極端環(huán)境下滲透壓改變以及相容性溶質(zhì)和對環(huán)境壓力下耐受性的調節

01極端環(huán)境 

環(huán)境是特定生物（或生物群）賴(lài)以生存的外界條件的總和，包括一定的空間，以及直接或間接影響生物生存的各種因素，如溫度、pH、光照、空氣、液態(tài)水等。地球上多數生物適于生存在溫和的環(huán)境條件下。

溫和環(huán)境條件通常是指溫度在20~40℃之間，pH接近中性，大氣壓為1.01x105Pa,以及具有足夠可利用的水分、營(yíng)養成分和鹽分。超出溫和環(huán)境條件之外的環(huán)境條件通常被認為不適宜生物生存。

其中部分環(huán)境因存在高溫、高寒、高旱、高酸、高堿、高壓、高輻射等極端惡劣條件一度被認為是生命的禁區，這類(lèi)環(huán)境被稱(chēng)為極端環(huán)境（extreme environments)。

自然界中存在的高溫熱泉、鹽湖、堿湖、沙漠、極地、深海海底、火山口等即屬于典型的極端環(huán)境。極端環(huán)境的環(huán)境參數如極端pH環(huán)境，高溫、低溫、高鹽、低鹽、高水活度、低水活度等。

02極端微生物的分類(lèi)

根據極端微生物的生存環(huán)境和生理特點(diǎn)可將其分為嗜熱微生物、嗜冷微生物、嗜酸微生物、嗜堿微生物、嗜鹽微生物、嗜壓微生物和抗輻射微生物等。其中在一種以上極端環(huán)境生存的微生物成為多重嗜極微生物。

03極端微生物環(huán)境適應機制

在生理生化(Brown，1976,1978；Jennings，1983；Munns等人，1983；Vreeland，1987)等方面，生物體在高滲透壓（摩爾濃度滲透壓，摩爾滲透壓）條件下生長(cháng)的能力受到了極大的關(guān)注。

在生長(cháng)過(guò)程中，有壁細胞的內部滲透壓大于外部滲透壓（摩爾濃度滲透壓，摩爾滲透壓）。隨之而來(lái)的水滲入細胞，導致體積增加的趨勢，與伸展的細胞壁相反，在細胞內產(chǎn)生膨脹的壓力。因為細胞壁的彈性在不同的生物體中是不同的，所以產(chǎn)生合適的膨脹壓力所需的延伸可能對不同的細胞類(lèi)型有很大的不同(諾貝爾，1983)。

如果外部滲透壓（摩爾濃度滲透壓，摩爾滲透壓）增加，水就會(huì )流出，體積和溶脹度會(huì )減少，細胞會(huì )收縮，直到達到新的滲透平衡。通過(guò)以這種方式處理，發(fā)現許多藻類(lèi)細胞可恢復它們最初的溶脹度(Cram，1976)。這是通過(guò)運輸或生物化學(xué)轉換積累溶質(zhì)，提高內部滲透壓（摩爾濃度滲透壓，摩爾滲透壓），水流入細胞內，隨后恢復細胞膨脹來(lái)實(shí)現的。這種有壁細胞運行著(zhù)一套膨脹調節系統。

在無(wú)壁細胞中，質(zhì)膜只能維持微不足道的靜水壓力。在低滲透介質(zhì)(如淡水環(huán)境)中，無(wú)壁微生物通過(guò)可收縮的液泡來(lái)調節它們的體積，以排出由于細胞內部和外部介質(zhì)之間的滲透不平衡而積聚的多余液體。在低滲透介質(zhì)(如淡水環(huán)境)中，無(wú)壁微生物通過(guò)收縮液泡來(lái)調節其體積，以排出由于細胞內外滲透不平衡而積累的多余液體。

在生長(cháng)在含鹽介質(zhì)(如海洋環(huán)境)中的微生物中，內外滲透壓實(shí)際上是相等的，不需要可收縮的液泡。作為對高滲處理的響應，無(wú)壁生物可以通過(guò)在細胞內積累溶質(zhì)來(lái)調節它們的體積，同時(shí)伴隨著(zhù)滲透驅動(dòng)的水的流入和在基本恒定的內滲透壓（摩爾濃度滲透壓，摩爾滲透壓）下細胞體積的增加。

因此，無(wú)壁細胞表現出體積調節(Cram，1976；Reed，1984)。因此，細胞滲透關(guān)系涉及這兩個(gè)參數，即細胞體積和細胞膨壓。

在大多數生長(cháng)在高滲透壓（摩爾濃度滲透壓，摩爾滲透壓）條件下的生物體中，內部滲透壓（摩爾濃度滲透壓，摩爾滲透壓）主要是由一種或多種低分子有機溶質(zhì)在細胞內的積累產(chǎn)生的。細胞內有機溶質(zhì)的滲透調節已被廣泛報道，包括細菌(Measures，1975)、藍藻(Reed等人，1984a，b；Mackay等人，1984)、真菌(Brown&Simpson，1972；Jennings，1983；Gadd等人，1984)和微藻(Hellebust，1976)。

