高中生物學(xué)中細(xì)胞膜蛋白的類型與實(shí)例

徐丹丹 韓 菲 魯亞平

(安徽師范大學(xué)生物教育研究中心 蕪湖 241000)

蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者。高中生物學(xué)涉及的蛋白包括分泌蛋白、胞漿蛋白、核蛋白和膜蛋白。其中，膜蛋白貫穿整個(gè)高中生物學(xué)教學(xué)的內(nèi)容(在必修一“物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)姆绞健?、必修二“基因?qū)π誀畹目刂啤?、必修三“通過神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)”“通過激素的調(diào)節(jié)”“免疫調(diào)節(jié)”等章節(jié)中都有涉及)。本文簡(jiǎn)要介紹高中生物學(xué)涉及的受體、通道、載體、酶和抗原等5類膜蛋白的結(jié)構(gòu)和功能。

1 載體蛋白

載體蛋白是一類多亞基多次跨膜結(jié)構(gòu)的蛋白，有特異性結(jié)合位點(diǎn)，可與底物(溶質(zhì))發(fā)生暫時(shí)的、可逆性的結(jié)合和分離，通過改變分子構(gòu)象進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)合底物的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。載體蛋白也稱為轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白或轉(zhuǎn)運(yùn)子。例如，小腸上皮吸收葡萄糖主要涉及兩種葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，即易化擴(kuò)散依賴的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(GLUTs)和鈉-葡萄糖共轉(zhuǎn)運(yùn)載體蛋白(SGLTs)。SGLTs位于小腸上皮腸腔側(cè)的胞膜上，由于鈉離子泵逆濃度轉(zhuǎn)運(yùn)，造成胞內(nèi)鈉離子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于胞外。然后在鈉離子勢(shì)能的驅(qū)動(dòng)下，由胞外向胞內(nèi)同向繼發(fā)主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖進(jìn)入上皮細(xì)胞。GLUTs位于小腸上皮靠近血管側(cè)的胞膜上，在高濃度葡萄糖驅(qū)動(dòng)下，協(xié)助其擴(kuò)散到組織液和血液，隨血流被機(jī)體利用[1]。

鈉-葡萄糖共轉(zhuǎn)運(yùn)體的功能異常時(shí)，機(jī)體吸收葡萄糖形成障礙，進(jìn)而可患上葡萄糖-乳糖吸收不良癥或家族性腎性糖尿病。SGLT1是目前口服療法治療分泌性腹瀉(如霍亂)的核心藥理基礎(chǔ)；同時(shí)愈來愈多的科學(xué)家關(guān)注將鈉-葡萄糖共轉(zhuǎn)運(yùn)載體作為糖尿病治療的藥物設(shè)計(jì)靶點(diǎn)[2]。

2 通道蛋白

通道蛋白也是一類具有多次跨膜結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，它所介導(dǎo)的被動(dòng)運(yùn)輸不需要溶質(zhì)分子與其結(jié)合，而是通過跨膜形成親水通道，允許一些親水性小分子和帶電離子通過。通道可分為兩大類：離子通道和水通道。

2.1 離子通道蛋白 離子通道多具有“門”，且此門多數(shù)情況下呈關(guān)閉狀態(tài)，只有在膜電位變化、化學(xué)信號(hào)或壓力剌激后才開啟，離子方可得以通過。例如，神經(jīng)細(xì)胞興奮時(shí)，先后打開的Na+和K+通道。Na+和K+通道“門”的開放是動(dòng)作電位(神經(jīng)沖動(dòng))曲線上升段和下降段的離子基礎(chǔ)。離子通道也有的沒有“門”，一直對(duì)離子通透。例如，細(xì)胞靜息狀態(tài)下，外流的K+主要就是通過沒有“門”的K+通道走的。正是非門控K+通道順濃度梯度向膜外通透K+，當(dāng)形成的膜兩側(cè)電位差阻力與離子擴(kuò)散的動(dòng)力達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，此時(shí)該離子的凈擴(kuò)散通量為零，所形成的電位即靜息電位。靜息電位的大小接近K+的平衡電位。

