關(guān)于汞在微生物中跨膜運(yùn)輸?shù)臋C(jī)理研究

王謙謙

摘 要：汞是一種毒性很強(qiáng)的重金屬元素，不論是無機(jī)汞，還是有機(jī)汞，全部都帶有毒性，特別是甲基汞這種有機(jī)化合物，其具備高神經(jīng)毒性、強(qiáng)親脂性，能夠通過食物鏈生物富集而進(jìn)入人體，進(jìn)而給人體造成極為嚴(yán)重的損害。因此，通過研究汞在微生物中跨膜運(yùn)輸?shù)臋C(jī)理，能為人體汞中毒診療方案的開發(fā)提供可靠的理論支持，對醫(yī)學(xué)事業(yè)的發(fā)展有著十分重要的意義。本文通過對汞在微生物中跨膜運(yùn)輸?shù)穆窂竭M(jìn)行分析，研究了汞在微生物中跨膜運(yùn)輸?shù)臋C(jī)理，希望能為我國生物水平的進(jìn)一步提升做出貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：汞 微生物 跨膜運(yùn)輸 機(jī)理

中圖分類號：TQ13 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）10（a）-0105-02

汞不論是哪種形態(tài)，都具有毒性，研究汞在微生物中跨膜運(yùn)輸?shù)臋C(jī)理，對防治人體汞中毒具有十分重要的意義。

1 汞在微生物中跨膜運(yùn)輸?shù)穆窂窖芯?/p>

無機(jī)汞在環(huán)境中的甲基化形式主要有兩種，分別是生物甲基化與非生物甲基化，由于非生物甲基化的概率非常低，在自然條件下基本可以進(jìn)行忽略，而最主要的便是汞在微生物中的生物甲基化作用。生物甲基化作用會對微生物細(xì)胞中的細(xì)胞進(jìn)行作用，從而使其細(xì)胞質(zhì)產(chǎn)生變化，而在細(xì)胞質(zhì)產(chǎn)生變化的過程中，就必然要涉及到汞在微生物的跨膜運(yùn)輸。經(jīng)過大量的研究表明，汞在微生物中跨膜運(yùn)輸?shù)穆窂街饕?種，其一是Mer抗汞操縱子轉(zhuǎn)運(yùn)體系，其二是被動(dòng)擴(kuò)散，其三是促進(jìn)擴(kuò)散，其四是主動(dòng)運(yùn)輸。

Mer抗汞操縱子轉(zhuǎn)運(yùn)體系的研究是當(dāng)前科學(xué)界研究最為透徹的一種跨膜運(yùn)輸路徑，微生物之所以會產(chǎn)生Mer抗汞操縱子轉(zhuǎn)運(yùn)體系，是由于微生物在長期的汞毒環(huán)境中自行演化出的一種較為特殊的基因系統(tǒng)。對這種運(yùn)輸路徑的研究最初起源于20世紀(jì)60年代，主要是研究細(xì)菌對有機(jī)汞與無機(jī)汞的抗性，雖然對這一路徑的研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，但科學(xué)家仍舊有許多問題需要解決。有大量研究表明，電位差或濃度差可以對汞離子進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使其能夠不依靠任何特定載體或轉(zhuǎn)運(yùn)介質(zhì)進(jìn)行協(xié)助就能進(jìn)行跨膜運(yùn)輸，而跨膜運(yùn)輸?shù)娜^程不需要耗費(fèi)能量，而這種跨膜運(yùn)輸路徑變被稱為被動(dòng)擴(kuò)散路徑。當(dāng)前有許多科學(xué)家都認(rèn)為汞離子化合物及汞硫配合物會通過被動(dòng)擴(kuò)散的方式進(jìn)入到微生物的細(xì)胞當(dāng)中，這也是目前最主流也最被廣為接受的跨膜運(yùn)輸路徑。近些年來，有許多研究結(jié)果表明，汞離子可以通過其他路徑來進(jìn)行跨膜運(yùn)輸，有科學(xué)家提出，汞離子可以通過促進(jìn)擴(kuò)散路徑來進(jìn)行跨膜運(yùn)輸，目前，針對汞離子在擴(kuò)散路徑下是如何進(jìn)行跨膜運(yùn)輸?shù)难芯咳耘f較小，并且這一路徑也只是以鐵還原菌作為研究對象而得出的。