一些研究表明，滲透壓（摩爾濃度滲透壓，摩爾滲透壓）力下的酵母會(huì )積累多元醇，特別是甘油和阿拉伯醇(Borowitzka&Brown，1974；GuStason，1979；Jennings，1984；Adler等人，1985；Hocking，1986)。

還有其他碳水化合物可能對酵母的細胞內滲透壓（摩爾濃度滲透壓，摩爾滲透壓）有相當大的貢獻，但對外部環(huán)境滲透壓（摩爾濃度滲透壓，摩爾滲透壓）的變化沒(méi)有反應(Jennings，1983)。相反，釀酒酵母中的甘油等化合物在滲透調節中起著(zhù)重要作用，因為它們的胞內濃度和絕對量會(huì )隨外滲壓（摩爾濃度滲透壓，摩爾滲透壓）力的變化而變化。

04相容性溶質(zhì)

所有已知的滲透響應性溶質(zhì)(或滲透摩爾)都不同程度地符合Brown&Simpson(1972)提出的相容溶質(zhì)的定義。相容性溶質(zhì)是低分子質(zhì)量的中性化合物，在細胞內可以積累到很高的濃度，而對酶的抑制作用很小。并非所有的有機相容溶質(zhì)都是碳水化合物(Borowitzka，1985)；其他類(lèi)別包括氨基酸、叔硫化合物和季銨化合物(包括甜菜堿)。

雖然這些相容性溶質(zhì)的作用機制不盡相同而且未完全明了，但根據Low(1985)回顧的迄今常見(jiàn)的相容溶質(zhì)功能模型，這些化合物優(yōu)先被排除在蛋白質(zhì)的水化膜體之外，促進(jìn)亞基組裝，穩定變性，并在變性溶質(zhì)存在的情況下激活酶。

因此，Arakawa&Timasheff(1 985)描述了某些中性滲透分子對溶菌酶誘導的蛋白質(zhì)優(yōu)先水化作用。Le Ruddier等人的研究(1984)討論了保護大腸桿菌等細菌免受滲透脅迫的OSM(滲透耐受性)基因的分子生物學(xué)，并提出它們在抗旱性方面可能以類(lèi)似的方式發(fā)揮作用。Crowe et al.。

(1984a，6)的研究表明，幾種碳水化合物在干燥條件下能夠保持膜的結構和功能。釀酒酵母細胞在高滲休克時(shí)會(huì )積累大量對滲透壓（摩爾濃度滲透壓，摩爾滲透壓）有顯著(zhù)作用的甘油(Edgley&Brown，1983；Reed等人，1987)。

05細胞體積調節與TRPV

細胞內外滲透壓（摩爾濃度滲透壓，摩爾滲透壓）的變化導致水的轉運和細胞體積的變化（ 與AQP3及AQP4相關(guān)）。

哺乳動(dòng)物細胞通常對低滲溶液中的細胞溶脹和調節體積增加(RVI)的高滲溶液中的細胞收縮（RVD）做出反應(有關(guān)綜述，請參閱Hoffmann等人)。2009年)。機械敏感通道有時(shí)參與容積調節，因為容積的變化會(huì )影響膜張力。

由于對細胞施加不同滲透壓（摩爾濃度滲透壓，摩爾滲透壓）溶液非常簡(jiǎn)便，與直接機械刺激相比，滲透刺激常被用來(lái)研究機械敏感通道。然而，機械敏感通道只是檢測細胞體積變化的一種手段。用于檢測容積變化的其他系統可使用離子通道以調節所涉及的信號級聯(lián)的一部分。

在RVD或RVI期間，細胞通過(guò)改變細胞內電解質(zhì)(通常是K+和Cl等離子)的濃度來(lái)響應體積的變化�；蛘咄ㄟ^(guò)有機滲透壓改變細胞內滲透壓。K+和Cl的通量由離子通道的開(kāi)啟和關(guān)閉來(lái)調節。如，Ca~(2+)通過(guò)機械敏感通道（TRPs））或機械敏感信號級聯(lián)激活的通道進(jìn)入細胞，往往是參與細胞體積調節過(guò)程的重要觸發(fā)因素或組成部分。細胞內Ca~(2+)濃度的變化導致Ca~(2+)激活通道的激活或Ca~(2+)敏感代謝途徑的改變。哺乳動(dòng)物色氨酸通道可能參與機械或滲透壓（摩爾濃度滲透壓，摩爾滲透壓）響應。

因此，研究哺乳動(dòng)物的異構體，特別是那些與無(wú)脊椎動(dòng)物TRPs密切相關(guān)的異構體是否參與哺乳動(dòng)物的類(lèi)似過(guò)程是合乎邏輯的（1997年；Kim等人，2003年；Tracey et al.，2003年；Walker等人，2000)。

