极端环境下渗透压改变以及相容性溶质和对环境压力下耐受性的调节

01极端环境 

环境是特定生物（或生物群）赖以生存的外界条件的总和，包括一定的空间，以及直接或间接影响生物生存的各种因素，如温度、pH、光照、空气、液态水等。地球上多数生物适于生存在温和的环境条件下。

温和环境条件通常是指温度在20~40℃之间，pH接近中性，大气压为1.01x105Pa,以及具有足够可利用的水分、营养成分和盐分。超出温和环境条件之外的环境条件通常被认为不适宜生物生存。

其中部分环境因存在高温、高寒、高旱、高酸、高碱、高压、高辐射等极端恶劣条件一度被认为是生命的禁区，这类环境被称为极端环境（extreme environments)。

自然界中存在的高温热泉、盐湖、碱湖、沙漠、极地、深海海底、火山口等即属于典型的极端环境。极端环境的环境参数如极端pH环境，高温、低温、高盐、低盐、高水活度、低水活度等。

02极端微生物的分类

根据极端微生物的生存环境和生理特点可将其分为嗜热微生物、嗜冷微生物、嗜酸微生物、嗜碱微生物、嗜盐微生物、嗜压微生物和抗辐射微生物等。其中在一种以上极端环境生存的微生物成为多重嗜极微生物。

03极端微生物环境适应机制

在生理生化(Brown，1976,1978；Jennings，1983；Munns等人，1983；Vreeland，1987)等方面，生物体在高渗透压（摩尔浓度渗透压，摩尔渗透压）条件下生长的能力受到了极大的关注。

在生长过程中，有壁细胞的内部渗透压大于外部渗透压（摩尔浓度渗透压，摩尔渗透压）。随之而来的水渗入细胞，导致体积增加的趋势，与伸展的细胞壁相反，在细胞内产生膨胀的压力。因为细胞壁的弹性在不同的生物体中是不同的，所以产生合适的膨胀压力所需的延伸可能对不同的细胞类型有很大的不同(诺贝尔，1983)。

如果外部渗透压（摩尔浓度渗透压，摩尔渗透压）增加，水就会流出，体积和溶胀度会减少，细胞会收缩，直到达到新的渗透平衡。通过以这种方式处理，发现许多藻类细胞可恢复它们最初的溶胀度(Cram，1976)。这是通过运输或生物化学转换积累溶质，提高内部渗透压（摩尔浓度渗透压，摩尔渗透压），水流入细胞内，随后恢复细胞膨胀来实现的。这种有壁细胞运行着一套膨胀调节系统。

在无壁细胞中，质膜只能维持微不足道的静水压力。在低渗透介质(如淡水环境)中，无壁微生物通过可收缩的液泡来调节它们的体积，以排出由于细胞内部和外部介质之间的渗透不平衡而积聚的多余液体。在低渗透介质(如淡水环境)中，无壁微生物通过收缩液泡来调节其体积，以排出由于细胞内外渗透不平衡而积累的多余液体。

在生长在含盐介质(如海洋环境)中的微生物中，内外渗透压实际上是相等的，不需要可收缩的液泡。作为对高渗处理的响应，无壁生物可以通过在细胞内积累溶质来调节它们的体积，同时伴随着渗透驱动的水的流入和在基本恒定的内渗透压（摩尔浓度渗透压，摩尔渗透压）下细胞体积的增加。

因此，无壁细胞表现出体积调节(Cram，1976；Reed，1984)。因此，细胞渗透关系涉及这两个参数，即细胞体积和细胞膨压。

在大多数生长在高渗透压（摩尔浓度渗透压，摩尔渗透压）条件下的生物体中，内部渗透压（摩尔浓度渗透压，摩尔渗透压）主要是由一种或多种低分子有机溶质在细胞内的积累产生的。细胞内有机溶质的渗透调节已被广泛报道，包括细菌(Measures，1975)、蓝藻(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，渗透压（摩尔浓度渗透压，摩尔渗透压）力下的酵母会积累多元醇，特别是甘油和阿拉伯醇(Borowitzka&Brown，1974；GuStason，1979；Jennings，1984；Adler等人，1985；Hocking，1986)。

还有其他碳水化合物可能对酵母的细胞内渗透压（摩尔浓度渗透压，摩尔渗透压）有相当大的贡献，但对外部环境渗透压（摩尔浓度渗透压，摩尔渗透压）的变化没有反应(Jennings，1983)。相反，酿酒酵母中的甘油等化合物在渗透调节中起着重要作用，因为它们的胞内浓度和绝对量会随外渗压（摩尔浓度渗透压，摩尔渗透压）力的变化而变化。

04相容性溶质

所有已知的渗透响应性溶质(或渗透摩尔)都不同程度地符合Brown&Simpson(1972)提出的相容溶质的定义。相容性溶质是低分子质量的中性化合物，在细胞内可以积累到很高的浓度，而对酶的抑制作用很小。并非所有的有机相容溶质都是碳水化合物(Borowitzka，1985)；其他类别包括氨基酸、叔硫化合物和季铵化合物(包括甜菜碱)。

虽然这些相容性溶质的作用机制不尽相同而且未完全明了，但根据Low(1985)回顾的迄今常见的相容溶质功能模型，这些化合物优先被排除在蛋白质的水化膜体之外，促进亚基组装，稳定变性，并在变性溶质存在的情况下激活酶。

因此，Arakawa&Timasheff(1 985)描述了某些中性渗透分子对溶菌酶诱导的蛋白质优先水化作用。Le Ruddier等人的研究(1984)讨论了保护大肠杆菌等细菌免受渗透胁迫的OSM(渗透耐受性)基因的分子生物学，并提出它们在抗旱性方面可能以类似的方式发挥作用。Crowe et al.。

