湯浩 石麗娟 于利 曹宇

1.3.3毛細胞纖毛束的偏離啟動了機械-電的轉導 在圖2中已表明，纖毛束向右側偏移時，是一種正向的刺激,能夠使毛細胞去極化；而向相反方向運動時則會引發(fā)毛細胞的超極化。圖5a是一個記錄電極插入到細毛細胞胞質中的模式圖[3,8]。將一個機械刺激作用于毛細胞的纖毛束，就可以誘導出一個電反應，即產(chǎn)生感受器電位(圖5b，c)。這一電位是由機械敏感性離子通道控制的。在體外實驗觀察到，當附著在一束纖毛頂部的探針使其偏轉時，毛細胞對此的反應取決于所受刺激的方向和大小(圖5b，c)，在未受刺激的細胞中接近15%的轉導通道是開放的，因此，毛細胞的靜息電位大約是-60 mV，部分是由內流的轉導電流決定的。一個使纖毛向傾斜的較高側緣(動毛側)偏轉的正性刺激可以使其余的通道打開，結果正離子的內流使得細胞去極化，去極化的程度大約是10 mV。相反，一個使纖毛向較低緣偏移的負性刺激則可以關閉這些在靜息時開放的轉導通道，使細胞超極化(圖5b，c)。簡單地說，毛細胞只對在形態(tài)上與纖毛的軸平行的刺激成分產(chǎn)生反應，因而一個傾斜的刺激引起一個與其軸的矢量突起成比例的反應。

圖5毛細胞的機械敏感性檢測
a.一個記錄電極插入到細毛細胞胞質中的模式圖
b.對纖毛束施加一個機械力使這個彈性結構發(fā)生偏移
c.當一個纖毛束的頂端在刺激電極作用下往復偏移時，機械敏感性通道開放和關閉，從而產(chǎn)生一個振蕩的感受器電位
d.一個受刺激的毛細胞，以感受器電位作為縱坐標，纖毛束的偏移作為橫坐標，二者表現(xiàn)出 “S”形曲線的關系。

一個毛細胞的感受器電位是分等級的，隨著刺激振幅的增大感受器電位也隨之逐漸增大，直至飽和時的最大值。纖毛束的偏移與它產(chǎn)生的電反應之間呈S形關系(圖5d)。與毛細胞對微小刺激的敏感度相一致，100 mV的移位可以表現(xiàn)出90%的反應范圍。在正常刺激的情況下，纖毛束的偏移在±1°或更大一點的范圍內，也就是說小于一個立體纖毛的直徑。毛細胞非常敏感，因此，聽覺和前庭感受器的反應閾很可能是布朗運動確定的。在體外觀察時，一束纖毛可以做約3 nm的布朗運動，即聽力的閾值同纖毛束的偏離(約為±0.3 nm)有關。但由于聽覺系統(tǒng)要平均地對幾個周波做出反應而改善它的信噪比，這一數(shù)量的刺激可引起大約100 μV的動作電位。

毛細胞的機械電轉導通道是相對的無選擇性，并且陽離子通過孔有接近100 pS的電導系數(shù)。因為小的有機正離子支持可測量的電流，轉導通道孔徑至少為0.7 nm，大多數(shù)的轉導電流是由K+運送的。K+是浸潤著纖毛束的內淋巴中濃度最高的正離子，這些通道的不敏感性使得它們容易被氨基糖苷類的抗生素阻滯，例如鏈霉素、慶大霉素和托普霉素，在被大量用于抗感染時，這些藥物對毛細胞容易產(chǎn)生耳毒性作用；大量的形態(tài)學實驗證明，這些抗生素破壞了毛細胞的纖毛束甚至殺死毛細胞。有一種學說認為，這些藥物可以通過轉導通道低速潛入細胞內并且通過干涉線粒體中的核糖體(同原核生物的核糖相似)上的蛋白合成而轉為長期的毒性作用。與這一假說相一致的是，人類對氨基糖苷類的敏感性是作為線粒體的特性遺傳而來的。

聲音分析和單通道記錄表明，每個毛細胞只有約100個轉導通道。因為在纖毛束中有相當數(shù)量的立體纖毛，而且感受器電位粗略地同顯微解剖術上保留的立體纖毛的數(shù)量成比例，所以每個立體纖毛上可能都有一個或幾個活性轉導通道。毛細胞上機械電轉導通道的不足以及用于修飾它們的高親和力配體的缺乏，很可能是這些通道的生化性質至今仍未被描述出來的重要原因。

1.3.4門控彈簧學說——機械-電轉導的離子門控機制毛細胞纖毛束的偏離啟動了機械-電的轉導，提示機械力直接控制轉導通道的開啟與關閉。換言之，機械-電轉導的通道是受纖毛束的彈性結構調控的門控式通道[3,7～9]。由此可見，毛細胞中的機械電轉導所包括的離子門控機制，是完全不同于神經(jīng)、肌肉等細胞的跨膜信號轉導方式，例如動作電位突觸后電位的電信號轉導的離子門控機制是由化學信號調控的。毛細胞的通道是受機械張力影響的，而不是對膜電位的反應或與配子結合。