2 汞在微生物中的跨膜運(yùn)輸?shù)臋C(jī)理研究

2.1 Mer抗汞操縱子轉(zhuǎn)運(yùn)體系

Mer抗汞操縱子轉(zhuǎn)運(yùn)體系是通過對轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)行調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)對汞離子的吸收的，在Mer抗汞操縱子轉(zhuǎn)運(yùn)體系中，主要的調(diào)節(jié)蛋白為MerP轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、MerA轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白及MerT轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，這三種蛋白的調(diào)節(jié)起到了至關(guān)重要的作用。其中MerP轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白位于細(xì)胞周質(zhì)中，其編碼蛋白為二聚體，而MerA轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白則位于細(xì)胞內(nèi)，其內(nèi)部含有汞還原酶，其編碼的蛋白為二聚體，MerT轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白位于細(xì)胞膜中，其編碼的蛋白為三聚體。處于細(xì)胞周質(zhì)中的MerP轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白會和進(jìn)行連接，并將其中的汞離子傳遞到MerT轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白當(dāng)中去，MerT轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白又會將汞離子傳遞到MerA轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白當(dāng)中去，使汞離子與MerA轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白產(chǎn)生還原反應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了汞在微生物細(xì)胞中的跨膜運(yùn)輸。在Mer抗汞操縱子轉(zhuǎn)運(yùn)體系中，可以知道，MerP和MerT轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白主要用于對汞離子的運(yùn)輸，實(shí)現(xiàn)了汞在細(xì)胞周質(zhì)跨入到了細(xì)胞膜中，并由MerT轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白將汞離子跨膜運(yùn)送到了MerA轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白當(dāng)中，在這其中，MerA對產(chǎn)生了非常重要的作用，這是因?yàn)镸erA中存在二價(jià)汞還原酶，這種酶是一種脫毒蛋白酶，酶中的NADPH為電子供體，它能夠?qū)崿F(xiàn)對汞離子的還原，從而使原本毒性很高的離子態(tài)二價(jià)汞被還原為零價(jià)元素汞，而零價(jià)元素汞不僅毒性較低，而且揮發(fā)性很高，因此會被細(xì)胞排出，然后揮發(fā)到大氣中。

2.2 被動(dòng)擴(kuò)散跨膜運(yùn)輸機(jī)理

自由擴(kuò)散有三大特點(diǎn)，其一是沿濃度梯度進(jìn)行擴(kuò)散，其二是不需要提供能量，其三是膜蛋白不會協(xié)助進(jìn)行擴(kuò)散?？茖W(xué)界經(jīng)過大量的研究表明，汞的甲基化過程是一種非抗汞機(jī)制，并且能夠通過被動(dòng)擴(kuò)散的方式來進(jìn)行跨膜運(yùn)輸。汞在被動(dòng)擴(kuò)散的跨膜運(yùn)輸機(jī)理為，當(dāng)無機(jī)汞在進(jìn)入微生物時(shí)，會使汞離子從生物膜的高濃度側(cè)向著低濃度側(cè)進(jìn)行擴(kuò)散，從而進(jìn)入到微生物的細(xì)胞周質(zhì)，在進(jìn)入細(xì)胞周質(zhì)以后，汞離子會繼續(xù)通過被動(dòng)擴(kuò)散的方式進(jìn)入到細(xì)胞質(zhì)。有很大一部分科學(xué)家認(rèn)為，汞離子化合物中，有許多汞化合物具備不帶電、膜透性高、分子量小的特點(diǎn)，例如氯化汞化合物、汞硫配合物等。特別是汞硫配合物，能夠通過被動(dòng)擴(kuò)散的方式進(jìn)入到微生物的細(xì)胞當(dāng)中。而這也被大部分科學(xué)家所接受。汞硫配合物的形成，說明汞極易與硫分子產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，特別是還原態(tài)硫，并且在產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的過程中形成水溶性的配合物或是難溶性的沉淀物。為此，有科學(xué)家建立了汞生物可利用性模型，并對汞硫配合物進(jìn)行了假設(shè)和推導(dǎo)，從而再次證明了不帶電荷的小分子汞化合物可能會通過被動(dòng)擴(kuò)散的方式進(jìn)入到細(xì)胞質(zhì)中產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。

