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细胞力学中的电磁活动

时间:2022-11-02 | 作者:admin
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摘要:

这是对近期关于电磁效应对细胞力学的影响的文献的回顾。“最近”主要是指在这个(21 世纪)世纪发表的论文。该综述表明,与蛋白质、生物化学和细胞解剖学方面的论文相比,关于细胞电磁学的论文相对较少。审查论文的主要发现是,细胞电磁场似乎是由构成微管壁的细丝的纵向振动产生的。微管是形成中心粒整体结构的长空心圆柱体。微管以及中心粒本身排列在九组平行叶片中,每个叶片具有三个微管。中心粒成对出现,彼此垂直。在有丝分裂(细胞分裂)期间,中心粒对变成两对,然后将细胞分开并将细胞一分为二。似乎电磁力在这种划分中起着核心作用。讨论了伤口愈合以及肿瘤成像和治疗中的电磁活动。

关键词

中心 粒,微管,细胞 电磁,癌症

一、简介

这是关于中心粒细胞力学的一系列评论论文中的第三篇,重点是电磁效应。前两篇论文回顾了:1) 一般关于中心粒的文献,然后 2) 中心粒微管——中心粒的主要结构成分 [ 1 ] [ 2 ]。

本文引用的研究和发现以及之前的两篇论文主要是 21 世纪迄今为止记录的那些。与许多评论一样,重要的著作要么被无意中遗漏,要么没有得到应有的重视。我真诚地对这些遗漏和/或强调不足表示遗憾。

标题的含义是电磁效应在细胞力学中不仅重要而且必不可少。然而不幸的是,在生物学论文和书籍中,电磁效应经常被忽略,或者没有深入讨论。但在仔细检查细胞内力学,特别是中心粒后,电磁力的存在是显而易见的。也许最有说服力的证据是观察到的在中心粒对分离期间和有丝分裂期间通过动粒[ 3 ]-[ 6 ]在一定距离处施加的力。

此外,人们早就知道在开放式伤口的不同侧存在电压变化 [ 7 ] [ 8 ]。

这些电磁场及其相关力是如何产生的?现在,研究人员之间达成了相当大的共识,即微管细丝(MT细丝)的振动会产生振荡的磁场和电场。

如上所述,微管形成了中心粒的结构:具体而言,每个中心粒由九个微管三联体“叶片”组成(因此每个中心粒总共有 27 个微管)。微管本身是空心圆柱体,其壁由 13 根纵向细丝组成。细丝是首尾相连的一串α/β微管蛋白二聚体。

图 1-4 提供了中心粒、微管和 α/β 二聚体的结构示意图。

α/β微管蛋白二聚体的末端带有正电荷和负电荷。因此,当它们在微管灯丝中端对端堆叠在一起时,它们类似于一系列端对端连接的电池,就像在长手电筒中一样。在灯丝运动期间,这些带电二聚体通过它们的振动振荡产生电磁场 [ 9 ] - [ 12 ]。

图 1。中心粒的结构。

图 2。微管的结构。

图 3。MT细丝的结构。

图 4。α/β二聚体的结构。

本文的其余部分分为四个部分,其中第一部分为续集提供背景回顾。接下来的两节介绍了电磁效应及其幅度的证据。本文最后对研究结果的应用进行了简要讨论和设想。

2. 初步考虑:中心粒复制和微管发育的回顾

在所有真核(人和动物)细胞中,中心粒形成一对与细胞核相邻的垂直圆柱体。中心粒是长约 400 至 500 nm、直径约 200 nm 的中空圆柱体。在结构上,它们由九个由微管三联体组成的叶片组成——它们本身是空心圆柱体,外径约为 25 nm,内径约为 15 nm。

在身体的所有细胞器和器官中,中心粒是独一无二的,因为它们具有直线几何形状并且没有膜覆盖。此外,由于一对(“女儿”)中的一个从另一个(“母亲”)的基部表面生长,因此它们相互垂直。因此,女儿的轴线与母亲的轴线成直角相交。

虽然中心粒复制和发育的细节仍在研究中,但普遍接受的过程如下 [ 3 ] - [ 6 ]: ”一种被称为“无星”的蛋白质将自身附着在即将成为母体中心粒底部的一个外部微管上。asterless 然后招募蛋白质 Plk4(“polo 样激酶 4”)形成一个碱基并控制新中心粒的构建 [ 85 ]。Plk4 也称为(又名)“SAK”。

然后,Plk4 在母中心粒的下端像一个补丁或基地一样分布自己。接下来在另一种蛋白质 STIL(又名“SIL”)的帮助下,Plk4 和 SIL 在 Plk4 贴片上招募另一种蛋白质 SAS6。

