細胞生物學/小分子物質和離子的穿膜運輸

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細胞膜與物質的穿膜運輸 - 細胞膜的化學組成與生物學特性 - 小分子物質和離子的穿膜運輸 - 大分子和顆粒物質的穿膜運輸 - 細胞膜異常與疾病
細胞是生命的基本單位,它們在進行各種生命活動中必然要與外環境進行活躍的物質交換,通過 質膜從環境中獲取需要的營養物質和O2並將CO2等代謝產物排至細胞外。物質從膜的一側向另一側的運輸叫做「穿膜運輸」(transmembrane transport)。細胞膜作為細胞與細胞外環境間的半透性屏障,對穿膜運輸的物質有選擇和調節作用,以維持細胞相對穩定的內環境。質膜的基本骨架是脂雙分子層,其固有的疏水性對於大多數極性和水溶性分子構成了一道屏障,只有那些脂溶性、非極性或不帶電的小分子物質能自由擴散通過質膜,而對帶電的溶質分子和離子是高度不通透的,它們的穿膜轉運由質膜上特殊的膜運輸蛋白完成。目前把小分子和離子通過脂雙層的穿膜運輸分為簡單擴散、離子通道擴散、易化擴散和主動運輸四種方式。另外,細胞膜通過胞吞和胞吐作用進行大分子和顆粒物質的運輸。

膜的選擇性通透和簡單擴散[編輯]

物質穿膜運輸通透性的高低決定於質膜固有的脂溶性和物質本身的特性。在研究細胞膜對小分子和離子的通透性中常採用人工脂雙層膜方法。運用實驗手段在水槽分隔板的小孔上覆蓋人工脂雙分子層,然後檢測該脂雙層兩側溶液中某種溶質的含量,可以測定這個模擬脂雙層的通透性。實驗表明,如果給予足夠長的時間,實際上任何不帶電小分子都可以從高濃度向低濃度方向通過人工脂雙層膜,但是不同分子的擴散速率有極大差異。根據相似相溶原理,高脂溶性物質容易穿越脂雙分子層,分子量越小、脂溶性越強通過脂雙層膜的速率越快,如O2、CO2、N2等高脂溶性物質穿膜擴散速度很快。分子量較低的不帶電荷的極性小分子如水、乙醇和尿素也能通過脂雙層,但較大的分子如甘油通過較慢,葡萄糖則幾乎不能通過。脂雙層對於所有帶電的分子和離子(如Na+,K+等),不管它多麼小,都是高度不通透的,這些分子所帶電荷及高度的水合狀態妨礙它們進入脂雙層的疏水區。各種極性分子如單糖、胺基酸和磷酸化中間產物是不能通過簡單擴散方式穿膜轉運的,所以質膜提供了一道選擇性通透屏障,防止這些物質自由擴散進出細胞。值得指出的是雖然水分子能以簡單擴散的方式通過細胞膜,但擴散速度很慢,在體內細胞對水分子的穿膜運輸是通過膜上的水通道介導,而不是以簡單擴散的方式實現的。
簡單擴散(simple diffusion)是小分子物質穿膜運輸的最簡單方式。小分子的熱運動可使分子以自由擴散的方式從膜的一側進入到另一側,但必須滿足兩個條件:一是溶質在膜兩側保持一定的濃度差,二是溶質必須能透過膜。脂溶性物質如醇、苯、甾類激素以及O2、CO2、N2等就是通過簡單擴散方式穿過細胞膜。在簡單擴散時,溶質分子通過膜脂分子間隙向低濃度一側進行跨膜擴散,這一過程中,無生物學機制參與,無需代謝耗能,所需要的能霾來自濃度差本身的勢能,故也稱為被動擴散(passive diffusion)。這種物質從高濃度向低濃度方向的穿膜運動,符合物理學上的簡單擴散規律,最終消除兩個區域間的濃度差。物質經簡單擴散轉運的速率取決於被轉運物質在膜兩側的濃度差和物質本身的特性。另外,物質所在溶液的溫度愈高、膜的有效面積愈大,轉運速度也愈高。

膜運輸蛋白介導的穿膜運輸[編輯]