2.3 促進(jìn)擴(kuò)散跨膜運(yùn)輸機(jī)理

近些年來，有研究表明，汞離子能夠通過促進(jìn)擴(kuò)散的方式來完成跨膜運(yùn)輸。汞離子通過促進(jìn)擴(kuò)散的跨膜運(yùn)輸機(jī)理是指某些自身不帶電荷的汞離子化合物會通過跨膜蛋白質(zhì)泵而促進(jìn)擴(kuò)散，進(jìn)而使這些汞離子化合物進(jìn)入到微生物細(xì)胞質(zhì)當(dāng)中。促進(jìn)擴(kuò)散的方式與被動(dòng)擴(kuò)散的路徑的相同點(diǎn)在于，汞離子化合物都是順著電化學(xué)濃度梯度或順濃度來進(jìn)行擴(kuò)散的，并且汞離子不會消耗ATP就進(jìn)入到細(xì)胞膜內(nèi)。不過，促進(jìn)擴(kuò)散的跨膜運(yùn)輸方式只對非脂溶性汞化合物有效，并且是借助于膜蛋白泵來完成跨膜運(yùn)輸?shù)摹?/p>

2.4 汞在微生物中主動(dòng)跨膜運(yùn)輸機(jī)理

Morel團(tuán)隊(duì)在2011年對微生物的主動(dòng)運(yùn)輸模式進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)微生物能夠通過主動(dòng)運(yùn)輸?shù)姆绞絹韺?shí)現(xiàn)對泵的跨膜運(yùn)輸，而這無穎是重大發(fā)現(xiàn)之一。這說明，微生物能夠利用依賴能量的蛋白泵來實(shí)現(xiàn)對汞化合物的運(yùn)輸，汞在微生物中主動(dòng)跨膜運(yùn)輸?shù)臋C(jī)理是，汞離子化合物順濃度梯度或逆濃度梯度，在能量與載體蛋白的雙重作用下將汞離子運(yùn)出或運(yùn)進(jìn)細(xì)胞膜。在汞離子化合物中有許多不能自由通過磷脂雙分子層，因此，這些汞離子化合物會利用載體蛋白來將其從低濃度的一側(cè)運(yùn)輸?shù)礁邼舛鹊囊粋?cè)，并且在運(yùn)輸?shù)倪^程中需要消耗微生物細(xì)胞中化學(xué)反應(yīng)所釋放出的能量。而這也說明某些汞離子化合物會與微生物細(xì)胞中的結(jié)構(gòu)域有較強(qiáng)的親和性，這些與其親和的汞離子化合物會與載體蛋白進(jìn)行固定，載體蛋白會改變空間結(jié)構(gòu)并與汞離子化合物的結(jié)構(gòu)域進(jìn)行結(jié)合，然后進(jìn)入到微生物的細(xì)胞膜中打開，從而就實(shí)現(xiàn)了微生物對汞離子的主動(dòng)運(yùn)輸。

總而言之，通過對汞在微生物中的四種跨膜運(yùn)輸路徑進(jìn)行分析，研究其跨膜運(yùn)輸機(jī)理，對研究細(xì)胞中汞形成甲基汞的整個(gè)反應(yīng)過程具有十分重要的意義。近些年來，雖然有許多研究都表明汞會通過促進(jìn)擴(kuò)散與主動(dòng)運(yùn)輸?shù)穆窂絹韺?shí)現(xiàn)跨膜運(yùn)輸，不過也僅僅只是在個(gè)別的團(tuán)隊(duì)中進(jìn)行了研究，其研究結(jié)果仍舊需要被進(jìn)一步的證實(shí)。并且汞在微生物跨膜運(yùn)輸過程中仍舊有許多問題無法進(jìn)行解釋，汞在微生物中是否還存在其他跨膜運(yùn)輸方式，也仍舊有待進(jìn)一步的考證。

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