簡(jiǎn)介
分子開關(guān)的定義molecular switches,通過(guò)激活機(jī)制或失活機(jī)制精確控制細(xì)胞內(nèi)一系列信號(hào)傳遞的級(jí)聯(lián)反應(yīng)的蛋白質(zhì)。
分子開關(guān)的分類細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳遞作為分子開關(guān)的蛋白質(zhì)可分兩類:一類開關(guān)蛋白(switch protein)的活性由蛋白激酶使之磷酸化而開啟,由蛋白磷酸酯酶使之去磷酸化而關(guān)閉,許多由可逆磷酸化控制的開關(guān)蛋白是蛋白激酶本身。
原理
對(duì)于通過(guò)細(xì)胞表面受體所介導(dǎo)的信號(hào)通路而言,除受體本身作為離子通道而起效應(yīng)器作用的情況之外,其他的信號(hào)通路首先要完成配體結(jié)合所誘發(fā)的信號(hào)跨膜轉(zhuǎn)導(dǎo),隨之要通過(guò)細(xì)胞內(nèi)信號(hào)分子(包括第二信使)完成信號(hào)的逐級(jí)放大和終止。在細(xì)胞內(nèi)一系列信號(hào)傳遞的級(jí)聯(lián)反應(yīng)中,必須有正、負(fù)兩種相輔相成的反饋機(jī)制進(jìn)行精確控制,因此分子開關(guān)(molecular switches)的作用舉足輕重,即對(duì)每一步反應(yīng)既要求有激活機(jī)制又必然要求有相應(yīng)的失活機(jī)制,而且二者對(duì)系統(tǒng)的功能同等重要。多由可逆磷酸化控制的開關(guān)蛋白是蛋白激酶本身,在細(xì)胞內(nèi)構(gòu)成信號(hào)傳遞的磷酸化級(jí)聯(lián)反應(yīng);另一類主要開關(guān)蛋白由GTP結(jié)合蛋白組成,結(jié)合GTP而活化,結(jié)合GDP而失活。
任何機(jī)器都需要開關(guān)控制啟動(dòng)或關(guān)閉,麻雀雖小、五臟俱全的納米機(jī)器也一樣有和它們匹配的微小開關(guān)。分子開關(guān)(molecular switches)或者叫摩爾開關(guān)(mol.switches)就是這樣一種能夠控制比它們本身稍大的納米裝置的精巧結(jié)構(gòu)。它們可以在納米世界中發(fā)送信息遙控正常大小的傳感器。
應(yīng)用
英國(guó)樸次茅斯大學(xué)的科學(xué)家指出:有一天,這些微小的開關(guān)很可能形成微電子回路的基礎(chǔ),幫助人們更加快速和準(zhǔn)確地解決DNA的排序問題。
這種新型的分子開關(guān)是通過(guò)固定在DNA上的微小金屬珠的擺動(dòng)來(lái)拉動(dòng)一根DNA鏈的(如圖)。雙螺旋鏈的一端被附著在一個(gè)微芯片的微小通道上,DNA的另一端安放金屬珠。這些金屬珠只有1微米寬,也就是一根人頭發(fā)絲直徑的1/50。
珠子是順磁性的,即在磁場(chǎng)中其行為就像其本身是一塊磁鐵。其結(jié)果,小珠子可以被拽向磁場(chǎng),使DNA鏈立起。
接下去科學(xué)家將把可在DNA上轉(zhuǎn)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)安裝到DNA鏈上。這個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)是一種自然產(chǎn)生的蛋白質(zhì),叫做限制修飾酶(restriction-modification enzyme),燃料是三磷酸腺苷(ATP)。由糖、磷酸鹽和核苷堿基腺嘌呤組成的分子能夠?yàn)榧∪夂推渌锝M分供能,蛋白質(zhì)只是結(jié)合在DNA鏈的特定位點(diǎn)上。
所有的DNA都由四種類型的核苷堿基組成,即腺嘌呤(A),鳥嘌呤(G),胞核嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)。樸次茅斯大學(xué)的分子生物技術(shù)專家弗門(Keith Firman)說(shuō):“因?yàn)榈鞍踪|(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)只能允許自己附著在DNA堿基的某些特定順序上。這就使得科學(xué)家得以準(zhǔn)確地控制它在DNA上的位置?!?/p>
當(dāng)ATP燃料被添加在開關(guān)周圍時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)拉動(dòng)DNA,在它下面繞圈,一直到它抵達(dá)金屬珠。然后金屬珠會(huì)撞上發(fā)動(dòng)機(jī),就像一根多節(jié)的繩子卡到了一個(gè)滑輪里一般。
當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)耗盡了燃料的時(shí)候,它就脫離開DNA鏈,磁場(chǎng)于是重新將DNA拉緊。
正像任何磁性材料,順磁的珠子在通過(guò)磁場(chǎng)的時(shí)候也將產(chǎn)生電信號(hào)。為了偵察到這種微弱的信號(hào),科學(xué)家在DNA的通道基部放置了一些叫做“霍爾效應(yīng)傳感器”(Hall Effect sensor)的靈敏傳感器。這些傳感器可以感受到磁體的移動(dòng)。
所以,在添加了燃料的時(shí)候,這個(gè)微裝置就能發(fā)出開關(guān)的控制信號(hào)。弗門說(shuō):“叫它開關(guān),因?yàn)樗潜籄TP燃料激活的,是用在發(fā)動(dòng)機(jī)上的。當(dāng)被激活時(shí),它就會(huì)打開電子裝置,而當(dāng)它沒有被激活時(shí),就關(guān)閉了。
弗門還指出:未來(lái),人們有可能制造出可以控制納米管中流動(dòng)材料的珠子。直接拉動(dòng)DNA鏈,讓珠子移動(dòng)進(jìn)入納米管,可以封鎖住液體的流動(dòng);直接用開關(guān)釋放DNA,讓金屬珠移向磁場(chǎng),就可以讓液體再次通過(guò)。