只有脂溶性、非極性或不帶電的小分子可以通過簡單擴散方式穿膜轉運。對於大多數極性和水溶性物質細胞是通過膜上存在的特殊蛋白質進行跨膜轉運的。這類蛋白質稱為膜運輸蛋白(membrane transport protein)。膜運輸蛋白的分子數可佔所有膜蛋白總數的15%~30%。膜運輸蛋白都是多次穿膜蛋白,通常每種膜運輸蛋白只轉運某一特定類別的溶質(如離子、單糖或胺基酸)。
根據介導物質運輸的形式不同,膜運輸蛋白分為兩類:一類為載體蛋白(carrier protein),也稱為轉運體(transporter), 另一類是通道蛋白(channel protein)。載體蛋白的特點是與所運輸的溶質分子專一結合,通過自身構象改變而運送該溶質過膜。通道蛋白則形成一種水溶性通道貫穿脂雙層,當通道受調控開放時允許特定的溶質(一般是無機離子)穿越細胞膜。通道蛋白和某些載體蛋白介導溶質穿膜轉運時不消耗能量,稱其為被動運輸(passive transport)。在被動運輸中,如果轉運的溶質是不帶電的非電解質,膜兩側的濃度梯度即膜兩側的濃度差,決定溶質的轉運方向(順濃度梯度);如被轉運的物質是電解質,其轉運方向取決於該物質在膜兩側的濃度差和電位差,某物質在膜兩側的電位差和濃度差兩個驅動力的代數和,稱為該物質的電-化學驅動力(electrochemical driving force)。另外,有機體所有細胞膜都具膜電位,因為在膜的外表面有一薄層正離子,內表面有一薄層負離子,形成了細胞膜兩側內負外正相對平穩的電位差(靜息電位)。所以膜電位通常有利於帶正電的離子進入而不利於帶負電的離子進入。
細胞也需要逆電化學梯度轉運一些物質,這不僅需要運輸蛋白的參與,還需要消耗能量(多數是 ATP)。這種由載體蛋白參與、消耗代謝能驅動物質逆電化學梯度的跨膜轉運稱為主動運輸(active transport)。載體蛋白既可介導被動運輸(易化擴散),也可介導逆電化學梯度的主動運輸;而通道蛋白只能介導順電化學梯度的被動運輸。
膜運輸蛋白的活性和在細胞膜上的數目決定其物質轉運能力。載體蛋白的構象改變影響它們與所運物質的結合;通道蛋白的構象改變決定其開放或關閉狀態。因此,對載體蛋白活性的調節本質上是對蛋白構象改變的調控。例如,依賴ATP直接供能的Na+-K+泵、Ca2+泵等就是經過磷酸化修飾後改變構象完成轉運的。細胞外的調控因素包括激素、神經遞質、被運物質的電化學梯度等。一些天然和人工小分子化合物可以激活或桔抗膜運輸蛋白的活性;細胞內的詢控因素包括酶、G蛋白、信號蛋白等。對於離子通道而言,膜電位的變化是其最重要的調控因素之一。膜運輸蛋白的數目顯然影響運輸速率。膜運輸蛋白都是整合於來自高爾基複合體成熟面的膜泡的膜上,基礎狀態下膜泡停留在胞質中,在受到某種信號分子作用時,膜泡與質膜融合將膜運輸蛋白轉運至質膜上,這一過程被稱為「上膜」(trafficking to the membrane)或「入膜」(inserting into the membrane)。相反,位於質膜上的運輸蛋白也可以通過胞吞被回收(retrieved)入細胞,隨即被送到內體一溶酶體途徑被降解,這種「下膜」或 「內化」(internalization)的機制被用以負性調控質膜上運輸蛋白的數目。例如,抗利尿激素與腎臟集合管主細胞膜上的受體結合後促進水通道蛋白的表達和上膜;阻斷抗利尿激素與其受體的結合可增加水通道蛋白的內吞。抗利尿激素就是通過改變水通道蛋白的數量實現對原尿中水的重吸收。

易化擴散是載體蛋白介導的被動運輸[編輯]

一些非脂溶性(或親水性)的物質,如葡萄糖、胺基酸、核苷酸以及細胞代謝物等,不能以簡單擴散的方式通過細胞膜,但它們可在某些載體蛋白的介導下,不消耗細胞的代謝能量,順物質濃度梯度或電化學梯度進行轉運,這種方式稱為易化擴散(facilitated diffusion)或幫助擴散。由於易化擴散不消耗細胞的代謝能,這一點與簡單擴散相同,二者都是被動運輸。易化轉運蛋白可以在兩個方向上同等介導物質的穿膜運輸,淨通量的方向取決於物質在膜兩側的相對濃度。但在易化擴散中,轉運特異性強,轉運速率也非常快。
目前對載體蛋白在分子水平上如何發揮作用的細節還不清楚,一般認為,載體蛋白對所轉運的溶質具有高度專一性,可以藉助於其上的結合位點與某一物質進行暫時的、可逆的結合。當載體蛋白一側表面的特異結合位點,同專一的溶質分子結合形成複合體,即可引起載體蛋白發生構象變化,通過一定的易位機制,將被運送的溶質分子從膜的一側移至膜的另一側。同時,隨構象的變化,載體對該物質的親和力也下降,於是物質與載體蛋白分離,溶質順着濃度梯度從這裏擴散出去,載體蛋白又恢復到它原有的構象。
易化擴散具有以下特點:

  • 結構特異性:每種易化擴散載體蛋白對其所運分子有一個或多個結合位點,只能識別具有特定化學結構的一種或一類底物。
  • 飽和現象:細胞膜中載體蛋白的數量和轉運速率有限,當被轉運的底物濃度增大到一定程度,使所有的結合位點被佔滿,底物的擴散速度達到最大值(Vmax),不再隨底物的濃度增加而增大時,稱為載體轉運的飽和現象(saturation)。最大擴散速度Vmax能反映載體蛋白構象轉化的最大速率。擴散速度達Vmax一半時(1/2Vmax)時的底物濃度,稱為米氏常數(Michealis constant, Km), 可反映載體蛋白對底物分子的親和性,凡越小表明親和力和轉運效率越高,反之亦然。
  • 競爭性抑制:所運底物與載體蛋白的結合可被競爭性抑制物特異性地阻斷(競爭同一結合位點並且被或者不被轉運);也可被非競爭性抑制物阻斷(結合在載體蛋白的其他部位改變其構象)。

