細(xì)胞運(yùn)動(dòng)的機(jī)械力是如何產(chǎn)生的，一直是生命科學(xué)研究的重大課題。我們已經(jīng)提出，肌細(xì)胞依賴于滲透壓機(jī)理產(chǎn)生收縮力[1]。在非肌細(xì)胞中，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，根本不需要所謂的馬達(dá)蛋白，僅有肌動(dòng)蛋白纖維或微管的聚合和/或解聚，由纖維裝配壓就能產(chǎn)生推動(dòng)生物膜或負(fù)載前進(jìn)的機(jī)械力[2]。這些實(shí)驗(yàn)已經(jīng)在細(xì)胞提取液或用已經(jīng)蛋白配制的溶液中建立了體外模型。那么，在這類過(guò)程中，化學(xué)能是如何轉(zhuǎn)化為機(jī)械力的呢？本文以熱力學(xué)為基礎(chǔ)，介紹并從微觀流體動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)進(jìn)行分析。
一、布朗棘輪（Brownian retchets）模型與布朗運(yùn)動(dòng)
通常纖維在加端裝配，在減端去裝配，人們?cè)蜗蟮貙⑦@種“加端裝、減端拆”的現(xiàn)象稱其為“踏車”。1993年，Oster, GF.等人[3]最早用防倒轉(zhuǎn)的棘輪來(lái)描述這種踏車的產(chǎn)力機(jī)理，稱為“布朗棘輪”模型。他們指出：“這些過(guò)程把化學(xué)鍵能轉(zhuǎn)換成直接的運(yùn)動(dòng)，但它們不是以機(jī)械化學(xué)循環(huán)進(jìn)行運(yùn)作，并且也不直接依賴于核苷酸的水解”，…“因整流的布朗運(yùn)動(dòng)是它們的基本運(yùn)作，所以我們稱這些機(jī)器為布朗棘輪”，“我們要說(shuō)明這種體系不同于通常認(rèn)為的蛋白馬達(dá)（例如，肌球蛋白myosin, 動(dòng)力蛋白dynein, 驅(qū)動(dòng)蛋白kinesin等），但那些馬達(dá)則有可能是布朗棘輪”。
他們之所以稱其為布朗棘輪，是為了區(qū)別于由工作介質(zhì)的溫度變化而做功的那些蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等“熱棘輪”機(jī)器。那些熱棘輪機(jī)器是通過(guò)防倒轉(zhuǎn)及活塞裝置來(lái)完成熱-功轉(zhuǎn)換的。沒(méi)有這些機(jī)器，水的汽化及燃料燃燒產(chǎn)生的高溫氣體只能向所有方向膨脹，而不能轉(zhuǎn)動(dòng)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)做功。相比之下，布朗棘輪的做功是在等溫條件下通過(guò)整流布朗運(yùn)動(dòng)來(lái)完成的。
布朗運(yùn)動(dòng)指的是液體或氣體分子的隨機(jī)的熱運(yùn)動(dòng)，它是植物學(xué)家R.布朗于1827年在顯微鏡下觀察懸浮在水中的花粉的運(yùn)動(dòng)時(shí)最早發(fā)現(xiàn)的。因此，布朗棘輪是將溶液中這種隨機(jī)的、無(wú)定向的分子的熱起伏運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成定向的推動(dòng)力。
二、對(duì)布朗棘輪模型的評(píng)價(jià)
從Oster, GF.等人的文章看，他們提出布朗棘輪模型所依賴的熱力學(xué)理論是對(duì)的，這一點(diǎn)毫無(wú)疑問(wèn)。熱力學(xué)是在化學(xué)平衡的基礎(chǔ)上建立的，它在研究一個(gè)過(guò)程時(shí)，只注重體系起點(diǎn)和終點(diǎn)的狀態(tài)，而不考慮中間經(jīng)過(guò)了哪些途徑。應(yīng)用化學(xué)熱力學(xué)的結(jié)果，可知過(guò)程中的能量變化，若一個(gè)過(guò)程的自由能變小于零，就可判斷這個(gè)過(guò)程是自發(fā)的，否則就不能自發(fā)進(jìn)行。但一個(gè)熱力學(xué)過(guò)程的內(nèi)部卻是一個(gè)黑箱，其具體是怎么樣發(fā)生的，熱力學(xué)并不能告訴我們。這些具體的步驟只有通過(guò)動(dòng)力學(xué)才能研究。