在这一点上,SAS6 对称地扩展了九个从其中心向外延伸的辐条。这些辐条的外端形成微管的底座,每个辐条支撑三个微管。

微管碱基和微管本身由微管蛋白组成:碱基由 γ 微管蛋白环组成。然而,它们不是平坦的(或平面的),而是它们的末端重叠,因此它们具有锁紧垫圈的外观 [ 13 ]。此外,环沿其圆周不均匀,而是有 13 个等间距的孔(或通道),α/β 微管蛋白二聚体通过这些孔形成构成微管蛋白壁的细丝。

围绕中心粒是多达 100 种蛋白质的池,其中丰富的是 α/β 和 γ 微管蛋白。这个蛋白质库被称为“中心体”,也被称为“微管组织中心”或 MTOC。

MTOC 被认为是“电子密集的”[ 14 ] - [ 16 ],因此中心粒的基部带负电,而远端则带正电。

3. 电磁效应的证据

如前所述,开放性伤口的两侧之间存在电荷差异。这早已为人所知:它早在 1860 年就被 duBois-Raymond [ 7 ] 发现。

最近在 1960 年代和 1970 年代,Paul Schafer 在研究食道癌细胞时发现了中心粒几何形状的破坏,并且类似的中心粒几何形状破坏可能是由强电磁场引起的 [ 14 ] - [ 17 ]。相应地,在 2008 年和 2013 年 Pokorný 等人。报道称,电磁场会导致癌症 [ 18 ] [ 19 ]。

1990 年,魏斯等人。据报道,截肢动物的残肢有很强的负极性[ 8 ]。

大约在21世纪之交,人们对生物系统内的电磁场以及电磁场对生物系统的影响的兴趣大大增加。许多研究人员已经确定细胞电磁场的来源是由于微管细丝的纵向振动(例如 [ 9 ] [ 12 ] [ 20 ] - [ 27 ])。

细胞电磁活动最令人印象深刻的证据发生在有丝分裂期间:首先,当一对中心粒被复制时,产生的两对相互推挤并分开。接下来,当中心粒对被推开时,两对中最新的(或最年轻的)围绕核被驱动到直径相对的一侧,而较老的中心粒对保持在原位。最后,相对位置的中心粒围绕细胞核表面向彼此发送微管,从而构成“有丝分裂纺锤体”。同时,相对的中心粒对之间的核膜开始软化和收缩。从动粒中出现的微管在细胞核内延伸并连接有丝分裂纺锤体的微管,并以这种方式将细胞分成两个细胞。

图 5提供了该事件的表示。

在基本力学中,“力”通常被定义为“推或拉”[ 28 ]。在前面对有丝分裂的描述中,有推和拉的证据——和

图 5。细胞分离(有丝分裂)的表示。

也在远处。除了重力,只有电磁力在远处施加力。

由癌细胞组成的肿瘤提供了电磁细胞活动的额外表现证据。例如,乳腺癌肿瘤产生的电荷可以从外部测量 [ 29 ] [ 30 ]。相应地,肿瘤中的癌组织与邻近的正常组织之间存在电压梯度[ 31 ]-[ 34 ]。

据信,癌性肿瘤的增强电磁场会吸引血管,然后扩张并变成恶性[ 35 ]。

已知癌细胞有多余的中心粒 [ 26 ] [ 36 ] - [ 70 ]。这些中心粒倾向于聚集在一起 [ 71 ],并且这些簇被认为是与癌组织相关的增强电磁场的来源。

细胞电磁效应的其他证据是染色体沿电场轴排列 [ 11 ],如前所述,电磁场促进血管生长 [ 35 ] [ 72 ]。

最后,有人提出微管内的振动丝是铁磁性的 [ 73 ] - [ 75 ]。

4. 实验结果和数据

不幸的是,由于细胞组织的微小尺寸,关于细胞电磁强度的可用记录数据很少。然而,显微镜和测量技术的改进可能会在中心粒及其微管的几何和物理特性方面产生新的发现。

以下是一些近似数据:

首先,对于伤口:2004 年赵,等。[ 30 ] 报告说,开放性皮肤伤口的电压降为每毫米 40 到 200 毫伏 (mv/mm)。同样在 2004 年,Mycielska 和 Djamgoz [ 76 ] 报道跨上皮细胞电位范围从几毫伏到几十毫伏。

