综述：细胞运输稳态模型的建立与应用：从动态回路到多细胞系统解析

《Biophysical Journal》：Guiding principles for modelling cellular transport homeostasis

　　

摘要

细胞运输稳态作为一种普遍策略演化而来，它将所有细胞中膜运输、代谢与生物合成之间的动态相互作用联系起来。这些相互作用之间盘根错节的关系，加之影响稳态变量的其他过程所产生的影响，造就了诸多复杂性，使得直觉难以成为细胞反应的可靠解释者和预测者，往往需要借助建模来加以辅助。运输稳态中的主要变量包括：膜电位、细胞体积、通过主动和被动膜转运体的离子与中性溶质通量、可溶性离子和中性溶质的细胞质含量与浓度、不可通透的细胞质溶质的电荷与浓度、细胞质蛋白的电荷与渗透系数，以及细胞质中H⁺、Ca²⁺和Mg²⁺的缓冲能力。为解释上皮细胞、红细胞、感染疟疾的红细胞、网织红细胞、镰状细胞和植物保卫细胞中令人费解、出人意料或相互矛盾的观察结果而建立的细胞运输稳态模型，已被证明对于阐明许多实验、生理和病理背景下的潜在机制、厘清冲突、极大地拓展我们迄今为止对所研究的细胞系统的认识至关重要。运输稳态回路是一条维护细胞完整性的古老通路。在这一循环中，代谢产生的ATP为膜泵家族提供动力，使其维持跨质膜的离子梯度。这些梯度作为次级能量来源，驱动离子通过通道和离子偶联溶质载体进行被动运输。这些转运过程又为代谢性ATP产生以及蛋白质、脂质、RNA和DNA的生物合成提供底物，以替代已降解的膜转运体，从而闭合运输稳态回路。本综述概述了在建立这一动态回路模型时所应用的基本原则，以及这些模型在不同细胞类型中应用所取得的成就。