葡萄糖是人體最基本的直接能量來源,對於許多細胞包括紅細胞而言,血糖和細胞外液中葡萄糖濃度高於細胞內,這些細胞膜上都含有一種向細胞內轉運葡萄糖的膜蛋白,以易化擴散方式將葡萄糖轉運入細胞。目前發現人類基因組編碼14種與葡萄糖轉運相關的載體蛋白GLUT1~-GLUT14, 構成葡萄糖轉運體(glucose transporter, GLUT)蛋白家族,它們具有高度同源的胺基酸序列,都含有12次穿膜的α螺旋。GLUT1是首先在紅細胞上發現的第一個成員,後來被證明普遍存在於絕大多數哺乳動物細胞,是基本的葡萄糖轉運體。對GLUTl的研究發現,多肽穿膜段主要由疏水性胺基酸殘基組成,但有些α-螺旋帶有Ser、Thr、Asp和Glu殘基,它們的側鏈可以和葡萄糖羥基形成氫鍵。這些胺基酸殘基被認為可以形成載體蛋白內部朝內或朝外的葡萄糖結合位點。人紅細胞膜上存約5萬個葡萄糖載體蛋白,其數量相當於其膜蛋白總量的5%, 最大轉運速度約為每秒轉運180個葡萄糖分子。葡萄糖載體蛋白的三維結構尚未得到解析,因此葡萄糖轉運機制還是一個謎。動力學研究表明葡萄糖的轉運是通過載體蛋白的兩種構象交替改變而完成的,因為載體蛋白是一種12次穿膜蛋白,它們不可能通過在脂雙層中來回移動或翻轉以轉運物質分子。在第一種構象,葡萄糖結合位點朝向細胞外,結合葡萄糖之後,誘導其構象發生改變,使葡萄糖結合位點轉向細胞內,釋放葡萄糖入細胞,隨後又恢復原先的構象,這樣不斷地將葡萄糖轉運入細胞。所以說GLUT蛋白構象的變化是其轉運功能的基礎。
GLUTs家族成員的差別主要在於組織分佈的特異性、與葡萄糖分子的親和性、轉運動力學特性以及自身功能調控等方面。如GLUT3分佈於腦內神經元細胞,在軸突和樹突上特別豐富。GLUT3對葡萄糖分子有很高的親和力(低Km), 其親和力高於GLUTl、GLUT2和GLUT4; 而且有更高的運輸速率(carrying capacity), 其運輸速率可高出GLUTl和GLUT4至少5倍,說明GLUT3在結合和釋放葡萄糖的兩種構象之間的變換速率更高。即使在血糖水平略低時也能以較高速率從細胞外液攝取葡萄糖,保障神經元的能量供應和腦功能活動。GLUT2主要分佈於肝細胞和胰島β細胞,與葡萄糖的親和力低於GLUTl, 即GLUT2在較高血糖濃度時轉運速率增加,而GLUTl在較低血糖濃度時轉運速率就增加、在較高血糖濃度時因其結合葡萄糖的位點趨於飽和,表現為轉運速率增加不多。當餐後血糖從基礎水平5mmol/L升至lOmmol/L時,肝細胞和胰島β細胞運入葡萄糖的速率翻了1倍,而紅細胞和表達GLUTl的細胞只略微增加。肝細胞將轉運進來的葡萄糖轉化成糖原以備飢餓時分解利用,胰島β細胞內因葡萄糖濃度的升高觸發了胰島素的分泌,血中胰島素水平增高時,GLUT4囊泡可在幾分鐘內啟動「上膜」插入到肌細胞和脂肪細胞膜上,使GLUT4數目增加,促進這兩種細胞增強葡萄糖的攝入而降低血糖,這一調控是胰島素降低血糖的主要機制。胰島素缺乏或GLUT4數量或功能降低導致成人糖尿病(2型糖尿病)發生。GLUT也是腫瘤細胞攝取葡萄糖的重要轉運體。腫瘤細胞生長快、代謝率高,以糖酵解方式代謝葡萄糖,這使它們攝取葡萄糖增加,需要相應增加GLUT的表達。GLUT的高表達,與某些腫瘤的惡性表型和預後相關,這也是GLUT在醫學研究中受到很多關注的原因之一。

主動運輸是載體蛋白逆濃度梯度的耗能運輸[編輯]

