對(duì)哺乳動(dòng)物成熟紅細(xì)胞的幾個(gè)思考

杜惠東

摘 要 圍繞哺乳動(dòng)物成熟紅細(xì)胞的呼吸方式、分化過程基因表達(dá)、凋亡途徑展開。

關(guān)鍵詞 細(xì)胞呼吸 細(xì)胞分化 基因表達(dá) 凋亡途徑

中圖分類號(hào) Q-49 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 E

1 哺乳動(dòng)物成熟紅細(xì)胞的呼吸方式

1.1 哺乳動(dòng)物成熟紅細(xì)胞呼吸酶的種類

大多數(shù)真核細(xì)胞都存在兩類呼吸酶系，即無氧呼吸酶系（存在于細(xì)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(jìn)行有氧呼吸的原核細(xì)胞中有氧呼吸酶系部分成分存在于細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)，部分成分存在于細(xì)胞膜。哺乳動(dòng)物成熟紅細(xì)胞屬于真核細(xì)胞，在其形成過程中喪失細(xì)胞器，缺乏線粒體，缺乏有氧呼吸酶系，即其僅有無氧呼吸酶系（主要為糖酵解途徑酶類、磷酸戊糖途徑酶類）。

1.2 O2對(duì)哺乳動(dòng)物成熟紅細(xì)胞無氧呼吸的影響

雖在探究酵母菌細(xì)胞的呼吸方式的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生已經(jīng)形成“O2會(huì)抑制無氧呼吸的進(jìn)行”知識(shí)，但很多學(xué)生錯(cuò)誤認(rèn)為：O2是直接通過抑制無氧呼吸酶活性來抑制無氧呼吸的進(jìn)行。他們進(jìn)而產(chǎn)生疑問：O2會(huì)抑制哺乳動(dòng)物成熟紅細(xì)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(duì)磷酸果糖激酶具有抑制作用。在O2充足的條件下，O2會(huì)推動(dòng)糖分解中間產(chǎn)物（NADH、丙酮酸）進(jìn)入有氧氧化分解的途徑，導(dǎo)致產(chǎn)生較多的ATP和檸檬酸，進(jìn)而抑制磷酸果糖激酶的活性，從而抑制無氧呼吸的進(jìn)行。但由于哺乳動(dòng)物成熟紅細(xì)胞缺乏有氧呼吸酶系，即使O2充足，也不能進(jìn)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(huì)抑制哺乳動(dòng)物成熟紅細(xì)胞的無氧呼吸。

2 哺乳動(dòng)物成熟紅細(xì)胞的基因表達(dá)

2.1 哺乳動(dòng)物成熟紅細(xì)胞血紅蛋白的合成

紅細(xì)胞的增生發(fā)育過程：多能干細(xì)胞（造血干細(xì)胞）→單能干細(xì)胞→原始紅細(xì)胞→幼紅細(xì)胞（分早、中、晚三個(gè)時(shí)期）→網(wǎng)織紅細(xì)胞→成熟紅細(xì)胞。成熟過程中，血紅蛋白的逐漸增加，細(xì)胞核活性逐漸衰減，從晚幼紅細(xì)胞開始失去分裂能力。成熟紅細(xì)胞無細(xì)胞核、無細(xì)胞器，細(xì)胞質(zhì)存在大量的血紅蛋白，不能進(jìn)行核酸和蛋白質(zhì)的合成。但成熟紅細(xì)胞能夠正常執(zhí)行生理功能和外界進(jìn)行物質(zhì)、能量交換，如細(xì)胞質(zhì)中碳酸酐酶催化CO2可逆的水合作用，有助于CO2運(yùn)輸，細(xì)胞膜的離子泵還可利用無氧代謝供能進(jìn)行離子交換，維持細(xì)胞內(nèi)高鉀、低鈣和低鈉狀態(tài)。

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

2.2 細(xì)胞分化過程中，基因表達(dá)的連續(xù)性和mRNA的穩(wěn)定性

真核細(xì)胞轉(zhuǎn)錄主要在細(xì)胞核，翻譯主要在細(xì)胞質(zhì)中，其中大多數(shù)基因?yàn)閿嗔鸦颍嬖趦?nèi)含子和外顯子。基因轉(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(jìn)而指導(dǎo)翻譯形成不同的蛋白質(zhì)。但真核細(xì)胞基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄和翻譯階段不一定是連續(xù)進(jìn)行的。成熟的mRNA經(jīng)核孔進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)。在細(xì)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(bǔ)配對(duì)形成雙鏈區(qū)，阻止翻譯）可逆結(jié)合來實(shí)現(xiàn)兩種狀態(tài)的變換，進(jìn)而調(diào)控蛋白質(zhì)合成。如許多動(dòng)物在卵母細(xì)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。但發(fā)揮指導(dǎo)翻譯作用后的mRNA，會(huì)被核酸酶所降解（一般從mRNA的3′端開始）。

mRNA降解速率是其穩(wěn)定性的衡量標(biāo)志，降解速率慢，顯示mRNA穩(wěn)定。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(xì)胞中的mRNA，一般比較穩(wěn)定。如網(wǎng)織紅細(xì)胞中雖已沒有RNA的合成，但其細(xì)胞質(zhì)還存在前期階段形成的mRNA，所以依然可繼續(xù)合成血紅蛋白或其他蛋白。