布朗棘輪模型就是在細(xì)化這些動(dòng)力學(xué)步驟時(shí)出了問(wèn)題。對(duì)于遷移細(xì)胞（如新生魚(yú)鱗細(xì)胞）的前導(dǎo)邊緣、扁平足及線頭足等處細(xì)胞膜的向外伸出，以及阿米巴單細(xì)胞的移動(dòng)等，通常稱為細(xì)胞運(yùn)動(dòng)。在這些細(xì)胞內(nèi)靠近前行的一邊而離細(xì)胞核較遠(yuǎn)的地方有一片肌動(dòng)蛋白纖維交織成的網(wǎng)絡(luò)。這些網(wǎng)絡(luò)在前邊的近質(zhì)膜處往往有些其它蛋白的�？�，顯微鏡下觀察時(shí)類似纖維分叉，因此被稱為肌動(dòng)蛋白纖維的叉端，在離細(xì)胞核比較近的另一端稱為尖端。細(xì)胞膜在向外伸出時(shí)，往往伴隨著肌動(dòng)蛋白纖維在叉端的裝配和在尖端的去裝配，這些現(xiàn)象都是顯微鏡下觀察到的。稍有不同的是，在線頭足內(nèi)分布的是肌動(dòng)蛋白纖維束。因此大家的共識(shí)就是，肌動(dòng)蛋白纖維在叉端的不斷裝配推動(dòng)質(zhì)膜向外伸出，產(chǎn)生細(xì)胞運(yùn)動(dòng)的機(jī)械力。
布朗棘輪模型就是在此基礎(chǔ)上提出的，它的細(xì)化的形象描述，我可以在此舉一個(gè)更形像的例子。就像一個(gè)人站著，兩只腳交替抬起，無(wú)論哪只腳，只要抬起，腳下就會(huì)添上一塊磚。這樣人體就會(huì)不斷升高。正在升高的人體就是不斷向外伸出的細(xì)胞膜，腳下添的磚塊就是肌動(dòng)蛋白單體，不斷壘高的磚垛就是肌動(dòng)蛋白纖維。
布朗棘輪模型如此唯象地、機(jī)械地描述，對(duì)于這些細(xì)胞運(yùn)動(dòng)還能勉強(qiáng)說(shuō)得通。但對(duì)于由肌動(dòng)蛋白纖維裝配推動(dòng)的，例如，李斯特細(xì)菌（Listeria monocytogenes）、人造囊泡及涂有細(xì)菌表面蛋白（ActA）的聚苯乙烯微球的運(yùn)動(dòng)，還有細(xì)胞分裂前兩個(gè)中心體的分開(kāi)和向極運(yùn)動(dòng)，眾多的實(shí)驗(yàn)觀察都與布朗棘輪模型不符，但與我們提出的纖維裝配壓模型完全一致。
三、纖維裝配壓產(chǎn)生的微觀流體動(dòng)力學(xué)分析
在等溫條件下，在飽和或過(guò)飽和溶液中晶體的成核、反應(yīng)物顆粒的有效碰撞和無(wú)效碰撞、及任意組分顆粒的彈性碰撞，都屬于布朗運(yùn)動(dòng)的范疇，也稱為熱起伏。
我們考慮在飽和溶液或過(guò)飽和溶液中最早晶核的形成。當(dāng)兩個(gè)構(gòu)晶離子或溶質(zhì)顆粒通過(guò)布朗運(yùn)動(dòng)發(fā)生碰撞時(shí)，有可能把它們的“跟班水”拋在身后而結(jié)合成一個(gè)二聚體。此時(shí)二聚體周圍的微小體積內(nèi)的水分就會(huì)過(guò)量，溶解度大致減為原來(lái)的一半，原來(lái)的飽和或過(guò)飽和溶液在這一小范圍內(nèi)，就變成了非常的不飽和了。這樣以來(lái)，這個(gè)二聚體就必然要溶解，重新分開(kāi)成兩個(gè)單體。同理，在剛好飽和的溶液中，生成三聚體、四聚體。。。，或更高聚合體的可能性幾乎可以排除。這就是晶體成核的自由能障或活化能。所以，在純飽和溶液中晶核的最早生成是很難的，只有在過(guò)飽和溶液中晶核才能形成。
當(dāng)在飽和或過(guò)飽和的溶液中，有一預(yù)先存在的晶核或微小的晶粒，或雜質(zhì)顆粒時(shí)，在熱運(yùn)動(dòng)中一個(gè)構(gòu)晶離子或溶質(zhì)單體，結(jié)合到預(yù)先存在的晶核等比較大的顆粒表面上，它的跟班水會(huì)沿這個(gè)大顆粒表面擴(kuò)散到對(duì)面去。這是因?yàn)樵酱蟮念w粒半徑，其界面上產(chǎn)生的、指向彎曲表面里邊的水壓越小[4]，越容易向外擴(kuò)散。這樣在結(jié)合位點(diǎn)附近的微小體積內(nèi)溶液就不會(huì)變稀，第二個(gè)、第三個(gè)，… 就會(huì)魚(yú)貫而入地連續(xù)過(guò)來(lái)結(jié)合。這就好比經(jīng)常堵塞的道路改成了單行道，將隨機(jī)的熱運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了整流，變成了單一方向的運(yùn)動(dòng)。