被動運輸只能順濃度梯度穿膜轉運物質,趨向於使細胞內外的物質濃度達到平衡,但實際上細胞內外許多物質濃度存在很大差異。一般情況下,細胞內的K+濃度約為lOOmmol/L, 而細胞外的K+濃度只有5mmol/L。因此,在質膜兩側就有一個很「陡」的K+濃度梯度,有利於K+擴散到細胞外。Na+在質膜兩側的分佈正好相反,細胞外的濃度為150mmol/L, 而細胞內則為10~20mmol/L。 Ca2+在質膜兩側的分佈的差別就更大,一般情況下,真核細胞細胞外的Ca2+濃度要高於細胞內約10 000倍。這些濃度梯度由主動運輸產生,以維持細胞內外物質濃度的差異,這對維持細胞生命活動至關重要。
主動運輸是載體蛋白介導的物質逆電化學梯度、由低濃度一側向高濃度一側進行的穿膜轉運方式。轉運的溶質分子其自由能變化為正值,因此需要與某種釋放能量的過程相偶聯,能量來源包括ATP水解、光吸收、電子傳遞、順濃度梯度的離子運動等。
動物細胞根據主動運輸過程中利用能量的方式不同,可分為ATP驅動泵(由ATP直接提供能量)和協同運輸(ATP間接提供能量)兩種主要類型。
1、ATP驅動泵 常被稱為ATP驅動蛋白或運輸ATP酶(transport ATPase), 它們在膜的胞質側具有一個或多個ATP結合位點,能夠水解ATP使自身磷酸化,利用ATP水解所釋放的能量將被轉運分子或離子從低濃度向高濃度轉運,所以常稱之為"泵"。根據泵蛋白的結構和功能特性,可分為4類:P-型離子泵,V-型質子泵,F-型質子泵和ABC轉運體。前3種只轉運離子,後一種主要轉運小分子。
(1)P-型離子泵(P-class ion pump): 所有有機體都是依靠P型離子泵穿膜轉運陽離子。P型離子泵都有2個獨立的大亞基(α亞基),具有ATP結合位點,絕大多數還具有2個小的β亞基,通常起調節作用。在轉運離子過程中,至少有一個α催化亞基發生磷酸化和去磷酸化反應,從而改變泵蛋白的構象,實現離子的穿膜轉運。由於在泵工作過程中,形成磷酸化中間體(天門冬氨酸殘基作為磷酸化位點),"P"代表磷酸化,故名P型離子泵。動物細胞的Na+-K+泵、Ca2+泵和哺乳類胃腺壁細胞(parietal cells)上的H+-K+泵等都屬於此種類型。
1) Na+-K+泵:又稱Na+-K+-ATP酶,是哺乳動物細胞膜中普遍存在的離子泵,由α亞基和β亞基構成。α亞基分子量為120kD, 是一個多次穿膜的膜整合蛋白,具有ATP酶活性。β亞基分子量為50kD, 是具有組織特異性的糖蛋白,並不直接參與離子的穿膜轉運,但能幫助在內質網新合成的α亞基進行摺疊,當把α亞基與β亞基分開時, α亞基的酶活性即喪失,其他功能還不清楚。α亞基有3個Na+結合位點、2個K+結合位點和一個ATP結合位點。K+結合位點可被烏本苷高親和結合。其作用過程為:在細胞膜內側α亞基與ATP結合時,離子結合位點朝向細胞內,此時α亞基與Na+親和性較高與K+的親和力低,使已結合的2個K+放到細胞內,並與3個Na+結合;結合Na+後α亞基的ATP酶活性被激活,ATP水解為ADP和磷酸,磷酸基團與α亞基上的一個天門冬氨酸殘基共價結合使其磷酸化,ATP水解釋放的能量驅動α亞基構象改變,使離子結合位點朝向細胞外;這時α亞基對Na+的親和性降低而對K+的親和力增高,使已結合的3個Na+釋放到細胞外並與胞外2個K+結合;K+與磷酸化的α亞基結合後促使其去磷酸化,再次與一分子ATP結合使蛋白構象又恢復原狀, 失去對K+的親和力,將K+釋放到胞內,完成一個循環。生物化學家J. C. Skou等人因揭示了Na+-K+泵的蛋白組分及工作原理而獲得1997年諾貝爾化學獎。
水解一個ATP分子,可輸出3個Na+, 轉入2個K+。Na+依賴的磷酸化和K+依賴的去磷酸化如此有序地交替進行,每秒鐘可發生約1000次構象變化。當Na+-K+泵抑制劑烏本苷在膜外側佔據K+的結合位點後,Na+-K+-ATP酶活性可被抑制;當抑制生物氧化作用的氰化物使ATP供應中斷時,Na+-K+泵失去能量來源而停止工作。大多數動物細胞要消耗APT總量的20%~30%(神經細胞要佔到約70%)用於維持Na+-K+泵的活動,從而保證細胞內低Na+高K+的離子環境。這具有重要的生理意義,如調節滲透壓維待恆定的細胞體積、保持膜電位、為某些物質的吸收提供驅動力和為蛋白質合成及代謝活動提供必要的離子濃度等。