接下来,在另一个极端,在小型数据中,数据甚至更不精确。例如,Stracke 等人。[ 77 ] 发现微管蛋白二聚体上的电荷为 0.19e,其中 e 是电子上的电荷。或者,基于 chrystallographic 数据的其他模型预测值是 50 倍或更多。

同样,研究人员测量了微管蛋白二聚体偶极矩(相反端电荷乘以分离距离)约为 100 德拜 [ 22 ] [ 78 ] [ 79 ]。(“德拜”为 10 -29厘米。)其他人指出该时刻大至 6000 德拜 [ 80 ]。

虽然这些数字很小,但 Pokorný [ 81 ] 表明微管附近的电场可以高达 10 8 v/m。

最后,通过加速电荷产生电磁场,人们对微管丝振动的频率感兴趣。这些数字的范围从 kHz 到 THz,典型值为 465 MHz [ 22 ] [ 82 ] [ 83 ]。

5. 研究结果的讨论和应用

在所有这些发现中,最令人感兴趣的是电磁场在肿瘤和肿瘤发生中的作用。如前所述,肿瘤(尤其是恶性肿瘤)似乎比正常组织具有更大的磁场。肿瘤的这种增加的场强被认为是由于癌细胞中出现的多余中心粒增强了磁场。场强化被认为是由于产生大量振动微管而产生的。此外,如前所述,多余的中心粒往往聚集在一起 [ 71 ]。

癌细胞的多余中心粒、聚集和增强的电磁场因此为成像和治疗提供了生物标志物。

许多研究人员目前正在寻求的一种有前途的方法是使用带磁性的纳米粒子被增强的中心粒磁场所吸引。设想的纳米粒子将小到足以穿透细胞膜,然后附着在中心粒簇上。此时,纳米粒子可以实现靶向药物递送至癌细胞;或者,纳米颗粒可以在外部振动,也可以通过加热杀死细胞;或作为一组,纳米粒子可用于对肿瘤进行成像,以进行精确的手术或放射治疗。

使用带磁性的纳米粒子治疗癌症有两个主要优点:首先,正常组织细胞只有一对中心粒,因此低磁场不会吸引带电纳米粒子。其次,带电纳米粒子的数量可能足够多,因此最终可以消除所有肿瘤细胞。

然而,使用带磁性的纳米粒子的一个困难是它们倾向于聚集在一起,因此失去了到达和穿透癌细胞的有效性。为了克服这个问题,一些人建议使用可以在电磁场附近磁化的超参纳米粒子[ 84 ]。

在开发和测试这些概念之前,还有很多工作要做。

致谢

谢弗中心粒研究基金会提供了对这项研究的支持,并由衷感谢。此外,对 Bardyl Tirana 和 Roger Adelman 的支持和鼓励表示感谢和赞赏。最后,感谢 Mary Schartman 在准备数据方面的支持。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

参考

[ 1 ] Huston, RL (2016) 细胞分裂期间中心粒活动和错误活动的回顾。生物科学与生物技术进展,7, 169-182。

[ 2 ] Huston, RL (2016) 中心粒微管力学。生物科学和生物技术进展,7,266-277。

[ 3 ] Alberts, B.、Bray, D.、Lewis, J.、Raff, M.、Roberts, K. 和 Watson, JD (1994) 细胞分子生物学,第三版,Garland Publishing,纽约。

[ 4 ] Hardin, J.、Bertoni, G. 和 Kleinsmith, LJ (2015) Becker 的细胞世界。第八版,皮尔逊,旧金山。

[ 5 ] Marieb, EN (1991) 人体解剖学和生理学,第三版,Benjamin/Cummings Publishing,加利福尼亚州红木城,第 3 章,60-101。

[ 6 ] Guest, C. (1996) 智能生物学:普林斯顿评论。兰登书屋,纽约,133-135。

[ 7 ] Cheng, K. 和 Zou, C. (2006) 中心粒复制的物理模型。医学假设,67, 572-577。

[ 8 ] Weiss, DS, Kirsner, R. 和 Eaglstein, WH (1990) 电刺激和伤口愈合。皮肤病学档案,126、222-225。

[ 9 ] Pokorny, J. (2011) 健康细胞和癌细胞的电动活动。物理学杂志:会议系列,329,文章 ID:012007。

[ 10 ] Zhao, Y. 和 Zhan, Q. (2012) 由微管、中心体和染色体的同步振荡产生的电场调节有丝分裂和减数分裂的动力学。理论生物学和医学建模,9, 26.

[ 11 ] Zhao, Y. 和 Zhan, Q. (2012) 染色质的电振荡和耦合调节真核细胞中的染色体包装和转录。理论生物学和医学建模,9, 27-38。

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