物質(zhì)跨膜運輸相關(guān)概念辨析

王 釗 俞如旺

(福建師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 福州 350108)

1 信號分子和受體

1.1 信號分子 細(xì)胞的生存和活動離不開細(xì)胞與外界環(huán)境的信息交流，其中包括細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)之間以及細(xì)胞與相鄰細(xì)胞之間通過信號分子的相互作用。有些信號物質(zhì)是脂溶性的小分子，可以直接經(jīng)質(zhì)膜擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞，如類固醇激素；而大量的信號物質(zhì)都是蛋白質(zhì)或多肽，它們將各種化學(xué)、物理信號傳遞給靶細(xì)胞膜上的受體，觸發(fā)細(xì)胞內(nèi)一系列信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程，引起靶細(xì)胞的應(yīng)答，發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)。

1.2 受體 受體的化學(xué)本質(zhì)絕大多數(shù)是糖蛋白，少數(shù)為糖脂，也有兩者的復(fù)合物。受體能夠與信號分子(又稱為配體)特異性識別、結(jié)合，形成受體—配體復(fù)合物，并進(jìn)一步改變細(xì)胞的行為。根據(jù)受體的位置和分布特點，又可分為細(xì)胞質(zhì)膜表面受體和胞內(nèi)受體。其中，真核細(xì)胞質(zhì)膜表面受體常見的有G蛋白偶聯(lián)受體(GPRC)、離子通道偶聯(lián)受體、酶聯(lián)受體等。GPRC通常以Ca2+、cAMP作為第二信使，通過一系列的磷酸化和去磷酸化過程，介導(dǎo)親水性信號分子(如含氮類激素)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程。胞內(nèi)受體又因位置不同分為胞核受體和胞漿受體，介導(dǎo)親脂性信號分子(如固醇類)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程。在多細(xì)胞生物中，因受體同時具有結(jié)合域和功能域的特異性，意味著不同細(xì)胞對同一信號分子可能具有不同受體，或是不同細(xì)胞具有相同受體，但是對同一信號分子的應(yīng)答不同。

2 膜轉(zhuǎn)運蛋白

2.1 載體蛋白 是一類位于生物膜脂雙層上的膜轉(zhuǎn)運蛋白，具有結(jié)構(gòu)上的特異性，并具有選擇性，通過與底物特異性位點進(jìn)行可逆的結(jié)合與分離，自身構(gòu)象調(diào)整后，介導(dǎo)特定物質(zhì)的被動或主動運輸。載體蛋白的轉(zhuǎn)運過程存在底物類似物的競爭性抑制和飽和動力學(xué)等特征。常見的載體蛋白有：葡萄糖載體、泵結(jié)構(gòu)(如Na+驅(qū)動的葡萄糖泵、Na+-K+泵、H+泵、Ca2+泵)、Na+-H+交換器和菌紫紅質(zhì)等。

2.2 通道蛋白 是質(zhì)膜上的另一類膜轉(zhuǎn)運蛋白，這一類蛋白質(zhì)橫跨膜的脂雙層結(jié)構(gòu)，以形成通道的貫穿方式，巧妙避免脂雙層內(nèi)部疏水核心，介導(dǎo)大小、電荷合適的分子或離子進(jìn)行高速率跨膜轉(zhuǎn)運，只執(zhí)行被動運輸功能，不消耗代謝能量。目前發(fā)現(xiàn)的通道蛋白已有100余種。

2.2.1 離子通道蛋白 是目前發(fā)現(xiàn)較多的一類通道蛋白，驅(qū)動離子跨膜轉(zhuǎn)運的原動力來源于膜兩側(cè)的電化學(xué)梯度，故在較高的離子濃度下仍然沒有飽和值，最顯著的特征莫過于離子通道的門控性，可根據(jù)不同的信號進(jìn)行構(gòu)象開、閉的變換，似“閘門”結(jié)構(gòu)，控制物質(zhì)跨膜運輸。常見的離子通道有：K+、Na+、Ca2+、Cl-通道。

2.2.2 水通道蛋白(AQP) 又稱水孔蛋白，也是一類通道蛋白。以哺乳動物水通道蛋白(AQP1)為例，其分子的空間四級結(jié)構(gòu)是由4個亞基組成的四聚體，每個亞基由6個跨膜α螺旋構(gòu)成，形成了一個具有“中央孔”的結(jié)構(gòu)，其孔徑略大于水分子，允許水分子自由通行。該結(jié)構(gòu)中還附著帶正電荷的Asn殘基，恰好排斥其他質(zhì)子[1]，能夠特異性實現(xiàn)水分子高效的轉(zhuǎn)運。隨著研究的深入，迄今已經(jīng)在哺乳動物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)有13種發(fā)揮不同功能的水通道蛋白，部分水通道蛋白對尿素和甘油也有通透性。