有證據(jù)表明，轉導通道的開閉是受纖毛束中的彈性結構的張力調節(jié)的。首先，測量與機械電轉導有關的纖毛束的硬度成分是可能的。一束纖毛在沿著其形態(tài)學對稱的軸上比其在直角時更堅硬，因此具有機械敏感性。有人將一部分用于使纖毛束偏移的力作用稱為門控彈簧(gating spring)，觀察表明，在這個彈性結構上具有控制著轉導通道的分子門控系統(tǒng)(圖6)。由于門控彈簧多半分布于纖毛束的堅硬部分，因此，當纖毛束偏離時，轉導通道可以高效地捕獲所供給的能量。另外，纖毛束的硬度在通道門控系統(tǒng)的作用過程中減小，這一現(xiàn)象認為是直接通過纖毛束與通道之間的機械連接控制的。

圖6毛細胞的機械-電轉導離子門控機制的模型
a.上圖：毛細胞上參與機械-電轉導作用的離子通道是門控式通道,受纖毛束的彈性結構調控。這個通道可能是一個跨膜蛋白，具有陽離子選擇性孔道。經(jīng)過這個通道的離子通透可被一個分子門所調控，而這個分子門的開放和關閉又受到一種彈性成分-門控彈簧的調節(jié)，門控彈簧能夠感受纖毛束的偏移(引自Howard等，1988)
下圖：當纖毛束處于靜息狀態(tài)時,每個轉導通道也在關閉和開放兩種狀態(tài)間交替，而大多數(shù)時間是關閉的(左圖)。當纖毛束向正向偏移時,增加了門控彈簧的張力(中間圖)，此門控彈簧被認為是一種尖端連接，連接著每個通道的分子門，增加的張力促使通道的開放，正離子流入，因而產(chǎn)生了一個去極化的感受器電位(右圖)(引自Hudspeth,1989)
b.在纖毛束的頂端表面的掃描電鏡圖(左圖)以及透射電鏡圖(右圖)中，可見連接靜纖毛頂端和相鄰的較長的靜纖毛側壁的連接，稱頂端連接。盡管每個頂端連接直徑僅有3 nm，在左側的圖解中，這些頂端連接顯得格外堅固，是由于樣本處理過程中進行金屬包被的原因 (引自Assad，1991)

另一方面的證據(jù)是，機械-電轉導中利用的通道是由門控彈簧直接控制的，這一控制速度同毛細胞的反應一樣的迅速，即反應的潛伏期很短，只有幾微秒。因此，這種不借助第二信使的門控系統(tǒng)更像是直接控制而非間接控制。毛細胞對于一系列不斷變大的階梯式的刺激的反應并不只是逐步地增大，而是快速地上升。這一現(xiàn)象支持了動力學的一種理論，即機械力控制著通道門控的速度恒量。如果來自于刺激的機械能被儲存在一個與通道門相連的彈簧上，那么通道開啟和關閉的速度取決于彈簧的能量含量與用于開閉通道的過渡態(tài)能量的差值。

已有人通過三種實驗技術證明，機械-電轉導的位置是在立體纖毛的頂部[3,9,10]。第一，通過測量一個受刺激的纖毛束周圍的胞外電勢的微小變化而推斷出陽離子內流進入毛細胞的區(qū)域，即電壓信號在纖毛束的頂部最強；正離子內流轉導通道會聚于立體纖毛頂部附近。第二，可以阻斷這些通道的氨基糖苷類抗生素在纖毛束的頂部可發(fā)揮出最大的作用。第三，Ca2+敏感性熒光指示劑能夠標識出Ca2+在接近偏離的纖毛束頂部的地方進入。轉導電流在改變毛細胞膜電位之前沿著軸方向流動到立體纖毛，這樣就影響了突觸遞質的釋放速度。盡管立體纖毛非常的狹窄，但是它也很短，所以它們的電纜特性不會對電信號產(chǎn)生較大的削弱作用。

門控彈簧已經(jīng)被認為是一種頂端連接，即一種兩個立體纖毛間的絲狀的連接(圖6b)。每個頂端連接都是精細的纖維，它可能是以傾斜的方式連接著立體纖毛的頂端和鄰近的較長纖毛的側壁的最長的突起的一對分子鏈。人們認為每個連接在其一端或兩端都與一個或幾個轉導通道的分子門相粘附。在這樣的排列之下，在正方向上推動一束纖毛可以拉長頂端連接并且促進通道打開；一個相反方向的刺激可以松弛頂端連接并且允許相關的通道關閉(圖6a)。有三方面證據(jù)表明頂端連接是門控彈簧[3]：首先，連接普遍地存在于纖毛束中，在纖毛束中它們分布在由生物物理實驗中推斷出來的轉導位置；其次，當頂端連接通過將毛細胞暴露在Ca2+螯合劑中而被破壞時，轉導也隨之消失；最后，頂端連接的方向同矢量轉導的敏感性方向一致。圖6b中可見，在靜息狀態(tài)，頂端連接以傾斜的方式連接著立體纖毛的遠端和鄰近纖毛，而且以這種方式長度不變地聯(lián)系著立體纖毛并形成鏡面對稱的纖毛束平面。當一個直角的作用對纖毛束形成鏡面對稱刺激時，幾乎無法從毛細胞引出反應，原因在于這種刺激不會改變頂端連接的長度，即不會使纖毛束產(chǎn)生偏移。只有來自正向或反向推動作用才能拉長或縮短(緊張或松弛)頂端連接，頂端連接被拉長時，促進通道打開并引起毛細胞去極化反應，反向刺激使頂端連接松弛，轉導通道關閉，引起毛細胞超極化。因此，這種直接的機械-電轉導的離子門控機制是毛細胞反應迅速的關鍵所在。