2) Ca2+泵:真核細胞胞質中含有極低濃度的Ca2+,(≤10-7mol/L) , 而細胞外Ca2+濃度卻高得多(約10-3mol/L)。細胞內外的Ca2+濃度梯度部分是由膜上的Ca2+泵維持的。Ca2+泵不僅位於質膜上,還集中於肌細胞的肌漿網和其他細胞的內質網膜上。目前了解較多的是肌漿網上的Ca2+泵,巳獲得了Ca2+泵三維結構高分辨解析,它是10次穿膜的α-螺旋多肽鏈,大約由1000個胺基酸殘基構成,與Na+-K+-ATP酶的α亞基同源,說明這兩種離子泵在進化上有一定關係。像Na+-K+泵一樣,Ca2+泵也是ATP酶,在Ca2+泵工作周期中,Ca2+-ATP酶也有磷酸化和去磷酸化過程,通過兩種構象改變, 結合與釋放Ca2+。肌漿網和內質網膜上的鈣泵每水解一分子ATP,能逆濃度梯度轉運2個Ca2+進入肌漿網或內質網中;而質膜中的鈣泵,每水解一分子ATP,可將結合的1個Ca2+胞質轉運至胞外。兩種鈣泵的共同作用可使胞質中的游離Ca2+保持在0.1~0.2μmol/L低的水平,僅為細胞外液濃度(1~2mmol/L)的萬分之一。細胞內外較大的Ca2+濃度差使得細胞對胞質內Ca2+濃度的升高非常敏感,在細胞外信號作用時Ca2+經鈣通道順其濃度梯度快速進入胞質內,驟然升高的Ca2+濃度成為促發和激活許多生理活動的關鍵因素,如肌肉收縮、腺上皮細胞分泌、神經遞質釋放以及某些酶蛋白和通道蛋白激活等。
Ca2+泵的活性受到鈣調蛋白(calmodulin, CaM)的調控,鈣調蛋白位於胞質基質、質膜和內質網膜,當胞質中Ca2+濃度升高時,鈣調蛋白與鈣離子結合,然後作用於Ca2+泵使其別構性激活,結果Ca2+迅速被泵出細胞或泵回肌質網,使胞質中鈣離子濃度迅速降低,上述功能活動結束。
(2) V型質子泵(V-class proton pump): 主要指存在於真核細胞的膜性酸性區室,如網格蛋白有被小泡、內體、溶酶體、高爾基複合體、分泌泡(包括突觸小泡)以及植物細胞液泡膜上的H+-泵,V-型質子泵由一個穿膜組分(V0)和親水的胞質組分(V1)構成。V1由8個亞基組成,而V0由多個脂蛋白亞基組成。發現當ATP結合到V1的b亞基並發生水解時,產生的能量就將H+經過V1的c亞基和V0的某個亞基形成的孔道將胞質基質中的H+逆電化學梯度轉運到上述細胞器和囊泡中,使其內部成為酸性環境保障其功能。與P型離子泵不同,V型質子泵在運輸過程中不形成磷酸化-去磷酸化中間體。後來發現這些V-型質子泵也存在於一些分泌質子的細胞膜上,如破骨細胞、巨噬細胞、中性粒細胞和腎小管上皮細胞,分別與腎小管中尿液的酸化、骨基質的酸化和吸收、吞噬細胞內部pH的穩定有關。腫瘤細胞質膜上高表達V-型質子泵多種蛋白亞基的變異體,可使腫瘤細胞更多的泌酸,造成細胞外微環境進一步酸化,酸化與增殖、浸潤、耐藥等多種惡性表型相關,因此人們正在探索抑制V-型質子泵的策略用於腫瘤治療的可能性。
(3) F型質子泵(F-class proton pump)主要存在於細菌質膜、線粒體內膜和葉綠體膜中,它使H+順濃度梯度運動,所釋放的能量使ADP轉化成ATP, 偶聯質子轉運和ATP合成。在線粒體氧化磷酸化和葉綠體光合磷酸化中起重要作用。因此,F-型質子泵也被稱作H+-ATP合成酶。
(4) ABC轉運體(ABC transport): 是一類以ATP供能的運輸蛋白,目前已發現100多種,廣泛分佈在從細菌到人類各種生物體中,形成ABC超家族(ABC superfamily)。該蛋白家族如此命名是因為每一成員都含有兩個高度保守的ATP結合匣(ATP binding cassette, ABC), 即ATP結合結構域。目前哺乳動物細胞中已有超過50種不同的ABC運輸蛋白被鑑定出來,它們專一運輸一種或一類底物,整個超家族所運輸的物質種類極其巨大。可包含單糖、胺基酸、脂肪酸、磷脂、膽固醇、膽汁酸、外源性毒素和藥物,甚至一些肽類和蛋白質。它們在肝、小腸和腎細胞等質膜中表達豐富, 能將毒素、生物異源物質(包括藥物)和代謝物排至尿、膽汁和腸腔中, 降低有毒物質(包括藥物)的積累而達到自我保護。第一個被鑑定的真核細胞ABC蛋白來自對腫瘤細胞和抗藥性培養細胞的研究。這些細胞高水平表達一種多藥抗性運輸蛋白(multidrug resistance protein, MDR), 這種蛋白能利用水解ATP的能量將多種通過質膜進入細胞的脂溶性藥物泵到細胞外,減輕了藥物對腫瘤細胞的毒性作用,使細胞對腫瘤化療中常用的多種化療藥物同時發生抵抗。研究表明該蛋白在各種腫瘤細胞中過度表達,有多達40%的人類惡性腫瘤可發生固有的或獲得性的多藥耐藥,這成為腫瘤治療的一大障礙。
ABC轉運體在哺乳動物免疫監視中具有重要作用,來自細菌、病毒或其他病原微生物的蛋白降解產物,可被位於內質網膜上的ABC轉運體轉運至內質網腔,然後被遞呈(present)在細胞膜表面作為抗原被細胞毒性T淋巴細胞識別。
2、協同運輸 細胞所建立的幾種濃度梯度,如Na+, K+和H+濃度梯度,是儲存自由能的一種方式。儲存在離子濃度梯度中的勢能可以供細胞以多種途徑來做功。協同運輸(cotransport)是一類由Na+-K+泵(或H+泵)與載體蛋白協同作用,間接消耗ATP所完成的主動運輸方式。物質穿膜運動所需要的直接動力來自膜兩側離子的電化學梯度中的能量,而維持這種離子電化學梯度是通過Na+-K+泵(或H+泵)消耗ATP所實現的。若用藥物抑制Na+-K+泵活動,相應的協同運輸也逐漸減弱或消失。動物細胞的協同運輸是利用膜兩側的Na+電化學梯度來驅動,植物細胞和細菌是利用H+電化學梯度來驅動。根據溶質分子運輸方向與Na+或H+順電化學梯度轉移方向的關係,又可分為共運輸(symport)與對向運輸(antiport)。