2.3 哺乳動(dòng)物成熟紅細(xì)胞分化過程遺傳物質(zhì)變化的例外

學(xué)生對(duì)于細(xì)胞分化的分子機(jī)制比較熟悉的，都認(rèn)同細(xì)胞分化是相同基因組在特定時(shí)空下，進(jìn)行選擇性表達(dá)的結(jié)果。但因紅細(xì)胞在成熟過程中，會(huì)出現(xiàn)排核和喪失細(xì)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(xì)胞分化過程中遺傳物質(zhì)不改變”產(chǎn)生沖突，進(jìn)而會(huì)使學(xué)生產(chǎn)生疑問“細(xì)胞分化過程中遺傳物質(zhì)一定不改變嗎？有例外嗎？”實(shí)際上，細(xì)胞分化過程中也存在遺傳物質(zhì)改變的特例。如馬蛔蟲卵裂分化形成體細(xì)胞時(shí)，出現(xiàn)染色體丟失、草履蟲細(xì)胞大核（營養(yǎng)核）出現(xiàn)DNA丟失重排、擴(kuò)增、B淋巴細(xì)胞分裂分化，形成漿細(xì)胞過程中出現(xiàn)DNA斷裂丟失、重排現(xiàn)象。而這些變化都是細(xì)胞在進(jìn)化過程中，為高效執(zhí)行其特定功能而產(chǎn)生的適應(yīng)現(xiàn)象。如成熟紅細(xì)胞在分化過程中，排核和喪失細(xì)胞器使其運(yùn)輸O2的空間達(dá)到最大化。

3 哺乳動(dòng)物成熟紅細(xì)胞衰老后死亡的方式

成熟紅細(xì)胞已不具有細(xì)胞核與線粒體，故細(xì)胞內(nèi)不可能再具有基因，也就沒有控制其凋亡的基因。紅細(xì)胞的細(xì)胞核消失前，已經(jīng)表達(dá)產(chǎn)生相關(guān)凋亡蛋白，在細(xì)胞核被排出后，其實(shí)已經(jīng)開始了細(xì)胞凋亡，并不是衰老后才控制凋亡。

3.1 哺乳動(dòng)物成熟紅細(xì)胞衰老后死亡方式的主要觀點(diǎn)

紅細(xì)胞的壽命約為120 d。關(guān)于成熟紅細(xì)胞衰老后的正常死亡方式，存在前后兩個(gè)階段的主要觀點(diǎn)。早期觀點(diǎn)認(rèn)為，絕大部分衰老紅細(xì)胞在脾臟及肝臟的網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)中，被吞噬細(xì)胞吞噬，進(jìn)而破壞分解，即衰老紅細(xì)胞的死亡，屬于一種免疫清除，與凋亡基因無關(guān)。后期觀點(diǎn)認(rèn)為，衰老紅細(xì)胞先在內(nèi)源或外源凋亡因子的誘導(dǎo)凋亡基因表達(dá)，形成凋亡小體（膜表面有特意信號(hào)分子），最后誘發(fā)免疫吞噬。

3.2 哺乳動(dòng)物成熟紅細(xì)胞衰老后可能的凋亡途徑

細(xì)胞死亡的方式有三種，分別是凋亡、壞死、細(xì)胞自噬性死亡。目前研究表明，凋亡的主要途徑也有三種：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。

目前衰老紅細(xì)胞的凋亡途徑還未有定論。但從分子水平分析，哺乳動(dòng)物成熟紅細(xì)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），缺乏線粒體起始內(nèi)源途徑其他成分如caspase-9、細(xì)胞色素c（在真核細(xì)胞的線粒體內(nèi)膜上），衰老紅細(xì)胞膜表面可能缺乏相應(yīng)死亡受體，因此不能進(jìn)行依賴caspase家族蛋白酶外源途徑和內(nèi)源途徑的凋亡。從細(xì)胞水平的細(xì)胞形態(tài)變化分析，除了沒有凋亡時(shí)出現(xiàn)染色質(zhì)、細(xì)胞器的變化外，衰老紅細(xì)胞其余形態(tài)特征（細(xì)胞膜皺縮、形成凋亡小體、凋亡信號(hào)外顯、被吞噬細(xì)胞吞噬）均與一般細(xì)胞凋亡相同。雖然成熟紅細(xì)胞沒有細(xì)胞核、線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、核糖體等細(xì)胞器，但其細(xì)胞質(zhì)早期儲(chǔ)備的RNA和蛋白質(zhì)，可能在其衰老后調(diào)控凋亡信號(hào)通路，即衰老紅細(xì)胞的死亡是一種特殊形式的凋亡。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周德慶.微生物教程[M].北京：高等教育出版社，2002（2）：106.

[2] 王鏡巖，朱圣庚，徐長法.生物化學(xué)（下冊(cè)）[M].北京：高等教育出版社，2002（3）：83.

[3] 查錫良，周春燕.生物化學(xué)[M].北京：人民衛(wèi)生出版社，2008（7）：102.

[4] 王玢，左明雪.人體及動(dòng)物生理學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2009（3）：182-185.

[5] 戴灼華，王亞馥.遺傳學(xué)[M].北京：高等教育出版社， 2008（2）：361-367.

[6] 翟中和，王喜忠，丁明孝.細(xì)胞生物學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2011（4）：327，348-350.

[7] 梁竹，鄒方東. 哺乳動(dòng)物成熟紅細(xì)胞之死：“自殺”還是“他殺”？[J].細(xì)胞與分子免疫學(xué)雜志.2013，29（3）：328-331.