分子開關(guān)（控制細(xì)胞信號傳遞的的蛋白質(zhì)）

簡介

molecular switches，通過激活機(jī)制或失活機(jī)制精確控制細(xì)胞內(nèi)一系列信號傳遞的級聯(lián)反應(yīng)的蛋白質(zhì)。

細(xì)胞內(nèi)信號傳遞作為分子開關(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

對于通過細(xì)胞表面受體所介導(dǎo)的信號通路而言，除受體本身作為離子通道而起效應(yīng)器作用的情況之外，其他的信號通路首先要完成配體結(jié)合所誘發(fā)的信號跨膜轉(zhuǎn)導(dǎo)，隨之要通過細(xì)胞內(nèi)信號分子（包括第二信使）完成信號的逐級放大和終止。在細(xì)胞內(nèi)一系列信號傳遞的級聯(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)成信號傳遞的磷酸化級聯(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)是通過固定在DNA上的微小金屬珠的擺動(dòng)來拉動(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，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：“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，磁場于是重新將DNA拉緊。

正像任何磁性材料，順磁的珠子在通過磁場的時(shí)候也將產(chǎn)生電信號。為了偵察到這種微弱的信號，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。弗門說：“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，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，就可以讓液體再次通過。