3 小分子物質(zhì)的跨膜運輸

3.1 被動運輸 小分子物質(zhì)利用勢能，順著濃度梯度或電化學(xué)梯度跨膜運輸，不需要代謝提供能量。根據(jù)是否需要膜轉(zhuǎn)運蛋白，分為自由擴(kuò)散和協(xié)助擴(kuò)散。

3.1.1 自由擴(kuò)散 是一類最簡單的被動運輸，氣體(如O2、CO2)以及水、尿素、不帶電的極性小分子和脂溶性小分子可在自由能較低的情況下，利用電化學(xué)勢差跨膜擴(kuò)散，直穿脂雙層。

3.1.2 協(xié)助擴(kuò)散 在專一膜轉(zhuǎn)運蛋白的協(xié)助下使被動運輸易化，多種帶電離子和極性小分子等物質(zhì)可進(jìn)行跨膜運輸，存在載體運輸、通道運輸兩種方式：①載體運輸。在載體蛋白的介導(dǎo)下，加速物質(zhì)從自由能高的一側(cè)運輸至低的一側(cè)。例如，紅細(xì)胞膜上存在葡萄糖載體，跨膜結(jié)構(gòu)上帶有的部分殘基具有結(jié)合位點，可與血液中葡萄糖結(jié)合，載體蛋白進(jìn)行可逆變構(gòu)，將其順勢轉(zhuǎn)運至胞內(nèi)。②通道運輸。離子通道蛋白的“閘門”通常是閉合的，當(dāng)膜上受到電位、信號分子或壓力刺激時，分別開啟電壓門、配體門或應(yīng)力激活不同通道，具有專一性。例如，產(chǎn)生動作電位時，可興奮組織神經(jīng)肌肉接頭的突觸前膜去極化，膜上電壓門控Ca2+通道瞬間開放，突觸間隙中大量Ca2+內(nèi)流，激活胞內(nèi)鈣依賴蛋白激酶，加速突觸小泡向突觸前膜移動并融合，釋放突觸小泡中的乙酰膽堿(Ach)，從而改變突觸后膜的電位，這就是電信號刺激下興奮—分泌偶聯(lián)的過程。當(dāng)水通道蛋白存在時，水主要以協(xié)助擴(kuò)散的方式跨膜轉(zhuǎn)運，不需通過脂雙層疏水核心，轉(zhuǎn)運的速率顯著高于自由擴(kuò)散。

3.2 主動運輸 小分子物質(zhì)逆著濃度梯度或電化學(xué)梯度，由載體蛋白介導(dǎo)進(jìn)行跨膜運輸，需要代謝提供能量。根據(jù)能量來源將主動運輸分為三類。

3.2.1 ATP驅(qū)動泵型主動運輸 直接利用ATP水解產(chǎn)生的能量，實現(xiàn)小分子物質(zhì)逆濃度梯度或電化學(xué)梯度進(jìn)行跨膜運輸。例如，在動物細(xì)胞中，Na+-K+泵存在于質(zhì)膜上，恢復(fù)靜息電位時，該結(jié)構(gòu)上的α亞基不同位點先后結(jié)合Na+、K+發(fā)生磷酸化、去磷酸化反應(yīng)，構(gòu)象變化一個循環(huán)可泵出3個Na+和進(jìn)2個K+，消耗1個ATP，從而維持動作電位發(fā)生前胞內(nèi)Na+少，K+多的靜息狀態(tài)[2]。

3.2.2 協(xié)同轉(zhuǎn)運型主動運輸 協(xié)同轉(zhuǎn)運又稱為偶聯(lián)轉(zhuǎn)運，運輸物質(zhì)的直接動力與ATP驅(qū)動泵不同，依靠膜兩側(cè)建立的電化學(xué)梯度，將一種物質(zhì)“順流而下”與另一種物質(zhì)“逆流而上”相偶聯(lián)，通過ATP間接供能，實現(xiàn)物質(zhì)跨膜運輸。一類為同向協(xié)同轉(zhuǎn)運，指被運輸物與偶聯(lián)物方向相同。

