揭秘膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白

馬清瑜

(甘肅省臨夏回民中學(xué))

細(xì)胞膜是細(xì)胞與外界環(huán)境之間的屏障,具有選擇透過(guò)性。細(xì)胞膜在維持細(xì)胞內(nèi)部環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定的同時(shí)又要承擔(dān)攝取營(yíng)養(yǎng)、排出廢物、維持離子平衡等重要功能,即細(xì)胞膜的物質(zhì)運(yùn)輸功能。磷脂雙分子層的特性決定了其對(duì)絕大多數(shù)溶質(zhì)分子和帶電荷的無(wú)機(jī)離子是高度不透的,所以幾乎所有的有機(jī)小分子和無(wú)機(jī)離子的轉(zhuǎn)運(yùn)都需要特異性的膜蛋白——膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。正是這些蛋白質(zhì)賦予了細(xì)胞膜最重要的功能特性——選擇透過(guò)性。

1.膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的類(lèi)型

膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白分為兩類(lèi):一類(lèi)是載體蛋白,另一類(lèi)是通道蛋白。通道蛋白具體又分水通道蛋白和離子通道蛋白。目前對(duì)多種載體蛋白和通道蛋白的功能和基本機(jī)理已經(jīng)有詳細(xì)的研究,下面就這兩類(lèi)膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白中的一些重要類(lèi)型加以介紹,之后再對(duì)它們作出特征性辨析和歸納。

1.1載體蛋白實(shí)例

載體蛋白普遍存在于幾乎所有的生物膜上。每種載體蛋白只能與特定的溶質(zhì)分子結(jié)合,通過(guò)一系列構(gòu)象的改變介導(dǎo)溶質(zhì)分子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。

1.1.1 Na+-葡萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(SGLT)

SGLT主要存在于腎和腸細(xì)胞的頂部細(xì)胞膜,目前在人體細(xì)胞上發(fā)現(xiàn)的SGLT多達(dá)12種,其中起決定作用的是SGLT1和SGLT2。腎小管和集合管是吸收葡萄糖的重要部位,腎小管管腔側(cè)上皮細(xì)胞膜上的SGLT2以協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)的方式吸收Na+和葡萄糖,承擔(dān)了90%以上的葡萄糖分子的重吸收。

SGLT2轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖沒(méi)有直接消耗ATP,但這種轉(zhuǎn)運(yùn)在消耗Na+形成的電化學(xué)勢(shì)能。細(xì)胞內(nèi)是一個(gè)“高鉀低鈉”的環(huán)境,為了維持較低的Na+濃度,細(xì)胞要水解ATP為逆電化學(xué)梯度將Na+轉(zhuǎn)運(yùn)出細(xì)胞供能,所以SGLT2轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖的過(guò)程間接消耗ATP,被稱(chēng)為次級(jí)主動(dòng)運(yùn)輸(如圖1)。此外植物細(xì)胞和細(xì)菌細(xì)胞膜上也存在類(lèi)似于SGLT的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,只不過(guò)和葡萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)的不是Na+而是H+。

圖1 Na+-葡萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(SGLT)模型

1.1.2葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(GLUT)

葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(Glucose Transporters,GLUT)是一類(lèi)負(fù)責(zé)葡萄糖進(jìn)出細(xì)胞的關(guān)鍵蛋白質(zhì),在調(diào)節(jié)血糖穩(wěn)態(tài)方面具有重要功能。GLUT有多種類(lèi)型,例如,紅細(xì)胞膜上的GLUT1、小腸絨毛上皮細(xì)胞和胰島B細(xì)胞上的GLUT2,以及脂肪細(xì)胞和肌細(xì)胞上的GLUT4等。

