人帶3蛋白對紅細(xì)胞攜氧過程調(diào)控的研究進(jìn)展

人帶3蛋白對紅細(xì)胞攜氧過程調(diào)控的研究進(jìn)展

作者單位:400038 重慶,第三軍醫(yī)大學(xué)高原軍事醫(yī)學(xué)系高原生理學(xué)與高原生物學(xué)教研室

官立彬,楊誠忠,李曉栩，黃瑊

[關(guān)鍵詞]帶3蛋白；血紅蛋白；氣體運(yùn)輸

帶3蛋白(band 3 protein，Band3)是一種紅細(xì)胞膜蛋白，因其在聚丙烯酰胺凝膠電泳時分布于第3條帶而得名。Band3在紅細(xì)胞膜中含量約為膜蛋白的25%，其屬于糖蛋白的一種，在質(zhì)膜中穿越12~14次，是多次跨膜蛋白。它是由兩個相同的亞基組成的二聚體，每條亞基含有929個氨基酸，分子量約 95~100 kDa，由53 kDa的疏水性跨膜段及43 kDa的親水性胞質(zhì)段組成[1]。疏水性跨膜域的生理功能是介導(dǎo)Cl-/HCO3-交換，因此Band3又稱為“陰離子交換蛋白(anion exchanger protein, AEP)”。Band3胞漿段有膜骨架蛋白、糖酵解3個關(guān)鍵酶酶(醛縮酶、磷酸果糖激酶、磷酸甘油醛脫氫酶)、血紅蛋白(hemoglobin,Hb)及其降解物的結(jié)合位點(diǎn)以及磷酸化位點(diǎn)，因而 Band3不僅是膜骨架的主要附著點(diǎn)，而且參與多種物質(zhì)和信息的跨膜傳遞和功能調(diào)節(jié)[2]。

Hb是紅細(xì)胞運(yùn)氧的載體，占紅細(xì)胞干重的97%、總重的35%。平均每克Hb可結(jié)合1.34 ml的氧，是血漿溶氧量的70倍左右。健康成人Hb主要是血紅蛋白A(HbA)，約占總量的98%。其分子量約67 kDa，由4個亞基(α2β2)組成，且α和β亞基彼此相向形成一個空腔。在脫氧后(如靜脈血)Hb亞基處于鉗制狀態(tài)(T-狀態(tài))，使氧不能與血紅素結(jié)合，這時稱為脫氧血紅蛋白(deoxy-Hb)；在氧合后(如肺部)，亞基結(jié)合氧氣后呈松弛狀態(tài)(R-狀態(tài))，稱為氧合血紅蛋白(oxy-Hb)。Hb在R-狀態(tài)和T-狀態(tài)互變過程中，4個亞基間出現(xiàn)協(xié)同作用，產(chǎn)生了S形的氧平衡曲線(oxygen equilibrium curve，OEC),其形狀由血紅蛋白的氧親和力(P50表示)和亞基間的協(xié)同效應(yīng)(希爾系數(shù)，n表示)共同決定。而協(xié)同效應(yīng)存在于氧離氧合互換之間，在S曲線的陡部最高，范圍從1(不協(xié)同)到3(最大)，不存在于R-狀態(tài)和T-狀態(tài)(曲線的兩端)[3]。OEC形狀從直線變?yōu)槎盖偷腟形曲線，這也是紅細(xì)胞能快速釋放結(jié)合氧氣的基礎(chǔ)。

Band3與Hb如何連接，如何相互作用影響紅細(xì)胞氧氣的運(yùn)輸，一直是很多學(xué)者關(guān)注的問題。本文將圍繞這個方面討論。

1Band3通過Cl-/HCO3-交換調(diào)控紅細(xì)胞O2的結(jié)合和釋放與CO2的運(yùn)輸

圖1 帶3蛋白反向轉(zhuǎn)運(yùn)Cl-/HCO3-示意圖

2Band3與deoxy-Hb連接調(diào)控紅細(xì)胞O2的結(jié)合和釋放

Walder[6]研究發(fā)現(xiàn)，Band3胞質(zhì)段N端11個氨基酸主要和deoxy-Hb結(jié)合，結(jié)合點(diǎn)位于脫氧Hb兩條β鏈構(gòu)成的“小穴”中,按1∶1結(jié)合。這種結(jié)合僅發(fā)生于deoxy-Hb與Band3之間，將Hb氧合，不與Band3結(jié)合[7]。Band3與2,3-二磷酸甘油酸(diphosphoglyceric acid，2,3-DPG)結(jié)合Hb的方式相似，具有競爭性，且受到pH的影響。酸性環(huán)境時血紅蛋白與Band3緊密結(jié)合, pH值在6~7時，二者開始分開[8]。有研究發(fā)現(xiàn)[3]，Band3胞質(zhì)段N端11個氨基酸、2,3-DPG、Cl-與deoxy-Hb結(jié)合后P50、Hill系數(shù)出現(xiàn)一致的變化規(guī)律，即低比例與結(jié)合deoxy-Hb時，T-狀態(tài)Hb出現(xiàn)兩種群體(一部分結(jié)合效應(yīng)因子，一部分未結(jié)合)，相互作用后，可降低Hb亞基間的協(xié)同效應(yīng)，且在0.5∶1結(jié)合時降低最明顯，Hb協(xié)同效應(yīng)n值降為1.5；當(dāng)1∶1與deoxy-Hb結(jié)合時，T-狀態(tài)血紅蛋白只有一種狀態(tài)(全部結(jié)合效應(yīng)因子)，協(xié)同效應(yīng)n值恢復(fù)到正常(2.7左右)；且Hb的氧親和力隨著上述因子濃度的增加而降低，降低幅度2,3-DPG大于Band3胞質(zhì)段N端11個氨基酸。

