2017年6月23日 星期五

細胞內精巧的運輸構造—囊泡(vesicles) 06-23-2017


      細胞內精巧的運輸構造—囊泡(Vesicles)

    人體約有兩百多種的細胞組成,細胞各司不同的功能,因而必須製造出各式各樣的分子來因應所需,例如激素(hormones)、神經傳導物質(neurotransmitters)、酵素(enzymes)、細胞激素(cytokines)等。

    這些分子都必須在正確的時間製造,運輸到細胞內正確的位置適時的胞泌(Exocytosis)到細胞外。而囊泡(Vesicles)就是細胞中負責傳遞運送這些分子的精巧胞器。


表一、1999年以及2013諾貝爾生理醫學獎得主的貢獻,都跟細胞內的囊泡(Vesicles)有關。

    
     
           
1999
根特.布洛貝爾(Gunter Blobel)
發現核醣體合成的蛋白質都各有自己的宿命,而這些蛋白質究竟要到溶素()體、細胞膜或分泌小泡,主要是由高爾基體分配決定,然後由囊泡運送。
2013
蘭迪•謝克曼
(Randy W.Schekman)
詹姆斯•羅斯曼
(James E.Rothman)
馬斯•聚德霍夫
(Thomas C.Sudhof)
發現一系列囊泡運輸的調節基因。

闡明囊泡與目標胞器進行融合的蛋白質複合體以及作用的機制。
揭示指囊泡精確釋放貨物的信號機制。

        

    1999年獨得諾貝爾生理醫學獎的根特.布洛貝爾(Gunter Blobel),他發現核醣體合成的蛋白質都各有自己的宿命(destination),而這些蛋白質究竟是要到溶素()(Lysosome)中、細胞膜(cell membrane)上或形成分泌囊泡(secretory vesicles)分泌到細胞外,主要是由高爾基體分配(sorting)決定,然後再經由囊泡來運輸至定位。

高爾基體主要功能—包裝(packaging)及分配(sorting)
※高爾基體好比細胞中的『郵局』,而囊泡好比細胞中的『郵差』。

    布洛貝爾為了讓大家易懂,特地以每種蛋白質都有自己的郵遞區號(area codes)來表示,形容得相當貼切。之後也有人以細胞內的宅急便,來形容此細胞內的分配現象。




01. 粗糙型內質網(RER)上的核醣體合成之蛋白質,經平滑型內質網(SER),再送到高基氏體(Golgi Complex)形成溶體(Lysosome),或產生分泌囊泡(Secretory Vesicles) ,蛋白質如何在正確的時間形成?加工後之蛋白質又如何運輸至正確地點?拜這些傑出科學家之賜,分配調節的機制現今已有相當程度的了解。





02. 1999年諾貝爾生理醫學獎得主,根特.布洛貝爾(Gunter Blobel)發現,細胞中核醣體合成的蛋白質,都有其宿命(Destinations)





03. 布洛貝爾提出訊號胜假說(Signal peptide hypothesis),用以解釋核糖體(Ribosome)合成的蛋白質,如何進入內質網管腔(ER lumen,圖下方藍色部分)。內質網將蛋白質進行初級糖化等步驟後,再送入高爾基氏體經次級糖化、磷酸化等加工步驟後,各有不同的宿命(Destinations)分配到:

1形成分泌囊泡(secretion)

2回到細胞核中(nucleus)

3進入粒線體中(mitochondria)

4植物細胞也可能分配到葉綠體中(choloroplasts)

5到細胞膜中(cell membrane)

6到細胞質中(cytoplasm)

等等(etc)


    2013年諾貝爾生理及醫學獎得主這三位獲獎的細胞學家發現了這些「囊泡」是如何在正確的時間運輸到正確地點的機制。

1. 蘭迪•謝克曼發現一系列囊泡運輸的調節基因。

(discovered a set of genes that were required for vesicle traffic.)





04. 2013年諾貝爾生理醫學獎得主之一蘭迪•謝克曼(Randy W.Schekman)研究酵母菌的突變種,發現調節囊泡運輸的一系列關鍵基因以及基因表現的相關蛋白質(Sec61 translocation complex COPII vesicle coat complex etc)






05. 2013年諾貝爾生理醫學獎三位得主,研究細胞囊泡傳輸機制。


2. 詹姆斯•羅斯曼發現了負責接受囊泡的蛋白複合體(SNARE蛋白等)闡明囊泡與目標進行融合、使分子得以運轉的蛋白質機制。運達目的地之後,需要一個識別代碼,保證囊泡在正確的碼頭卸貨,而囊泡內的貨物(cargo)能送達正確的「宿命」,這就是這些蛋白複合體的功能

(unravelled protein machinery that allows vesicles to fuse with their targets to permit transfer of cargo.)