GLUT存在兩種構(gòu)象:狀態(tài)A時(shí),結(jié)合位點(diǎn)在膜外側(cè)暴露;狀態(tài)B時(shí),結(jié)合位點(diǎn)在膜內(nèi)側(cè)暴露。該模型認(rèn)為,兩種構(gòu)象的轉(zhuǎn)變是隨機(jī)的,假如葡萄糖分子濃度在膜外側(cè)較高時(shí),狀態(tài)A到狀態(tài)B的轉(zhuǎn)換更常發(fā)生,葡萄糖分子得以順濃度梯度進(jìn)入細(xì)胞。GLUT對(duì)葡萄糖的轉(zhuǎn)運(yùn)方式屬于協(xié)助擴(kuò)散,不消耗代謝能(如圖2)。

圖2 葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(GLUT)模型

通過(guò)以上兩種載體蛋白的作用機(jī)理可以看出:載體蛋白對(duì)物質(zhì)的運(yùn)輸具有嚴(yán)格的特異性,這種特異性主要表現(xiàn)在被轉(zhuǎn)運(yùn)分子與載體蛋白的匹配結(jié)合上,類(lèi)似于酶與其底物的專(zhuān)一性結(jié)合。同時(shí)載體蛋白也會(huì)被類(lèi)似物競(jìng)爭(zhēng)性抑制,具有飽和動(dòng)力學(xué)曲線等特征,所以載體蛋白有時(shí)也叫通透酶。

1.2通道蛋白實(shí)例

通道蛋白能形成親水通道,通道打開(kāi)時(shí)允許特定大小的溶質(zhì)分子通過(guò),特異性不如載體蛋白強(qiáng)。通道蛋白有三個(gè)突出特征:第一,有極高的轉(zhuǎn)運(yùn)速率。每個(gè)通道每秒可通過(guò)107～108個(gè)離子,比載體蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)速率快1 000倍左右,接近自由擴(kuò)散的理論值。驅(qū)動(dòng)物質(zhì)完成跨膜運(yùn)輸?shù)膭?dòng)力來(lái)自離子形成的濃度差和電位差兩種力的合力,即電化學(xué)勢(shì)能。第二,離子通道對(duì)物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)沒(méi)有飽和值。第三,離子通道是門(mén)控的。離子通道不是連續(xù)開(kāi)放而是受不同因素的調(diào)控,即通道的開(kāi)關(guān)可調(diào)節(jié)。通道蛋白有兩種類(lèi)型:離子通道和水通道,其中最能說(shuō)明通道蛋白特征的例子是Na+通道和K+通道。

神經(jīng)纖維主要由神經(jīng)細(xì)胞的軸突構(gòu)成,在實(shí)現(xiàn)興奮的產(chǎn)生和傳導(dǎo)時(shí),Na+通道和K+通道發(fā)揮著重要作用。

在不受刺激時(shí),神經(jīng)細(xì)胞維持膜外正電位、膜內(nèi)負(fù)電位的靜息電位。此時(shí)Na+通道和K+通道均保持關(guān)閉狀態(tài),而膜上的另一種通道蛋白——非門(mén)控K+通道使K+順電化學(xué)梯度流出細(xì)胞,造成靜息電位,也就是膜的極化(圖3)。

圖3 靜息電位

當(dāng)神經(jīng)細(xì)胞受到的刺激達(dá)到閾值時(shí),Na+通道瞬間打開(kāi)而K+通道仍然保持關(guān)閉狀態(tài)。Na+大量、快速流入細(xì)胞使靜息電位消失(去極化),隨即出現(xiàn)外負(fù)內(nèi)正的動(dòng)作電位,即膜的反極化(圖4)。

圖4 動(dòng)作電位

當(dāng)動(dòng)作電位達(dá)到峰值時(shí),Na+通道關(guān)閉而K+通道全面打開(kāi),K+瞬間大量流出又會(huì)使膜出現(xiàn)極化甚至超極化(圖5)。最后Na+通道和K+通道關(guān)閉,回到最初的靜息電位狀態(tài)。整個(gè)過(guò)程中還有鈉-鉀泵的規(guī)律性配合。