例如，哺乳動物小腸的基底膜細(xì)胞上存在鈉泵，可將Na+主動運輸至胞外，該過程需ATP，胞內(nèi)Na+濃度降低，而小腸腸腔內(nèi)Na+濃度相對較高，Na+可結(jié)合在粘膜上皮細(xì)胞的葡萄糖泵中，大大增加對葡萄糖的親和力，被運輸物葡萄糖可利用Na+建立的電化學(xué)梯度與Na+同向運送至胞內(nèi)，是一個Na+驅(qū)動的葡萄糖泵繼發(fā)性主動運輸過程。另一類為反向協(xié)同轉(zhuǎn)運，指被運輸物與偶聯(lián)物方向相反。例如，質(zhì)膜上存在的Na+-H+交換器，動物細(xì)胞常用此方式調(diào)節(jié)pH，在主動運輸H+出去同時，伴隨Na+反向進(jìn)入細(xì)胞，因此也是間接耗能的過程。

3.2.3 光驅(qū)動泵型主動運輸 某些細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)含有某種需要光激活的載體蛋白，是一種能吸收光的生色團(tuán)，被光子激活后通過構(gòu)象變化，將質(zhì)子從胞內(nèi)轉(zhuǎn)移至胞外，由此產(chǎn)生H+電化學(xué)梯度與被運輸?shù)奈镔|(zhì)相偶聯(lián)，將吸收的光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能。

例如，古噬鹽菌質(zhì)膜上存在細(xì)菌視紫紅質(zhì)，在光能的驅(qū)動下，質(zhì)子轉(zhuǎn)移，此過程中形成H+膜內(nèi)外電位差和濃度差，驅(qū)動被運輸物主動運輸進(jìn)入細(xì)胞。

4 大分子和顆粒性物質(zhì)的跨膜運輸

生物大分子和顆粒性物質(zhì)要完成跨膜運輸，不直接穿過脂雙層的膜結(jié)構(gòu)，而是包被在由膜形成的囊泡中，在馬達(dá)蛋白的驅(qū)動和微絲作用下，以出芽的方式與特定靶膜融合，進(jìn)行有序的運輸，期間涉及生物膜的融合與斷裂，需耗能[3]。

4.1 胞吞作用 細(xì)胞在攝取胞外大分子物質(zhì)時，利用膜的流動性內(nèi)陷形成囊泡，將攝取到的物質(zhì)裹入囊泡內(nèi)，然后轉(zhuǎn)運到細(xì)胞內(nèi)。整個過程中質(zhì)膜表面積減少，需要耗能。胞吞作用對細(xì)胞代謝、細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、維持正常生命活動有重要意義。胞吞作用分為吞噬作用和胞飲作用。

4.1.1 吞噬作用 吞噬細(xì)胞在被吞噬物與膜表面受體結(jié)合的信號觸發(fā)下，誘發(fā)質(zhì)膜形變伸出偽足，在微絲和結(jié)合蛋白的相互作用下，包裹被吞噬物形成吞噬泡，直徑常大于250 nm。在原生生物中，主要利用吞噬作用進(jìn)行攝食，并在溶酶體中消化，維持生命活動。在哺乳動物中，只有少數(shù)幾種細(xì)胞(如嗜中性粒細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞等)具有吞噬功能。

4.1.2 胞飲作用 發(fā)生在所有的真核細(xì)胞中，可連續(xù)攝入液滴或可溶性分子，由膜包被形成的胞飲泡直徑常小于150 nm。

4.2 胞吐作用 與胞吞作用相反，胞內(nèi)形成的囊泡移動后與質(zhì)膜融合，將內(nèi)容物外排至胞外，過程中質(zhì)膜表面積增多，需要耗能。在真核細(xì)胞中，由于涉及到蛋白質(zhì)分選過程的靶向運輸和復(fù)雜的調(diào)控過程，將胞吐分為調(diào)節(jié)型胞吐和組成型胞吐作用。

4.2.1 調(diào)節(jié)型胞吐 胞吐發(fā)生在特化的分泌細(xì)胞中，需有信號的觸發(fā)，儲存在胞內(nèi)的分泌泡才會與質(zhì)膜融合將分泌物外排，發(fā)揮生理功能，完成蛋白質(zhì)的分選，如激素、神經(jīng)遞質(zhì)等。

4.2.2 組成型胞吐 胞吐自發(fā)進(jìn)行，囊泡通過高爾基體反面管網(wǎng)區(qū)輸出，不斷供應(yīng)質(zhì)膜的更新，外排的物質(zhì)可作為膜外周蛋白、信號分子、營養(yǎng)物質(zhì)等。

(* 通信作者)