06. 此圖是SNARE蛋白與囊泡(vesicles)在胞泌作用時相互作用的全部過程。

(1)(5)SNARE蛋白複合體→組合(assembly)→鍊合(zippering) →分離(disassembly)之過程。

SNARE蛋白是SNAP (Soluble NSF Attachment Protein) Receptor的縮寫,在酵母菌最少有24SNARE蛋白;在哺乳動物超過60種。SNARE蛋白的主要功能是,調節囊泡與標的物膜的融合。


3. 托馬斯•聚德霍夫則揭示了指囊泡確釋放貨物的信號機制。

突觸傳導(Synaptic Transmission)是大腦活動的基本組成,決定了大腦的功能及作用。聚德霍夫最終成功地識別出突觸傳導的精確機制,以及所涉及的各組蛋白質,揭示它們在神經訊息傳遞扮演的角色。

(revealed how signals instruct vesicles to release their cargo with precision.)




07. 2013年諾貝爾生理醫學獎得主之詹姆斯•羅斯曼(James E.Rothman)

以及托馬斯•聚德霍夫(Thomas C.Sudhof)之貢獻。






08. 神經元(Neuron)的的螢光顯微鏡照片。

細胞本體(Soma);一個神經元軸突(Axon)僅有一條;樹突(Dendrites)可以有許多條。






09. 神經元之間,軸突末梢(Axonal terminal);突觸間隙(Synaptic cleft);樹突(Dendrite)三者之間的互動關係。

1動作電位到達軸突末梢(Action Potential Arrival)

2軸突末梢電壓調節的鈣通道開啟(Voltage-gated Ca+2 channel open)

3含神經傳導物質的胞囊胞泌作用(Synaptic vesicle with neurotransmitter exocytosis)

4神經傳導物質與突觸後細胞膜的接受器結合(neurotransmitter bind with postsynaptic membrane receptor)

以上為馬斯•聚德霍夫(Thomas C.Sudhof)研究的一個大概,實際上的步驟要比這複雜許多。(e.g., RIMs, α-liprins, ELKS's, RIM-BPs, Piccolo/Bassoon, and Munc13's)


參考資料:

1. Budding Vesicles in Living Cells

James E. Rothman & Lelio Orci

Scientific American march 1996

2.  Fantastic vesicle traffic



YOUTUBE DOWNLOAD之囊泡在植物根毛中的移動的螢光攝影,螢光攝影的時間很短,大約只有一兩秒鐘,彌足珍貴。

3. Directing TrafficHow Vesicles Transport Cargo


此文章中有三段螢光攝影影片,可動態觀賞胞泌作用(Exocytosis);細胞內囊泡之移動…


2017年6月14日 星期三

視覺(vision)的奧秘 06-14-2017


      視覺(vision)的奧秘

  科學家估計,人每天接受外界的各種刺激,其中大約70%~80是經由視覺(vision)傳導到我們的大腦皮質。由此不難想像大家把眼睛稱為「靈魂之窗」絕對是當之無愧的。

    話說平均距離地球一億五千萬公里外的太陽,經過核融合反應,產生不計其數的光子(photons)。光子在經過八分半鐘的太空旅行,照射到地球表面,再經地表物體的反射後,有些光子進入我們的眼睛,於是我們就看見了影像。

    聽起來好像就是這麼簡單一回事,而實際上這是一連串複雜到令人難以置信的反應之綜合,容我簡述如下:

一、光線→視網膜(retina)

二、調視反射(Accommodation reflex)

三、光能轉換成電能

四、 接受器電位→視覺傳導路徑→大腦皮質(主要在枕葉)

五、On-centersOff-centers





01. 眼球的立體結構圖。




一、光線→視網膜(retina)

這一部分經過的解剖構造,完全像以前須用底片的單眼相機。試比較如下:

瞳孔(pupil)─→水晶體(lens)─→視網膜(retina)

光圈(aperture)─→鏡頭(lens)─→底片(film)




02. 光線→視網膜(retina)的解剖構造與單眼相機相同。





03. 眼球部份之視覺傳導。

角膜為眼睛前面約六分之一透明的鞏膜(其餘的鞏膜為白色,也就是俗稱的眼白。)


二、調視反射(Accommodation reflex)

1. 眼睛能清楚的看遠看近的機制。

2. 以遠距離視覺(far vision)→近距離視覺(near vision)為例說明

   (1)動眼神經(oculomotor nerve)興奮性增加。

      1睫狀肌(ciliary muscle)收縮→懸韌帶舒張→水晶

        體弧度增加。

      2虹膜上的環狀肌(circular muscle)收縮→瞳孔縮小。

   (2)內聚運動(convergence):由內直、上直、下直三對眼外肌共

      同收縮,使兩眼的瞳孔(pupils)間距離靠近。

睫狀肌及虹膜上之環狀肌、放射狀肌,為人體內相當特殊的多單位平滑肌!人體中一般的平滑肌,像組成消化道壁或膀胱壁的平滑肌收縮速度較慢,但睫狀肌及虹膜上之平滑肌則能非常快速的收縮,而快速產生調視反射(accommodation reflex) ,讓我們能立即的看清楚近或遠的景物!