對(duì)于纖維聚合的情況，與結(jié)晶非常相似。作者已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了纖維在溶液中有一種很強(qiáng)的導(dǎo)流作用。當(dāng)單體在纖維的加端裝配時(shí)，纖維能將裝配端產(chǎn)生的多余的跟班水沿著纖維表面擴(kuò)散到纖維的另一端，使纖維的裝配能連續(xù)地容易地進(jìn)行。只要游離的單體濃度稍微大于其飽和濃度，這種裝配就不需要消耗核苷三磷酸。如果單體濃度不大于其飽和濃度而發(fā)生踏車（加端裝配而減端去裝配）時(shí)，就要消耗核苷三磷酸的水解能。對(duì)于纖維聚合，是更明顯的布朗運(yùn)動(dòng)的整流。
關(guān)于溶質(zhì)粒子帶有的跟班水的問(wèn)題，我們可以考慮某一溶質(zhì)A的濃度為1M的水溶液。其含意是指室溫下1升A的水溶液含有6.02×1023個(gè)A的顆粒（分子或離子），或每下列體積的水溶液中含有1個(gè)A顆粒。
1/（6.02×1023）升= 1.66×10-24升=1.66×10-27立方米= 1.66立方納米
當(dāng)溶液濃度不是太大的時(shí)候，溶液的體積近似等于溶劑水的體積。這樣我們就可以大致算出，在上述溶液中，每個(gè)溶質(zhì)A顆粒平均帶有1.66立方納米的跟班水。
通常情況下，體液（包括細(xì)胞內(nèi)液）的滲透濃度大致為300毫摩爾每升，那么貢獻(xiàn)于滲透壓的每個(gè)滲透顆粒的跟班水大致為0.498立方納米。
根據(jù)肌動(dòng)蛋白單體的飽和濃度，文獻(xiàn)值[5]為：叉端0.1μM，尖端0.7-0.9μM。我們大致取一個(gè)0.3μM的中間值，那么每個(gè)游離的肌動(dòng)蛋白單體的跟班水將是4.98×105立方納米（或者4.98×10-4立方微米）。這剛好是與滲透壓相關(guān)的每個(gè)滲透顆粒的跟班水的百萬(wàn)倍。也就是說(shuō)，每條肌動(dòng)蛋白纖維在加端每裝配一個(gè)單體，就會(huì)有萬(wàn)分之一立方微米量級(jí)的水從加端流向另一端。因此我們可以理解，肌動(dòng)蛋白纖維的裝配雖然是一種微觀反應(yīng)，但它卻能產(chǎn)生遠(yuǎn)大于微觀的流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。我們可以說(shuō)，在漫長(zhǎng)的進(jìn)化中肌動(dòng)蛋白的使用是生命進(jìn)化的最佳選擇。20170405
參考文獻(xiàn)
1.王孝恩 生物電與肌肉收縮的滲透壓機(jī)理. 中科院科學(xué)智慧火花：2017-02-22.
2.Tilney, LG. and Portnoy, DA. (1989) Actin filaments and the growth, movement, and spread of the intracellular bacteria/ parasite, Listeria monocytogenes. J Cell Biol. 109(4 Pt. 1): 1597-1608.
3.Peskin, CS., Odell, GM. and Oster, GF. (1993) Cellular motions and thermal fluctuations: the Brownian ratchet. Biophys J. 1993 Jul; 65(1):316-324.
4.王孝恩.（2004）Young壓力對(duì)晶核形成和晶體生長(zhǎng)的影響. 天津化工. Vol.18 No.4 16-17.
5. L G Tilney, D J DeRosier, A Weber, M S Tilney. （1992） How Listeria exploits host cell actin to form its own cytoskeleton. II. Nucleation, actin filament polarity, filament assembly, and evidence for a pointed end capper. JCB (The Journal of Cell Biology), 118 (1): 83-93.
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