(1984a，6)的研究表明，几种碳水化合物在干燥条件下能够保持膜的结构和功能。酿酒酵母细胞在高渗休克时会积累大量对渗透压（摩尔浓度渗透压，摩尔渗透压）有显著作用的甘油(Edgley&Brown，1983；Reed等人，1987)。

05细胞体积调节与TRPV

细胞内外渗透压（摩尔浓度渗透压，摩尔渗透压）的变化导致水的转运和细胞体积的变化（ 与AQP3及AQP4相关）。

哺乳动物细胞通常对低渗溶液中的细胞溶胀和调节体积增加(RVI)的高渗溶液中的细胞收缩（RVD）做出反应(有关综述，请参阅Hoffmann等人)。2009年)。机械敏感通道有时参与容积调节，因为容积的变化会影响膜张力。

由于对细胞施加不同渗透压（摩尔浓度渗透压，摩尔渗透压）溶液非常简便，与直接机械刺激相比，渗透刺激常被用来研究机械敏感通道。然而，机械敏感通道只是检测细胞体积变化的一种手段。用于检测容积变化的其他系统可使用离子通道以调节所涉及的信号级联的一部分。

在RVD或RVI期间，细胞通过改变细胞内电解质(通常是K+和Cl等离子)的浓度来响应体积的变化。或者通过有机渗透压改变细胞内渗透压。K+和Cl的通量由离子通道的开启和关闭来调节。如，Ca~(2+)通过机械敏感通道（TRPs））或机械敏感信号级联激活的通道进入细胞，往往是参与细胞体积调节过程的重要触发因素或组成部分。细胞内Ca~(2+)浓度的变化导致Ca~(2+)激活通道的激活或Ca~(2+)敏感代谢途径的改变。哺乳动物色氨酸通道可能参与机械或渗透压（摩尔浓度渗透压，摩尔渗透压）响应。

因此，研究哺乳动物的异构体，特别是那些与无脊椎动物TRPs密切相关的异构体是否参与哺乳动物的类似过程是合乎逻辑的（1997年；Kim等人，2003年；Tracey et al.，2003年；Walker等人，2000)。

Müller细胞末端TRPV4-AQP4相互作用的模式

低渗压刺激渗透梯度后的水通量，细胞体积的增加拉长了质膜，激活TRPV4和对钙和拉伸敏感的PLA2，合成产物花生四烯酸(AA)，也是细胞色素P450介导的二十烷类代谢物(EETs)的前体，EETs是TRPV4通道的最终激活剂(Ryskamp等人，2015年)，但也可能抑制Kir4.1(Bringmann等人，1998年)，Kir4.1(Reichenbach和Bringmann，2010)和反应性胶质增生(Ryskamp等人，2014)的表达受到HTS诱导的Ca2内流的调节。

拉伸是否与TRPV4同时激活PLA2，或者其激活(依赖于Ca2+)是否放大了初始的TRPV4信号(蓝色箭头)仍有待确定。Ca2+诱导细胞肿胀(短期)和RVD(长期)，可能是钙依赖的基因表达(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，促进细胞收缩。

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整合了多种不同类型的激活刺激，并且在生理条件下，TRPV1对高渗刺激较为敏感。作为一套动态平衡机制，生物体通过摄入或排出水和盐，共同将体液渗透压维持在接近300mOsm/kg动态稳定水平。这种动态平衡对渗透压（摩尔浓度渗透压，摩尔渗透压）调节至关重要，因为严重的高渗或低渗引起的细胞体积变化可能导致器官不可逆转的损害，并导致致命的神经创伤。

TRPV4对于维持哺乳动物的渗透平衡是必要的，在中枢神经系统中作为渗透感受器的一部分，它是通过增加细胞体积来激活的，而不依赖于PLA2的活性，研究中发现，TRPV4对渗透压（摩尔浓度渗透压，摩尔渗透压）的调控受AQP4的介导，同时与温度升高正相关。（参考电解质、渗透压（摩尔浓度渗透压，摩尔渗透压）通过对细胞容积变化的调节 激活TRPV1和TRPV4 产生刺激 https://mp.weixin.qq.com/s/9ufk2AUQoGOX_U2tptAAjA） 

06相容性溶质生物学功能及作用机制

渗透保护作用是相容性溶质的共性作用。其渗透保护功能主要包括：维持正常的细胞膨压，以维持对细胞外环境的渗透平衡；在低水分活度维持酶的稳定性；在脱水状态下保证生物膜的完整性。

除渗透保护作用外，已有大量研究证明相容性溶质在多种应激条件下对蛋白质、DNA及细胞膜结构等生物大分子具有稳定作用。除上述共性作用外，各种相容性溶质还具有抗氧化、抗辐射、分子伴侣等更广泛的作用。

大量研究显示，多数相容性溶质在高浓度下对生物大分子具有稳定作用。自然状态下，相容性溶质仅在发生破坏生物大分子稳定性的应激状态时发挥稳定作用。这些应激状态包括干扰溶质（perturbing solutes)、干旱／脱水（an-hydrobiosis)、低温／冷冻、高温、高静水压（hydrostatic pressure)等。

感觉(神经)细胞对气味(A)、渗透压(B)和机械刺激(C) 的响应

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相容性溶质种类和临床应用

20世纪70年代以来，相容性溶质作为一类最初从极端微生物及胁迫环境中生存的植物体内发现的小分子化学物质，目前已经发现数十种，包括甘油及部分衍生物、海藻糖、甜菜碱、甘露醇、山梨醇等，其主要应用领域为化妆品、食品和医药领域，常用作保湿剂、渗透调节剂、抗炎等作用。由于对相容性溶质的研究相对较少，因此，多数品种的开发和应用并不充分。