科学家第一次绘制出:人耳听觉蛋白质的结构

【字体: 时间:2008年07月16日 来源:网易

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  这是人体最奇妙的系统之一。但它到底如何运作的至今仍是个谜。我们的目标是要确定该系统的形态,然后才可知道它是如何运作的。

  

 

如果听觉系统能足够的敏感,人类将会听到空气中的任何分子撞击耳膜的声音

 

    据美国《科学日报》报道,日前柏克莱实验室的科学家首次绘制出了人类内耳用于控制听觉和平衡的蛋白质结构。

    人类的耳朵被誉为自然界最精密的“机械”,其耳内的蛋白质结构,轻薄如细丝,称为蛋白质纤维。科学家们的这一研究成果为了解听觉系统更为基础的知识开启了大门。而这一发现也可能会引起治疗失聪方法的改进,从而为全球百分之十的聋哑人口造福。

    科学家称,内耳的蛋白质纤维能将声音的机械振动转变为可以为大脑所识别的电子信号。虽然它们仅有4纳米宽,160纳米长(一纳米等于一百万分之一米),但一旦它们受到损害,那么人的听力将受损,而整个世界将变得一片寂静。这些蛋白质纤维是感官系统的一部分,有了它们,人们才能听到巨大的油门轰鸣声亦或是绣花针掉在地上的微小声音。听觉系统的功能如此神奇,生物体内其他任何一个感官系统以及电机工程领域都没有如此功能的系统存在。柏克莱实验室生命科学部的曼弗雷德·奥尔(Manfred Auer)说:“这是人体最奇妙的系统之一。但它到底是如何运作的至今仍是个谜。我们的目标是要确定该系统的形态,然后我们才可以知道它是如何运作的。”

    为此,奥尔和他的同事利用电子断层摄影术(electron tomography),绘制了几百张不同的角度的蛋白质结构图,并将它们重构成为一个三维立体复合图。八年前,当奥尔的团队着手开始研究更多关于听觉系统的组成部分时,电子断层摄影术才首次被运用在听觉系统研究方面。多年的经验使得他们对该技术驾轻就熟。

    绘制出的结构图像显示,人的内耳里有大量的长着听觉细胞感受体(hair bundle)的毛细胞。这些听觉细胞感受体在耳膜振动时随着空气的流动而摆动,就像微风拂过时麦子的随风轻摆。通过近距离地放大可以看到,每束听觉细胞感受体由单独的被称为“静纤毛”的纤毛组成。相邻的静纤毛由蛋白质纤维联系起来,也称为“端部联结”(tip links)。当静纤毛开始摆动,端部联结被拉伸,从而在一瞬间打开了一个传声渠道,允许带正电荷的离子进入毛细胞,从而引起神经传递物质释放,最终到达中枢神经系统,为大脑所识别。这种方式我们可以简单看作是由机械地振动,引起传声渠道的开放,将振动转化为电信号,并最终为我们以蝉鸣、鸟叫或是人的语言的形式所听到。

    奥尔说:“听觉系统真令人难以置信。但我们仍不知道这些联结由什么组成,听觉细胞感受体如何以分子的形式进行运作。”直到电子断层摄影术的引入,这一难题才找到了解决的出路。奥尔和他的同事的利用该技术将听觉细胞感受体进行分析。如今,他们已经对听觉细胞感受体联结进行了三维重建,并获得了该联结长度的高精度的测量数据和图像。

    细胞结构生物学的一个重大发现是获得了复杂系统的分子目录,并表明了蛋白质是如何一起起作用从而实现其神奇功能。奥尔称他们也正在努力地获得听觉细胞感受体的详细目录。利用电子断层摄影术对听觉细胞感受体进行研究,也让研究小组有了更多有趣的研究话题。例如,人的听觉既能适应巨大的声响,也能敏感地听到低沉的耳语。那么人们不禁要问它能如此敏感地听见耳语,但为什么又不能敏感地到听见任何其他的分子撞击耳膜的声音呢?

    奥尔说:“如果听觉系统能足够的敏感,人类将会听到空气中的任何分子撞击耳膜的声音。利用电子断层摄影术来研究听觉细胞感受体的确是个很好的方法,但我们需要知道得更多,需要进一步了解听觉系统的分子结构。我们相信,我们最终将绘制出更为详细的听觉细胞感受体的分子图,而此图将让我们清楚地了解到听觉细胞感受体是如何工作的,人类的听觉系统又是如何起作用的。”

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