對哺乳動物成熟紅細胞的幾點思考

杜惠東

(福建省晉江市養(yǎng)正中學 362122 )

1 哺乳動物成熟紅細胞的呼吸方式

1.1 哺乳動物成熟紅細胞呼吸酶的種類 大多數(shù)真核細胞存在兩類呼吸酶系，即無氧呼吸酶系(存在于細胞質(zhì)基質(zhì))和有氧呼吸酶系(存在于線粒體基質(zhì)和線粒體內(nèi)膜)。能夠進行有氧呼吸的原核細胞有氧呼吸酶系部分存在于細胞質(zhì)基質(zhì)，部分存在于細胞膜[1]。哺乳動物成熟紅細胞屬真核細胞，在其形成過程中喪失細胞器，缺乏有氧呼吸酶系，即其僅存在無氧呼吸酶系(主要為糖酵解途徑酶類、磷酸戊糖途徑酶類)。

1.2 O2對哺乳動物成熟紅細胞無氧呼吸的影響 學生在探究酵母菌細胞呼吸方式時，已經(jīng)形成“O2會抑制無氧呼吸進行” 的認識。但會錯誤地認為：O2是直接通過抑制酶活性來抑制無氧呼吸的。進而產(chǎn)生疑問：O2會抑制哺乳動物成熟紅細胞的無氧呼吸嗎？

無氧呼吸(糖酵解)過程中重要的調(diào)節(jié)酶是磷酸果糖激酶，高濃度的ATP、檸檬酸對磷酸果糖激酶具有抑制作用[2]。在O2充足的條件下，O2會推動糖分解中間產(chǎn)物(NADH、丙酮酸)進入有氧氧化分解的途徑[3]，導(dǎo)致產(chǎn)生較多的ATP和檸檬酸，進而抑制磷酸果糖激酶的活性，從而抑制無氧呼吸的進行。但由于哺乳動物成熟紅細胞缺乏有氧呼吸酶系，即使O2充足，也不能進行有氧呼吸，而不能產(chǎn)生大量ATP和檸檬酸抑制磷酸果糖激酶活性。因此，O2不會抑制哺乳動物成熟紅細胞的無氧呼吸。

2 哺乳動物成熟紅細胞的基因表達

2.1 哺乳動物成熟紅細胞血紅蛋白的合成 紅細胞的增生發(fā)育過程為：多能干細胞(造血干細胞)→單能干細胞→原始紅細胞→幼紅細胞(分早、中、晚三個時期)→網(wǎng)織紅細胞→成熟紅細胞。成熟過程中，血紅蛋白的逐漸增加，細胞核活性逐漸衰減，從晚幼紅細胞開始失去分裂能力。成熟紅細胞無細胞核和細胞器，不能進行核酸和蛋白質(zhì)的合成。但是，其能夠正常執(zhí)行生理功能和外界進行物質(zhì)和能量交換。例如，細胞質(zhì)中碳酸酐酶催化CO2可逆的水合作用，有助于CO2的運輸；細胞膜的離子泵還可利用無氧代謝供能進行離子交換，維持細胞內(nèi)高鉀、低鈣和低鈉狀態(tài)[4]。

成熟紅細胞內(nèi)的血紅蛋白，一部分是在幼紅細胞階段(有核、游離核糖體豐富)合成；一部分在網(wǎng)織紅細胞階段(無核、殘留有核糖體和嗜堿性RNA)合成；成熟階段不合成。

2.2 細胞分化過程中基因表達的連續(xù)性和mRNA的穩(wěn)定性 真核細胞轉(zhuǎn)錄主要在細胞核，翻譯主要在細胞質(zhì)中，其中大多數(shù)基因為斷裂基因，存在內(nèi)含子和外顯子?；蜣D(zhuǎn)錄先形成mRNA前體(不均一RNA，hnRNA)，再經(jīng)加工(5′端加帽、3′端加尾、內(nèi)含子剪切、外顯子連接、部分堿基修飾)形成成熟mRNA。同一hnRNA經(jīng)過不同加工過程可產(chǎn)生不同的成熟mRNA，進而指導(dǎo)翻譯形成不同的蛋白質(zhì)。但真核細胞基因表達的轉(zhuǎn)錄和翻譯階段不一定是連續(xù)進行的。成熟的mRNA經(jīng)核孔進入細胞質(zhì)。在細胞質(zhì)中可以有活性和無活性的兩種狀態(tài)存在，成熟的mRNA通過與調(diào)節(jié)蛋白(阻遏物或激活因子)、miRNA(微RNA，與mRNA堿基互補配對形成雙鏈區(qū)，阻止翻譯)的可逆結(jié)合來實現(xiàn)兩種狀態(tài)的變換，進而調(diào)控蛋白質(zhì)合成。例如，許多動物在卵母細胞中含有大量編碼不同蛋白質(zhì)的mRNA，但通常在卵子成熟前或受精前是不翻譯的。而發(fā)揮指導(dǎo)翻譯作用后的mRNA會被核酸酶所降解。