由于各種離子在細(xì)胞代謝中發(fā)揮重要作用，離子的有序流動(dòng)和細(xì)胞內(nèi)各種離子濃度的相對(duì)穩(wěn)定，對(duì)于細(xì)胞正常的生理活動(dòng)至關(guān)重要。當(dāng)離子通道結(jié)構(gòu)變異或調(diào)控機(jī)制出現(xiàn)紊亂，則常引起疾病，如過速性心律失常(Ca2+、Na+、K+)[3]、腦缺血(Ca2+、Na+、K+)等疾病與有關(guān)離子通道結(jié)構(gòu)和功能的改變關(guān)系密切，而且往往是多種通道共同參與一種疾病的形成。

2.2 水通道蛋白 水通道蛋白(AQP)是一小類家族膜蛋白，但它們有相似的基本結(jié)構(gòu)。水通道蛋白單體在細(xì)胞膜上形成6個(gè)跨膜區(qū)域，常成四聚體[4]。

高中生物學(xué)中有關(guān)腎臟重吸收水的內(nèi)容，主要涉及水通道的APQ2亞型。AQP2 僅見于腎臟集合管,也是目前所知唯一的抗利尿激素(ADH)敏感的水通道蛋白[5]?！按┧髮W(xué)說”認(rèn)為：集合管在基礎(chǔ)狀態(tài)下；對(duì)水的通透性較低是因?yàn)榧瞎芄芮坏募?xì)胞膜上存在比較少的APQ2。但是當(dāng)抗利尿激素釋放并通過體液運(yùn)輸與集合管管腔細(xì)胞膜上的特異性受體結(jié)合后，就會(huì)通過一系列的細(xì)胞信號(hào)過程，使細(xì)胞發(fā)生短期調(diào)節(jié)和長(zhǎng)期調(diào)節(jié)兩個(gè)不同時(shí)相的調(diào)節(jié)反應(yīng)。短期調(diào)節(jié)是指依賴于cAMP的蛋白激酶A(PKA)催化亞單位使細(xì)胞囊泡中的APQ2磷酸化，觸發(fā)含有APQ2的囊泡移向細(xì)胞膜并通過胞吐作用嵌入細(xì)胞膜中，使得細(xì)胞膜上的APQ2的密度增加，從而增加集合管對(duì)水的通透性。當(dāng)抗利尿激素與受體解離后，膜上的APQ2又會(huì)通過內(nèi)吞重新回到胞漿囊泡中。而長(zhǎng)期調(diào)節(jié)指的是當(dāng)機(jī)體內(nèi)的抗利尿激素水平持續(xù)增高，可以使細(xì)胞內(nèi)的APQ2基因活化，APQ2基因表達(dá)增加，從而提高APQ2的絕對(duì)數(shù)量。

目前發(fā)現(xiàn)，因水通道蛋白的結(jié)構(gòu)和功能異常導(dǎo)致的遺傳性疾病包括腎性尿崩癥、先天性白內(nèi)障、癌癥、癲癇和肥胖等，以水通道蛋白為基礎(chǔ)的相關(guān)疾病的診斷、治療以及藥物開發(fā)具有廣闊的發(fā)展空間[6]。

3 受體蛋白

在細(xì)胞化學(xué)通訊中，靶細(xì)胞接收化學(xué)信號(hào)的分子通常稱為受體，此時(shí)的信號(hào)分子稱為配體?，F(xiàn)發(fā)現(xiàn)的受體多位于胞膜，也有少數(shù)位于胞質(zhì)和胞核。

細(xì)胞膜上的受體種類很多，高中生物學(xué)涉及到的受體種類主要包括激素受體、神經(jīng)遞質(zhì)受體以及某些抗體的受體等。例如，胰島素受體由 α、β各兩個(gè)共4個(gè)亞單位組成。胰島素與α亞單位結(jié)合后，β亞單位中酪氨酸激酶被激活，使受體磷酸化，由此啟動(dòng)磷酸化的級(jí)聯(lián)反應(yīng)并導(dǎo)致信號(hào)的進(jìn)一步轉(zhuǎn)導(dǎo)，調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)酶系統(tǒng)活性，控制物質(zhì)代謝。在細(xì)胞中，經(jīng)胰島素受體介導(dǎo)活化的IP3K會(huì)觸發(fā)富含葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的小泡以胞吐形式由內(nèi)核體經(jīng)由高爾基體向細(xì)胞膜轉(zhuǎn)位，增加細(xì)胞膜葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，調(diào)節(jié)肌細(xì)胞、脂肪細(xì)胞和肝細(xì)胞等對(duì)葡萄糖的攝取。

