激,然后产生某种合适的信号,传送给其他的细胞有时也包括它们自己。不同的细胞可能接收不同的信号组合,即使是同样的信号,不同的细胞根据自己在整体中的角色不同,也会给出不同的反应,从而完成整体的反应功能。也有一些类型的细胞,会按照自然所设定的程序,逐渐成长进入成熟阶段并释放信息分子到体内环境中,指导整体中的其他细胞进行增殖和定向分化,从而使整个生物体发育成熟。所以这些应时应景给出整体水平指导信号的的细胞可以看作整个多细胞社会的行政管理系统。这个系统和现代医学研究的神经体液调节系统有很大的重合区。

第四,除了上面讨论的功能系统外,所有组成多细胞生物体的细胞,还需要一个提供安全保障的防御系统。这个系统应该保护细胞成员不受来自外面环境的物理的、机械的、化学的、微生物的等等破坏力的侵袭和毁坏,为所有细胞正常行使功能提供一个适宜的、稳定的、清洁的内部微环境。这个防御系统,基本上对应于生物体先天的免疫系统。
总体来说,脊椎动物的先天免疫系统可分为三个层次:
首先,皮肤和身体内其它的上皮组织表面例如呼吸道、消化道、泌尿道等的内表面,为体内细胞提供了物理的和化学的屏障来隔断外部世界的直接侵袭,是身体的第一道先天防御线。这些屏障包括皮肤表面厚厚的角质层(由角质化的上皮细胞构成)、上皮细胞之间的紧密连接、胃黏膜分泌的PH值很低的胃液、以及上皮细胞分泌的黏液(mucus)。黏液中所含的黏液素(mucin)、抗菌肽(defensins)、溶菌酶(lysosome)、免疫球蛋白等等都可以抑制甚至杀死病原微生物。身体表面的正常菌群通过与病原菌竞争生存空间也对抑制病原菌,保护身体健康起到重要的作用。同时,这第一条先天防御线在维持身体内环境的自稳态 (温度、水分、PH、电解质的动态平衡)方面也有着重要意义。

细胞自身对外物的侵袭如微生物的感染会有本能的防御反应,这是先天免疫的第二条防线。细胞会意识到自己被感染,因而会采取行动,例如绝大多数细胞在因病原的诱导而吞噬了细菌(phagocytosis)后,会立刻引导含菌的吞噬小体(phagosome)与溶酶体相融合,使得进入细胞的微生物立刻受到消化酶的阻击。另外一个比较古老的细胞本能防御机制是宿主细胞分解双链 RNA的能力。双链RNA是在病毒复制过程中会出现的普遍中介物质,一些细胞甚至能进一步消灭任何与导致防御反应的双链RNA有相同序列的单链RNA。细胞这个防病毒感染的机制,也是分子生物学中利用RNA干扰技术来控制细胞基因表达的基础机制。
先天免疫的第三条防线是一套具有特定功能的蛋白和具有吞噬功能的细胞,这些蛋白和细胞的特殊之处在于它们能够识别病原体的固有特征,而且能够非常迅速地被激活,投入到毁灭入侵病原体的工作中去。这条防线包括专职的吞噬细胞如中性粒细胞和巨噬细胞、肥大细胞、自然杀伤细胞(NK细胞)、以及补体系统。树突状细胞也是一种吞噬性细胞,主要存在于直接与外界接触的组织如皮肤(Langerhans 细胞)和呼吸道、消化道的内黏膜组织中。树突状细胞的名字来源于其形状类似于神经元树突,但是实际上和神经系统毫无联系。树突状细胞在抗原呈递的过程中起着非常重要的作用,它是先天免疫系统(innate immune system)与后天免疫系统(adaptive immune system)的链接点。

综合所有上述的分析,在系统论的分析下,人类的身体可以看成是由两个方面和七个功能系统构成的动态的,复杂的、适应性的细胞和生物大分子社会体系。下面是对这个体系动态构成的一个总结:

1. 从细胞和分子水平来说,人体的任何功能都是由互相依存的两个方面来共同完成的。第一个方面是由各种各样的细胞外信号分子(激素、神经递质等)构成的复杂的细胞外信息流。这些信号分子是由身体内不同的细胞制造和释放,同时又由不同的靶细胞来接收、解释和反馈以相应的细胞行为,从而完成整个身体内细胞行为的协调,也就是顺利完成身体的生理活动。第二个方面就是身体的基本功能单位,细胞。细胞是所有信号分子的制造者和释放者,同时也是细胞外信息流的接收者和解释者,以及最终行动的执行者,是进行完整生命活动的最基础单位。

2. 从细胞和分子水平来说,人体就功能可划分为七个系统。这七个功能系统包括三个所有细胞普遍具备的细胞内功能单位,以及四个由特定细胞群落及细胞制造的功能大分子们所组成的为整体细胞社会包括它们自己服务的必需功能团体。
(1) 普遍的细胞内功能单位包括:(a)细胞内的信息处理和生产制造中心;(b)细胞内的物流系统;(c)细胞内的能源系统。
(2) 细胞分子群落组成的功能团体:(d)细胞外整体水平的物流系统;(e)氧气供应和分配系统;(f)生物体整体水平的行政管理系统,(g)生物体整体水平的防御系统

这些系统的物质和功能之间互相包涵互相依存,牵一发而动全身。这种系统化和整体化的生物体模型,更着重于各个有机组成部分之间的动态关系,以及每个部分与整体之间的关系,而且照顾到了生物体本身的复杂性和适应性。更重要的是,这些功能单位的物质基础,细胞和生物大分子特别是蛋白质的分类和功能的研究,多年以来都是细胞分子生物学的研究热点。把目前已有的分子生物学和医学领域海量的信息和资料,按照本文的系统化生物体模型来进行整理和分类,无疑会给未来的系统化研究尤其是以蛋白组学和基因组学等新技术为手段的系统生物学和临床医学研究提供方向性的指导,由此为将来建立和完善新的医学模式打下基础。


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