04. 調視反射(accommodation reflex):上圖為眼睛看近物(near target)時之調視;下圖為眼睛看遠物(far target)時之調視。


三、光能轉換成電能:

    這部分有點像物理學上的光電效應,但是光電效應只是光子的能量激活了電子。(光電效應,各位網友最熟悉的舉例,就是我們幾乎每天都在使用的遙控器的原理。)

    光能在視網膜上的光接受器(photoreceptors)包括視桿細胞(rods)及視錐細胞(cones)中如何轉變成電能(接受器電位)?比光電效應可能要複雜許多。

    最少牽涉到十個步驟以上的化學反應,而每一步驟化學反應的反應時間都在nano sec到μsec之間,因為都是極快速的反應,所以我們只要一睜開眼,不到0.1秒就能看見而且看清影像。十步以上的化學反應所以能極快速的發生,是因為每一步都有酵素(enzymes)的催化。

    這些酵素都由不同的基因(genes)所表現,而不同的基因又存在於不同的染色體上,各位網友想想,是一種甚麼樣的機制(mechanism)?能使這一切化學反應過程發生得井然有序,絲毫不亂呢?

    這一連串複雜的生化反應,到底是如何分秒不差,按步就班的完成,至今仍是個未解之謎。




05. 光接受器(photoreceptors)─視桿細胞(rods)及視錐細胞(cones),在視網膜上的位置。中央窩(central fovea)是視覺最敏銳處。








四、 接受器電位→視覺傳導路徑→大腦皮質(主要在枕葉)

    很多網友都有玩數位相機的經驗,就算這種高科技的現代產物,當我們在照遠照近,或拍照太亮太暗的景像時,我們常常還是必須撥到不同的選擇鈕,這樣才會攝得理想的照片。

    而我們的視覺徑路就只有一種,然而數位相機上的所有功能它幾乎都完全涵蓋,而且不用做任何按鈕的切換。如何經由視覺傳導路徑產生立體影像?如何增加明暗之間的對比?如何過濾雜訊?這是視覺中最精彩的部份。只是容許我賣個關子,除非網友對視覺生理學有相當程度的了解,例如何謂視區(receptive field)它又可細分好些種類:最基本的是On-center; Off-center etc.否則這一部份請讓我們將它視為奇蹟吧!




06. 視覺傳導路徑(visual pathway)


    各位網友一定注意到:因為我們人類或是生態學上的肉食性獵食者(predators),因為需很精準的測量與獵物間的立體距離,所以兩眼位於同一平面,這樣看到的視野(visual fields)能夠重疊,就可以產生立體視覺。反言之,獵物(preys)往往兩眼在頭部兩側,這樣雖然犧牲了立體視覺,可是可增加視野(visual fields)的廣度,增加了偵測到獵食者(predators)的機率,這是演化上又一個「物競天擇,適者生存。」的實例。




07. 獵物(preys)往往眼睛在頭部兩側,這樣雖然犧牲了立體視覺,可是可增加視野(visual fields)的廣度,增加了偵測到獵食者(predators)的機率。





08. 植食性動物(Herbivores)眼睛的瞳孔呈長條形,一方面低頭吃草時,仍可監測獵食者(predators)的動靜,另一方面增廣可看到的視野(visual field),類似相機的廣角鏡頭一樣。


五、On-centersOff-centers




09. On-center Off-center的排列與分佈,會影響視覺敏銳度(Visual Acuity)的示意圖。這其中牽涉到兩極細胞(Bipolar Cell)、水平細胞(Horizontal Cell)、節細胞(Ganglion Cell)甚至更多位於視網膜上細胞的相互作用,確實相當的複雜!可能最聰明的想法,還是讓我們視之為奇蹟吧!


    從在國立陽明醫學大學生理學課堂上教醫科、牙科同學開始,到後來在補習班教要考生理學研究所的大學畢業生為止,「視覺」一直是我最有興趣的範疇,也最能把這些高材生唬得一愣一愣的。幾乎每一班教完,都會有比較調皮的同學來問:「老師,你講的視覺機制,到底是在講真的還是在呼嚨我們呀?」,天地良心,當然是講真的。只是常常自己也會捫心自問,這一連串近乎不可能完成的過程,真的是一步一步演化而來的結果嗎?