研究表明，肥胖、糖耐量異常以及Ⅱ型糖尿病患者脂肪細(xì)胞葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白mRNA 含量明顯減少，從而導(dǎo)致胰島素抗性和葡萄糖耐受性降低[7]。

4 抗原蛋白

任何可誘發(fā)免疫反應(yīng)的物質(zhì)都可以稱為抗原。根據(jù)抗原性質(zhì)可分為兩類：完全抗原和不完全抗原。前者是一類既有免疫原性，又有免疫反應(yīng)性的物質(zhì)，如大多數(shù)蛋白質(zhì)、細(xì)菌、病毒、細(xì)菌外毒素等都是完全抗原；后者只具有免疫反應(yīng)性，而無免疫原性的物質(zhì)，如分子量較小的多糖、類脂、核酸等非蛋白類物質(zhì)。

正常情況下，自身組織對(duì)機(jī)體無抗原性，但在創(chuàng)傷、感染、電離輻射和藥物等影響下，可以發(fā)生變性而成為具有免疫原性的物質(zhì)，即自身抗原。自身抗原可以是完全正常的組織成分，也可為已改變了的細(xì)胞成分。自身抗原可刺激機(jī)體發(fā)生免疫反應(yīng)，導(dǎo)致自身免疫病，如乙酰膽堿受體蛋白引起的自身免疫病。乙酰膽堿受體可分為毒蕈堿型受體(M型，mAchR)和煙堿型受體(N型，nAchR)。兩種受體在氨基酸組成及結(jié)構(gòu)上都有一些共同特征。mAchR通常分布于副交感神經(jīng)節(jié)后纖維支配的內(nèi)臟平滑肌上，調(diào)控內(nèi)臟活動(dòng)；nAchR常位于交感和副交感神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元的突觸后膜以及神經(jīng)肌肉接頭處的終板膜(骨骼肌細(xì)胞膜)上，既參與調(diào)節(jié)內(nèi)臟活動(dòng)，也參與調(diào)控各種隨意運(yùn)動(dòng)。

1960年，Simpson首次提出，重癥肌無力(MG)是一種由nAchR抗體引起的自身免疫性疾病，即由神經(jīng)肌肉接頭誘導(dǎo)的自身抗體“攻擊”突觸后膜成分，損傷神經(jīng)肌肉興奮傳遞，導(dǎo)致骨骼肌衰弱和疲勞的一種自身免疫性疾病[8]。

1973年，Partrick和Lindstrom用純化的nAchR免疫動(dòng)物，成功地獲得了癥狀類似于MG病人的動(dòng)物模型，促進(jìn)了對(duì)MG的免疫學(xué)研究。臨床上，乙酰膽堿受體抗體滴度的檢測(cè)對(duì)重癥肌無力的診斷具有特征性意義。80%～90%的全身型重癥肌無力可檢測(cè)到血清乙酰膽堿受體抗體。

5 酶蛋白

酶是生物體組織或細(xì)胞具有特殊催化活性的蛋白質(zhì)，生物體的新陳代謝過程都是在酶的催化作用下進(jìn)行的。酶不僅存在于細(xì)胞內(nèi)、細(xì)胞間，細(xì)胞膜上也存在著大量催化不同化學(xué)反應(yīng)的酶。例如，動(dòng)物細(xì)胞質(zhì)膜上的Na+/K+泵同時(shí)具有ATP酶的活性，又稱為Na+/K+ATPase，由兩個(gè)α亞基和兩個(gè)β亞基組成四聚體。Na+/K+泵首先要催化水解ATP釋放能量，才能發(fā)揮載體蛋白的功能。但很多疾病表現(xiàn)為Na+/K+泵ATP酶功能失常，如原發(fā)性高血壓、糖尿病并發(fā)癥、阿爾海默氏綜合征等。

6 小結(jié)

為了更好地掌握有關(guān)細(xì)胞膜蛋白的知識(shí)，可進(jìn)一步建構(gòu)相應(yīng)的膜蛋白知識(shí)結(jié)構(gòu)圖(圖1)。

圖1 細(xì)胞膜蛋白分類概念圖