Müller細胞末端TRPV4-AQP4相互作用的模式

低滲壓刺激滲透梯度后的水通量，細胞體積的增加拉長(cháng)了質(zhì)膜，激活TRPV4和對鈣和拉伸敏感的PLA2，合成產(chǎn)物花生四烯酸(AA)，也是細胞色素P450介導的二十烷類(lèi)代謝物(EETs)的前體，EETs是TRPV4通道的最終激活劑(Ryskamp等人，2015年)，但也可能抑制Kir4.1(Bringmann等人，1998年)，Kir4.1(Reichenbach和Bringmann，2010)和反應性膠質(zhì)增生(Ryskamp等人，2014)的表達受到HTS誘導的Ca2內流的調節。

拉伸是否與TRPV4同時(shí)激活PLA2，或者其激活(依賴(lài)于Ca2+)是否放大了初始的TRPV4信號(藍色箭頭)仍有待確定。Ca2+誘導細胞腫脹(短期)和RVD(長(cháng)期)，可能是鈣依賴(lài)的基因表達(Aqp4，Kir4.1，TRPV4，GFAP)所必需的。高水平的Ca~(2+)也可能刺激BK和VRAC通道的活化，促進(jìn)細胞收縮。

Jo, A. O., Ryskamp, D. A., Phuong, T. T. T., Verkman, A. S., Yarishkin, O., MacAulay, N., & Kri aj, D. (2015). TRPV4 and AQP4 Channels Synergistically Regulate Cell Volume and Calcium Homeostasis in Retinal Muller Glia. Journal of Neuroscience, 35(39), 13525–13537. doi:10.1523/jneurosci.1987-15.2015

TRPV1整合了多種不同類(lèi)型的激活刺激，并且在生理條件下，TRPV1對高滲刺激較為敏感。作為一套動(dòng)態(tài)平衡機制，生物體通過(guò)攝入或排出水和鹽，共同將體液滲透壓維持在接近300mOsm/kg動(dòng)態(tài)穩定水平。這種動(dòng)態(tài)平衡對滲透壓（摩爾濃度滲透壓，摩爾滲透壓）調節至關(guān)重要，因為嚴重的高滲或低滲引起的細胞體積變化可能導致器官不可逆轉的損害，并導致致命的神經(jīng)創(chuàng )傷。

TRPV4對于維持哺乳動(dòng)物的滲透平衡是必要的，在中樞神經(jīng)系統中作為滲透感受器的一部分，它是通過(guò)增加細胞體積來(lái)激活的，而不依賴(lài)于PLA2的活性，研究中發(fā)現，TRPV4對滲透壓（摩爾濃度滲透壓，摩爾滲透壓）的調控受AQP4的介導，同時(shí)與溫度升高正相關(guān)。（參考電解質(zhì)、滲透壓（摩爾濃度滲透壓，摩爾滲透壓）通過(guò)對細胞容積變化的調節 激活TRPV1和TRPV4 產(chǎn)生刺激 https://mp.weixin.qq.com/s/9ufk2AUQoGOX_U2tptAAjA） 

06相容性溶質(zhì)生物學(xué)功能及作用機制

滲透保護作用是相容性溶質(zhì)的共性作用。其滲透保護功能主要包括：維持正常的細胞膨壓，以維持對細胞外環(huán)境的滲透平衡；在低水分活度維持酶的穩定性；在脫水狀態(tài)下保證生物膜的完整性。

除滲透保護作用外，已有大量研究證明相容性溶質(zhì)在多種應激條件下對蛋白質(zhì)、DNA及細胞膜結構等生物大分子具有穩定作用。除上述共性作用外，各種相容性溶質(zhì)還具有抗氧化、抗輻射、分子伴侶等更廣泛的作用。

大量研究顯示，多數相容性溶質(zhì)在高濃度下對生物大分子具有穩定作用。自然狀態(tài)下，相容性溶質(zhì)僅在發(fā)生破壞生物大分子穩定性的應激狀態(tài)時(shí)發(fā)揮穩定作用。這些應激狀態(tài)包括干擾溶質(zhì)（perturbing solutes)、干旱／脫水（an-hydrobiosis)、低溫／冷凍、高溫、高靜水壓（hydrostatic pressure)等。

感覺(jué)(神經(jīng))細胞對氣味(A)、滲透壓(B)和機械刺激(C) 的響應

Osmosensitivity of Transient Receptor Potential Vanilloid 1 Is Synergistically Enhanced by Distinct Activating Stimuli Such as Temperature and Protons,PLoS one,www.plosone.org, July 2011, Volume 6,issue 7,e22246

07相容性溶質(zhì)種類(lèi)和臨床應用

20世紀70年代以來(lái)，相容性溶質(zhì)作為一類(lèi)最初從極端微生物及脅迫環(huán)境中生存的植物體內發(fā)現的小分子化學(xué)物質(zhì)，目前已經(jīng)發(fā)現數十種，包括甘油及部分衍生物、海藻糖、甜菜堿、甘露醇、山梨醇等，其主要應用領(lǐng)域為化妝品、食品和醫藥領(lǐng)域，常用作保濕劑、滲透調節劑、抗炎等作用。由于對相容性溶質(zhì)的研究相對較少，因此，多數品種的開(kāi)發(fā)和應用并不充分。