(1)共運輸:是載體蛋白介導的兩種溶質分子相同方向的聯合轉運。在這種方式中,物質的逆濃度梯度穿膜運輸與所依賴的Na+或H+順濃度梯度的運輸兩者方向相同。如葡萄糖在小腸黏膜上皮的吸收和在近端腎小管上皮的重吸收都是通過Na+-葡萄糖轉運體(Na+-glucose cotransporter)進行的。在小腸中酶把多糖水解成單糖,小腸黏膜上皮細胞游離面上的Na+-葡萄糖轉運體在質膜外表面分別結合2個Na+和1個葡萄糖分子,當Na+順濃度梯度進入細胞時,葡萄糖就利用Na+電化學梯度差中的勢能,與Na+相伴隨逆濃度梯度進入細胞。轉運體在A和B 兩種構象間轉換,當Na+在胞質內釋放後轉運體蛋白構象發生改變,失去對葡萄糖的親和性而與之分離,轉運體蛋白構象又恢復原狀,可反覆工作。研究表明Na+和葡萄糖在轉運體上的結合是協同的,即其中一種的結合誘發轉運體構象的改變,大大增加對另一種的親和力,缺乏一種另一種無法結合到轉運體上。因為細胞外Na+濃度很高,葡萄糖也就很容易在A狀態結合到轉運體上。進入細胞的Na+被Na+-K+-ATP酶泵出細胞外,以保持Na+的跨膜濃度梯度。由此可見,這種運輸所消耗的能量,實際上是由ATP水解間接提供的。Na+-葡萄糖轉運體在小腸是以2個Na+1個葡萄糖聯合轉運,在腎小管上皮則是以1個Na+1個葡萄糖聯合轉運的。體內多種細胞的質膜上都有依賴Na+的同向轉運體,各自負責運送一組特異糖類(如葡萄糖、果糖、甘露糖、半乳糖)、胺基酸、水溶性維生素進入細胞。如小腸黏膜上皮中參與胺基酸和維生素吸收的Na+-胺基酸、Na+-維生素(維生素B1、維生素B2、維生素B6、維生素PP)同向轉運體;腎小管上皮細胞的Na+-HC03-、Na+-K+-2Cl-、Na+-Cl-、K+-C1-同向轉運體;甲狀腺上皮細胞攝取I-的Na+-I-同向轉運體等都屬於Na+驅動的共運輸形式。
(2) 對向運輸:同一種轉運體將兩種不同的離子或分子分別向膜的相反方向的運輸過程,由離子 濃度梯度驅動。脊椎動物細胞中有多種對向運輸轉運體:①Na+-Ca2+交換體。幾乎所有細胞都存在Na+-Ca2+轉運體,以轉入3個Na+排除1個Ca2+的化學計量聯合轉運。心肌細胞在興奮-收縮偶聯過程中流入的Ca2+主要通過Na+-Ca2+轉運體將其排除細胞;在小腸黏膜上皮細胞和腎近端小管細胞底側膜Na+-Ca2+轉運體轉運Ca2+進入組織液然後入血,是Ca2+吸收的重要載體蛋白。②Na+-H+交換體。這種交換蛋白偶聯1個Na+順濃度梯度流進與1個H+泵出,可清除細胞代謝過程中產生的過多的H+以調節胞質內pH(≈7.2); 腎近端小管的Na+-H+交換體向小管液中排出H+以利於HC03-被重吸收,在排出固定酸和維持機體酸鹼平衡中起重要作用。③Cl--HCO3-交換體。在細胞內HCO3-升高時,將HCO3-運出細胞同時將Cl-運入,從而介導HCO3-和CO2的輸出,這在破骨細胞和胃泌酸活動中發揮作用,紅細胞中攜帶的CO2也是通過這種方式迅速排至血液。
人和其他哺乳動物胃液中的鹽酸(HCl)也稱為胃酸(gastric acid), 使胃液呈強酸性(pH 0.9~1.5),可殺滅隨食物進入胃內的細菌、使蛋白質變性有利於水解、為胃蛋白酶功能活性提供合適的酸性環境。鹽酸是由胃腺中的壁細胞(parietal cells)分泌,壁細胞鄰近胃腔的頂部質膜含有H+-K+泵,把H+逆巨大的濃度梯度主動轉運至胃腔中,同時驅動K+進入細胞。但由於細胞內[H+]×[OH-]為常數,所以「多餘的」OH-與從血液中擴散進入的CO2在碳酸酐酶的催化下結合形成HCO3-, HCO3-通過壁細胞底部質膜上的Cl--HCO3-交換體順濃度梯度運出細胞,而Cl-被反向轉運進入細胞。壁細胞頂部質膜上的鉀通道和氯通道開放,細胞內的K+順濃度梯度進入胃腔,進入細胞內的Cl-通過氯通道進入胃腔,並與H+形成HCl。壁細胞底部質膜上的Cl--HCO3-反相偶聯載體就這樣配合H+-K+泵的活動參與胃酸的分泌。治療胃潰瘍的藥物奧美拉唑因能與H+-K+泵特異性結合抑制其活性,成為常用的抑酸劑。
綜上所述,細胞的許多功能活動包括腎小管和腸黏膜上皮細胞的吸收功能,需要多種轉運蛋白的 協同作用,而且不同轉運蛋白在細胞膜上的不對稱分佈是定向轉運的結構基礎。
上述各種「主動運輸」方式的特點是:①主動運輸為小分子物質逆濃度或電化學梯度穿膜轉運;②需要消耗能量,可直接利用水解ATP或利用來自離子電化學梯度提供能量;③需要膜上特異性載體蛋白介導,這些載體蛋白不僅具有結構上的特異性(特異的結合位點),而且具有結構上的可變性即通過蛋白構象進行物質轉運。
細胞根據生理活動的需要,通過各種不同的方式協同完成各種小分子物質的穿膜轉運。

