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(diào)節(jié)

01極端環(huán)境 

環(huán)境是特定生物（或生物群）賴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(shù)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、營養(yǎng)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(qū)，這類環(huán)境被稱為極端環(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(shù)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

根據(jù)極端微生物的生存環(huán)境和生理特點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）條件下生長的能力受到了極大的關(guān)注。

在生長過程中，有壁細胞的內(nèi)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(nèi)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，水就會流出，體積和溶脹度會減少，細胞會收縮，直到達到新的滲透平衡。通過以這種方式處理，發(fā)現(xiàn)許多藻類細胞可恢復它們最初的溶脹度(Cram，1976)。這是通過運輸或生物化學轉(zhuǎn)換積累溶質(zhì)，提高內(nèi)部滲透壓（摩爾濃度滲透壓，摩爾滲透壓），水流入細胞內(nèi)，隨后恢復細胞膨脹來實現(xiàn)的。這種有壁細胞運行著一套膨脹調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

在無壁細胞中，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，無壁微生物通過可收縮的液泡來調(diào)節(jié)它們的體積，以排出由于細胞內(nèi)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，無壁微生物通過收縮液泡來調(diào)節(jié)其體積，以排出由于細胞內(nèi)外滲透不平衡而積累的多余液體。

在生長在含鹽介質(zhì)(如海洋環(huán)境)中的微生物中，內(nèi)外滲透壓實際上是相等的，不需要可收縮的液泡。作為對高滲處理的響應，無壁生物可以通過在細胞內(nèi)積累溶質(zhì)來調(diào)節(jié)它們的體積，同時伴隨著滲透驅(qū)動的水的流入和在基本恒定的內(nèi)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，無壁細胞表現(xiàn)出體積調(diào)節(jié)(Cram，1976；Reed，1984)。因此，細胞滲透關(guān)系涉及這兩個參數(shù)，即細胞體積和細胞膨壓。

在大多數(shù)生長在高滲透壓（摩爾濃度滲透壓，摩爾滲透壓）條件下的生物體中，內(nèi)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(nèi)的積累產(chǎn)生的。細胞內(nèi)有機溶質(zhì)的滲透調(diào)節(jié)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(nèi)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）的變化沒有反應(Jennings，1983)。相反，釀酒酵母中的甘油等化合物在滲透調(diào)節(jié)中起著重要作用，因為它們的胞內(nèi)濃度和絕對量會隨外滲壓（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(nèi)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(jù)Low(1985)回顧的迄今常見的相容溶質(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，促進亞基組裝，穩(wěn)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，并提出它們在抗旱性方面可能以類似的方式發(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(jié)構(gòu)和功能。釀酒酵母細胞在高滲休克時會積累大量對滲透壓（摩爾濃度滲透壓，摩爾滲透壓）有顯著作用的甘油(Edgley&Brown，1983；Reed等人，1987)。

05細胞體積調(diào)節(jié)與TRPV

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

哺乳動物細胞通常對低滲溶液中的細胞溶脹和調(diào)節(jié)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)。機械敏感通道有時參與容積調(diào)節(jié)，因為容積的變化會影響膜張力。

由于對細胞施加不同滲透壓（摩爾濃度滲透壓，摩爾滲透壓）溶液非常簡便，與直接機械刺激相比，滲透刺激常被用來研究機械敏感通道。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(tǒng)可使用離子通道以調(diào)節(jié)所涉及的信號級聯(lián)的一部分。

在RVD或RVI期間，細胞通過改變細胞內(nèi)電解質(zhì)(通常是K+和Cl等離子)的濃度來響應體積的變化。或者通過有機滲透壓改變細胞內(nèi)滲透壓。K+和Cl的通量由離子通道的開啟和關(guān)閉來調(diào)節(jié)。如，Ca~(2+)通過機械敏感通道（TRPs））或機械敏感信號級聯(lián)激活的通道進入細胞，往往是參與細胞體積調(diào)節(jié)過程的重要觸發(fā)因素或組成部分。細胞內(nèi)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，研究哺乳動物的異構(gòu)體，特別是那些與無脊椎動物TRPs密切相關(guān)的異構(gòu)體是否參與哺乳動物的類似過程是合乎邏輯的（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(nèi)流的調(diào)節(jié)。

拉伸是否與TRPV4同時激活PLA2，或者其激活(依賴于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(長期)，可能是鈣依賴的基因表達(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。作為一套動態(tài)平衡機制，生物體通過攝入或排出水和鹽，共同將體液滲透壓維持在接近300mOsm/kg動態(tài)穩(wěn)定水平。這種動態(tài)平衡對滲透壓（摩爾濃度滲透壓，摩爾滲透壓）調(diào)節(jié)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(zhuǎn)的損害，并導致致命的神經(jīng)創(chuàng)傷。

TRPV4對于維持哺乳動物的滲透平衡是必要的，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中作為滲透感受器的一部分，它是通過增加細胞體積來激活的，而不依賴于PLA2的活性，研究中發(fā)現(xiàn)，TRPV4對滲透壓（摩爾濃度滲透壓，摩爾滲透壓）的調(diào)控受AQP4的介導，同時與溫度升高正相關(guān)。（參考電解質(zhì)、滲透壓（摩爾濃度滲透壓，摩爾滲透壓）通過對細胞容積變化的調(diào)節(jié) 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(wěn)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(jié)構(gòu)等生物大分子具有穩(wěn)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(shù)相容性溶質(zhì)在高濃度下對生物大分子具有穩(wěn)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(wěn)定性的應激狀態(tài)時發(fā)揮穩(wěn)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(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)種類和臨床應用

20世紀70年代以來，相容性溶質(zhì)作為一類最初從極端微生物及脅迫環(huán)境中生存的植物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的小分子化學物質(zhì)，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)數(shù)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，其主要應用領域為化妝品、食品和醫(yī)藥領域，常用作保濕劑、滲透調(diào)節(jié)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(shù)品種的開發(fā)和應用并不充分。