mRNA降解速率是其穩(wěn)定性的衡量標志，降解速率慢，顯示mRNA穩(wěn)定[5]。不同基因轉(zhuǎn)錄形成的mRNA穩(wěn)定性不同。高等真核生物中“持家基因”轉(zhuǎn)錄形成的mRNA和高度分化細胞中的mRNA一般比較穩(wěn)定。例如，網(wǎng)織紅細胞中雖已沒有RNA的合成，但其細胞質(zhì)中還存在前期階段形成的mRNA，依然可繼續(xù)合成血紅蛋白或其他蛋白。

2.3 哺乳動物成熟紅細胞分化過程遺傳物質(zhì)變化的例外 紅細胞在成熟過程中會出現(xiàn)排核和喪失細胞器現(xiàn)象而導(dǎo)致遺傳物質(zhì)丟失，這與教師所講授的“細胞分化過程中遺傳物質(zhì)不改變”產(chǎn)生沖突，學生因此而產(chǎn)生疑問。實際上，細胞分化過程中也存在遺傳物質(zhì)改變的特例。例如，馬蛔蟲卵裂分化形成體細胞時出現(xiàn)染色體丟失；草履蟲細胞大核(營養(yǎng)核)出現(xiàn)DNA丟失、重排和擴增；B淋巴細胞分化形成漿細胞過程中出現(xiàn)DNA斷裂丟失、重排現(xiàn)象[6]等。其實，這些變化都是細胞在進化過程中產(chǎn)生的高效執(zhí)行其特定功能的適應(yīng)現(xiàn)象。例如，成熟紅細胞在分化過程中排核和喪失細胞器，使其運輸O2的空間達到最大化。

3 哺乳動物成熟紅細胞衰老后死亡的方式

3.1 哺乳動物成熟紅細胞衰老后死亡方式的主要觀點 紅細胞的壽命約為120d。關(guān)于成熟紅細胞衰老后的正常死亡方式，早期認為絕大部分衰老紅細胞在脾臟及肝臟的網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)中被吞噬細胞吞噬，進而被破壞分解，即衰老紅細胞的死亡屬于一種免疫清除，與凋亡基因無關(guān)；后期觀點認為衰老紅細胞先在內(nèi)源或外源凋亡因子的誘導(dǎo)下，凋亡基因表達，形成凋亡小體(膜表面有特異信號分子)，最后誘發(fā)免疫吞噬。

3.2 哺乳動物成熟紅細胞衰老后可能的凋亡途徑 細胞死亡的方式有3種，分別為凋亡、壞死、細胞自噬性死亡。研究表明，凋亡的主要途徑也有3種：依賴caspase家族蛋白酶(凋亡蛋白)由死亡受體起始的外源途徑、依賴caspase家族蛋白酶由線粒體起始的內(nèi)源途徑、非依賴caspase家族蛋白酶由線粒體或內(nèi)質(zhì)網(wǎng)起始的內(nèi)源途徑[6]。

目前，關(guān)于衰老紅細胞的凋亡途徑還未有定論。但從分子水平分析，哺乳動物成熟紅細胞中存在部分與凋亡有關(guān)的關(guān)鍵蛋白(如caspase-3、caspase-8、Bcl-2家族蛋白)；但缺乏線粒體起始內(nèi)源途徑的其他成分(如caspase-9、細胞色素c)；衰老紅細胞膜表面可能缺乏相應(yīng)死亡受體。因此，不能進行依賴caspase家族蛋白酶外源途徑和內(nèi)源途徑的凋亡。從細胞水平的細胞形態(tài)變化分析，除了沒有凋亡時出現(xiàn)的染色質(zhì)、細胞器變化外，衰老紅細胞其余形態(tài)特征(細胞膜皺縮、形成凋亡小體、凋亡信號外顯、被吞噬細胞吞噬)均與一般細胞凋亡相同[7]。雖然成熟紅細胞沒有細胞核、線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、核糖體等細胞器，但其細胞質(zhì)早期儲備的RNA和蛋白質(zhì)，可能在其衰老后調(diào)控凋亡信號通路。即衰老紅細胞的死亡是一種特殊形式的凋亡。