Band3與deoxy-Hb這種結(jié)合特性在紅細(xì)胞釋放結(jié)合O2的過程中發(fā)揮著重要作用。當(dāng)紅細(xì)胞由肺毛細(xì)血管到達(dá)氧分壓低的外周組織毛細(xì)血管后，由于氧分壓壓力差的驅(qū)動和CO2彌散進(jìn)入紅細(xì)胞經(jīng)Band3離子交換的作用，將使一部分oxy-Hb釋放O2變?yōu)閐eoxy-Hb。Band3胞質(zhì)段N端11個氨基酸可與deoxy-Hb結(jié)合，由于是低比例結(jié)合，這時近膜側(cè)的Hb協(xié)同效應(yīng)降低。而紅胞質(zhì)內(nèi)的Hb可自由結(jié)合2,3-DPG、Cl-，協(xié)同效應(yīng)不受影響，且胞質(zhì)內(nèi)Hb的氧親和力(P50)較近膜側(cè)的Hb低。因此，可促使紅細(xì)胞胞內(nèi)氧合血紅蛋白率先解離釋放氧氣，形成胞內(nèi)向胞膜側(cè)氧分壓逐降趨勢，產(chǎn)生O2向胞外定向彌散的驅(qū)動力，也形成了逆血氧飽和度的供氧機(jī)制。

當(dāng)紅細(xì)胞由外周到達(dá)肺時，由于deoxy-Hb與Band3胞質(zhì)段N端11個氨基酸結(jié)合后Hb氧親和力高于與2,3-DPG或Cl-結(jié)合，因此與Band3胞質(zhì)段N端11個氨基酸結(jié)合的deoxy-Hb在到達(dá)肺泡時優(yōu)先與氧氣結(jié)合，這有利于低氧時紅細(xì)胞的氧合[8]。

3Band3通過調(diào)控胞內(nèi)能量代謝保護(hù)紅細(xì)胞運(yùn)氧特性

磷酸戊糖途徑(pentose phosphate pathway,PPP)可產(chǎn)生NADPH，而NADPH可促使紅細(xì)胞內(nèi)氧化形成的高鐵血紅蛋白還原回具有運(yùn)氧功能的亞鐵血紅蛋白。糖酵解途徑(glycolytic pathway，GP)是紅細(xì)胞內(nèi)ATP的生成途徑，其途徑中3個關(guān)鍵酶能與Band3胞質(zhì)段可逆結(jié)合。紅細(xì)胞處于高氧合狀態(tài)時，3個關(guān)鍵酶與Band3胞質(zhì)段結(jié)合失去活性，而PPP的酶游離于胞質(zhì)中生成NADPH，還原氧化的Hb[2，9]。紅細(xì)胞處于脫氧狀態(tài)時，由于deoxy-Hb與3個關(guān)鍵酶結(jié)合位置重疊，deoxy-Hb可與3個關(guān)鍵酶競爭性結(jié)合Band3。因而導(dǎo)致3個關(guān)鍵酶脫下到胞漿[10-11]。因GP與PPP競爭共同底物葡萄糖，反應(yīng)向GP進(jìn)行，增加生成ATP。有研究發(fā)現(xiàn)[12-13]，紅細(xì)胞在外周毛細(xì)血管由于升高的溫度、降低pH值、高碳酸血癥、高剪切應(yīng)力和增強(qiáng)的機(jī)械變形等增加，可經(jīng)pannexin-1向血漿“拋出”ATP，促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞產(chǎn)生NO，促使毛細(xì)血管擴(kuò)張，便于其快速通過外周毛細(xì)血管[14]。氧分壓與pH值的改變可促使deoxy-Hb與Band3的解離，同時可使3個關(guān)鍵酶與Band3重新結(jié)合失去活性，胞內(nèi)糖代謝途轉(zhuǎn)化為磷酸戊糖途徑,發(fā)揮抗氧化作用。Band3間接地控制紅細(xì)胞內(nèi)的能量代謝，在一定程度上維護(hù)了糖酵解酶的活性，維持了Hb的攜氧特性。

4Band3通過調(diào)控紅細(xì)胞的變形性增強(qiáng)紅細(xì)胞在毛細(xì)血管的穿梭

紅細(xì)胞平均直徑為7.5 μm，毛細(xì)血管管徑平均為6~9 μm，紅細(xì)胞通過毛細(xì)血管除擴(kuò)張毛細(xì)血管外，還有另外一條途徑，增強(qiáng)自身的變形性。

紅細(xì)胞膜骨架蛋白(血影蛋白、肌動蛋白)之間的橋梁錨蛋白與Band3的胞質(zhì)域相結(jié)合，保持了紅細(xì)胞雙凹圓盤狀。由于Band3與錨蛋白接觸的殘基同Band3與deoxy-Hb結(jié)合位點(diǎn)相毗鄰，當(dāng)Band3與deoxy-Hb結(jié)合后，直接影響B(tài)and3與錨蛋白之間的連接，使錨蛋白與Band3解離呈游離狀態(tài)，增加紅細(xì)胞膜的變形性[15]，這種改變有利于紅細(xì)胞在脫氧狀態(tài)時快速通過外周毛細(xì)血管。

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(收稿日期:2015-01-22)

文章編號1004-0188(2015)04-0449-03

doi:10.3969/j.issn.1004-0188.2015.04.044

中圖分類號R 331.141

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

通訊作者:黃瑊，電話：023-68772383；E-mail: hj3red@gmail.com

基金項(xiàng)目:國家973計劃項(xiàng)目(2012CB518201)；國家自然科學(xué)基金(81370150，30973446)