離子通道高效轉運各種離子[編輯]

構成生物膜核心部分的脂雙層對帶電物質,包括Na+、K+、Ca2+、Cl-等極性很強的離子是高度不可透的,它們難以直接穿膜轉運,但各種離子的穿膜速率很高,可在數毫秒內完成,在多種細胞活動中起關鍵作用。這種高效率的轉運是藉助膜上的通道蛋白完成的。目前已發現人類離子通道蛋白約有400餘種,普遍存在於各種類型的細胞膜以及細胞內的膜上。因為這些通道蛋白都與離子的轉運有關,所以通道蛋白也稱為離子通道(ion channel)。
1、離子通道的特點 離子通道為整合膜蛋白構成,與載體蛋白不同,它們可以在膜上形成親水性的穿膜孔道,快速並有選擇地讓某些離子通過而擴散到質膜的另一側。通道蛋白有以下幾個特點:①通道蛋白介導的是被動運輸,通道是雙向的,離子的淨通量取決於電化學梯度(順電化學梯度方向自由擴散),通道蛋白在轉運過程中不與溶質分子結合。②離子通道對被轉運離子的大小和所帶電荷都有高度的選擇性。只有大小和電荷適宜的離子才能通過,如鉀離子通道只允許K+通過,而不允許Na+通過。③轉運速率高,通道可以在每秒中內允許106~108個特定離子通過,比載體蛋白所介導的最快轉運速率高約100倍以上。④多數離子通道不是持續開放,離子通道開放受"閘門"控制,即離子通道的活性由通道開或關兩種構象所調節,以對一定的信號做出適當的反應。
2、離子通道的類型 已經確認的大多數離子通道以開放構象或以關閉構象而存在,通道運輸的原理是構象變化導致孔道的開放、失活或關閉。通道的開放與關閉受細胞內外多種因素的調控,被稱為「門控」(gated),如同一扇門的開啟和關閉。通常根據通道門控機制的模式不同和所通透離子的種類,將門控通道大致分為三大類。
(1) 配體門控通道:配體門控通道(ligand-gated channel)實際上是離子通道型受體,它們與細胞 外的特定配體(ligand)結合後,發生構象改變,結果將「門」打開,允許某種離子快速穿膜擴散。
乙醯膽鹼受體(acetylcholine receptor, AChR)是典型的配體門控陽離子通道,第一個被提純、測序、克隆的通道蛋白。其大量分佈於骨骼肌神經肌接頭處,當與神經末梢釋放的神經遞質乙醯膽鹼結合後通道打開,將細胞外化學信號快速轉化為電信號,實現了神經對肌肉的收縮支配。它是由4種不同亞單位組成的五聚體穿膜蛋白(α2βγσ),每個亞單位均由一個大的穿膜N端(約210aa) ,4段穿膜序列(M1~M4)以及一個短的胞外C端組成。各亞單位通過氫鍵等非共價鍵形成一個結構為α2βγσ的梅花狀通道結構,乙醯膽鹼(ACh)在兩個α亞單位表面各有一個結合位點。在無ACh結合的情況下,受體各亞基中的M2共同組成的孔區處於關閉狀態,一旦ACh與受體結合,便會引起孔區的構象改變,通道打開。一般可通過的陽離子是Na+、K+和Ca2+。神經肌接頭處肌細胞外為高濃度的Na+, 所以乙醯膽鹼受體開放導致一次Na+的大量內流,引起肌細胞膜的去極化,繼而引發多種離子通道的依次激活開放,最終引起肌肉收縮。乙醯膽鹼受體是重要的藥物靶點,箭毒植物馬錢子(curare)中提取的d-筒箭毒鹼能與乙醯膽鹼競爭性結合AChR, 使AChR失活阻斷神經傳導,因呼吸肌麻痹導致中毒死亡。人工合成的箭毒類似物作為肌肉鬆弛劑應用於外科手術麻醉。肉毒桿菌毒素(botulinum toxin)通過抑制突觸前部乙醯膽鹼釋放,阻斷了神經肌接頭傳導,可用於美容除皺和治療肌肉痙攣、驚厥、多汗症等。
繼AChR之後,又陸續發現了的其他神經遞質的受體作為離子通道,如γ-氨基丁酸(GABAA和GABAC)受體、甘氨酸(Gly)受體、5-羥色胺(5-HT)受體以及一類穀氨酸門控陰離子通道(GluCl受體。例如,5-HT受體與ACh受體可選擇性地通透Na+、K+和Ca2+等陽離子。GABAA和GABAC受體、Gly受體、GluCl受體則主要對Cl-通透。從它們的胺基酸序列和整體結構的相似性足以證明它們有共同的進化起源。
(2) 電壓門控通道:膜電位的改變是控制電壓門控通道(voltage-gated channel)開放與關閉的直接因素。此類通道蛋白的分子結構中存在着一些對膜電位改變敏感的基團或亞單位,可誘發通道蛋白構象的改變,從而將「門」打開,一些離子順濃度梯度自由擴散通過細胞膜。閘門開放時間非常短,只有幾毫秒時間,隨即迅速自發關閉。電壓門控通道主要存在於神經元、肌細胞及腺上皮細胞等可興奮細胞,包括K+通道、Ca2+通道、Na+通道和Cl-通道。
(3) 應力激活通道:應力激活通道(stress-activated channel)是通道蛋白感受應力而改變構象,開啟通道使「門」打開,離子通過親水通道進入細胞,引起膜電位變化,產生電信號。如內耳聽覺毛細胞頂部的聽毛即具有應力激活通道。當聲音傳至內耳時,引起毛細胞下方基膜發生震動,從而使聽毛觸及上方的覆膜,迫使聽毛髮生傾斜產生彎曲,在這種機械應力作用下,使應力門控通道開放,允許離子進入內耳毛細胞,膜電位改變,從而將聲波信號傳遞給聽覺神經元。目前關於應力激活通道的研究相對較少,從細菌和古細菌克隆的應力激活通道均為兩段穿膜蛋白,整個通道呈五聚體結構模式,易通透陽離子。