圖5 膜的超極化

2.膜轉(zhuǎn)運(yùn)方式與膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的聯(lián)系

主動(dòng)運(yùn)輸是由載體蛋白介導(dǎo)的物質(zhì)逆濃度梯度或電化學(xué)梯度由低濃度一側(cè)向高濃度一側(cè)進(jìn)行跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的方式。由于被轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)的自由能的變化為正值,因此需要與某種釋放能量的過(guò)程相耦聯(lián)。根據(jù)主動(dòng)運(yùn)輸過(guò)程所需能量的不同,將主動(dòng)運(yùn)輸分為ATP驅(qū)動(dòng)型(如鈉-鉀泵)、勢(shì)能驅(qū)動(dòng)型(如鈉-葡萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白)和光能驅(qū)動(dòng)型三種。

協(xié)助擴(kuò)散是各種極性分子和無(wú)機(jī)鹽離子順濃度梯度或電化學(xué)梯度的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。介導(dǎo)協(xié)助擴(kuò)散的膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可以是載體蛋白,如葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(GLUT),也可以是通道蛋白,如Na+通道和K+通道(圖6)。

圖6

3.試題分析

【例1】SGLT2是腎小管細(xì)胞膜上重吸收葡萄糖的一種載體蛋白,SGLT2可以與腎小管腔中葡萄糖和Na+結(jié)合,形成Na+-載體-葡萄糖復(fù)合物,將Na+順濃度梯度運(yùn)入細(xì)胞,同時(shí)將葡萄糖逆濃度梯度運(yùn)入細(xì)胞,下列敘述錯(cuò)誤的是

( )

A.氧氣的含量變化會(huì)直接影響SGLT2參與的葡萄糖的運(yùn)輸速率

B.SGLT2將腎小管腔中的葡萄糖運(yùn)入細(xì)胞屬于主動(dòng)運(yùn)輸

C.細(xì)胞通過(guò)SGLT2運(yùn)輸葡萄糖的動(dòng)力來(lái)自Na+的濃度差

D.腎小管細(xì)胞中SGLT2合成不足可能導(dǎo)致人尿液中含有葡萄糖

【答案】A

【分析】如上所述,SGLT屬于膜載體蛋白,題干中明確指出SGLT將葡萄糖逆濃度梯度運(yùn)入細(xì)胞,所以可以確定葡萄糖運(yùn)入細(xì)胞的過(guò)程是主動(dòng)運(yùn)輸。主動(dòng)運(yùn)輸需要消耗代謝能,分析題干可知,不是ATP直接提供能量,而是膜外Na+濃度高于膜內(nèi),借助其形成的電化學(xué)梯度轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖。氧氣含量直接影響有氧呼吸產(chǎn)生ATP,所以氧氣含量不直接影響SGLT對(duì)葡萄糖的轉(zhuǎn)運(yùn)速率,A錯(cuò)誤。

【例2】饑餓狀態(tài)下,腸腔的葡萄糖通過(guò)SGLT1逆濃度梯度進(jìn)行跨膜運(yùn)輸;進(jìn)食后,小腸微絨毛局部葡萄糖濃度由于二糖的水解而升高,細(xì)胞通過(guò)GLUT2順濃度梯度吸收葡萄糖,速率比通過(guò)SGLT1快數(shù)倍(如圖7所示)。下列敘述錯(cuò)誤的是

( )

圖7

A.圖中的二糖可能是麥芽糖

B.SGLT1和GLUT2同時(shí)存在增強(qiáng)了動(dòng)物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性

C.SGLT1和GLUT2都屬于載體蛋白,兩者都應(yīng)該具有ATP水解酶活性

D.葡萄糖通過(guò)SGLT1的跨膜運(yùn)輸方式體現(xiàn)了活細(xì)胞能夠按照生命活動(dòng)的需要選擇性吸收所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)

【答案】C