水通道介導水的快速轉運[編輯]

水分子雖然可以以簡單擴散方式通過細胞膜,但是擴散速度非常緩慢,但有許多細胞如腎小管和腸上皮細胞,血細胞,植物根細胞及細菌等對水的吸收極為快速。長期以來,人們就猜想細胞膜上可能存在水的專一通道。直到1988年,美國學者P.Agre 在分離純化紅細胞膜Rh血型抗原核心多肽時偶然發現質膜上有構成水通道的膜蛋白,這種蛋白質被命名為水孔蛋白(aquaporin, AQP), 從而確認了細胞膜上有水轉運通道蛋白的理論,Agre 因此獲得了2003年諾貝爾化學獎。
1、水通道的分類 目前發現哺乳動物水通道蛋白家族已有11個成員(AQP0~AQP10), 根據其 功能特性的差異分為兩個家族:AQP1、2、4、5、6和AQP0基因結構類似,胺基酸序列30%~50%同源,只能通透水,屬於經典的選擇性水通道(orthodox aquaporins);AQP3、7、9、10除對水分子通透外,對甘油和尿素等中性小分子也具有通透性,成為AQP家族的第二個亞家族——水-甘油通道(aquaglyceroporin)。AQP8位於水選擇型和甘油滲透型之間,功能尚不明確。
2、水通道蛋白的結構 水通道蛋白家族中AQP1的結構研究得比較清楚。AQP1在質膜上是由四個對稱排列的圓筒狀亞基包繞而成的四聚體,每個亞基(即一個AQP1分子)的中心存在一個只允許水分子通過的中央孔,孔的直徑約0.28nm, 稍大於水分子直徑。一個AQP1分子是一條多肽鏈,AQP1分子的6個長α-螺旋構成基本骨架,其間還有兩個嵌入但不貫穿膜的短α-螺旋幾乎頂對頂地位於脂雙層中。在兩個短螺旋相對的頂端各有一個在所有水通道家族蛋白中都保守存在的Asn-Pro-Aal(NPA)基序(motif),它們使得這種頂對頂結構得以穩定存在。親水性通道的壁由這6條兼性的α-螺旋圍成,每個螺旋朝向脂雙層一面由非極性胺基酸殘基構成,他們通過范德華力和疏水性相互作用與脂肪酸鏈連接;朝向中央孔一面由極性胺基酸殘基構成。
3、水通道對水分子的篩選機制 AQP1等水孔蛋白形成對水分子高度特異的親水通道,只允許水而不允許離子或其他小分子溶質通過。這種嚴格的選擇性主要是由於:①AQP1中央孔通道的直徑(0.28nm)限制了比水分子大的小分子通過;②AQP1中央孔通道內溶質結合位點的控制。當一個水分子要通過直徑0.28nm的水通道時,它必須要剝除其周圍與之水合的水分子,而通道管窄口周圍的幾種極性胺基酸殘基上的碳基氧可與通過的水分子形成氫鍵,替代了水分子之間的氫鍵,使得這種去水合過程中需要的能量得到補償。而離子與水分子之間的水合作用比水分子之間大得多,AQP1水通道的通道管中,能替代水合水分子的叛基氧數量不足,離子只能脫去部分水分子,對於部分脫去水分子的離子水合物而言,水通道太窄無法通過。
一般認為,水通道是處於持續開放狀態的膜通道蛋白,一個AQP1通道蛋白每秒鐘可允許3×109個水分子通過。水分子的轉運不需要消耗能量,也不受門控機制調控。水分子通過水通道的移動方向完全由膜兩側的滲透壓差決定,水分子從滲透壓低的一側向滲透壓高的一側移動,直至兩側滲透壓達到平衡,因此,水通道是水分子在溶液滲透壓梯度的作用下穿膜轉運的主要途徑。
水通道大量存在於與體液分泌和吸收密切相關的上皮和內皮細胞膜上,其中AQP1是紅細胞膜上的主要水通道,也分佈於腎、脈絡叢、毛細血管等多種組織細胞上。AQP2隻分佈在腎集合管上皮主細胞頂端質膜,其分佈數量受抗利尿激素調控。腎小管原尿中大量的水通過AQP2迅速被重吸收,AQP2基因的突變導致先天性腎性尿崩症。AQP0分佈於眼晶狀體,參與晶狀體的水代謝、維持其透明性,AQPO基因突變導致人類先天性白內障。AQP4分佈於腦內膠質細胞和腦室管膜細胞,AQP5分佈於腺體、肺和角膜。AQP參與機體的多種重要生理功能,如尿濃縮、保持水鹽代謝平衡、各種消化液的分泌及胃腸道各段的體液吸收、調節腦室內液體平衡、促進房水分泌詞節眼壓等。隨若對水通道蛋白功能認識的不斷深化,水通道正在作為治療人類疾病的藥物作用靶點而引起重視,水通道功能的調節劑可能為許多與體液代謝異常有關的疾病提供新的治療途徑。