對哺乳動物成熟紅細胞的幾點思考

杜惠東

(福建省晉江市養正中學 362122 )

1 哺乳動物成熟紅細胞的呼吸方式

1.1 哺乳動物成熟紅細胞呼吸酶的種類 大多數真核細胞存在兩類呼吸酶系，即無氧呼吸酶系(存在于細胞質基質)和有氧呼吸酶系(存在于線粒體基質和線粒體內膜)。能夠進行有氧呼吸的原核細胞有氧呼吸酶系部分存在于細胞質基質，部分存在于細胞膜[1]。哺乳動物成熟紅細胞屬真核細胞，在其形成過程中喪失細胞器，缺乏有氧呼吸酶系，即其僅存在無氧呼吸酶系(主要為糖酵解途徑酶類、磷酸戊糖途徑酶類)。

1.2 O2對哺乳動物成熟紅細胞無氧呼吸的影響 學生在探究酵母菌細胞呼吸方式時，已經形成“O2會抑制無氧呼吸進行” 的認識。但會錯誤地認為：O2是直接通過抑制酶活性來抑制無氧呼吸的。進而產生疑問：O2會抑制哺乳動物成熟紅細胞的無氧呼吸嗎？

無氧呼吸(糖酵解)過程中重要的調節酶是磷酸果糖激酶，高濃度的ATP、檸檬酸對磷酸果糖激酶具有抑制作用[2]。在O2充足的條件下，O2會推動糖分解中間產物(NADH、丙酮酸)進入有氧氧化分解的途徑[3]，導致產生較多的ATP和檸檬酸，進而抑制磷酸果糖激酶的活性，從而抑制無氧呼吸的進行。但由于哺乳動物成熟紅細胞缺乏有氧呼吸酶系，即使O2充足，也不能進行有氧呼吸，而不能產生大量ATP和檸檬酸抑制磷酸果糖激酶活性。因此，O2不會抑制哺乳動物成熟紅細胞的無氧呼吸。

2 哺乳動物成熟紅細胞的基因表達

2.1 哺乳動物成熟紅細胞血紅蛋白的合成 紅細胞的增生發育過程為：多能干細胞(造血干細胞)→單能干細胞→原始紅細胞→幼紅細胞(分早、中、晚三個時期)→網織紅細胞→成熟紅細胞。成熟過程中，血紅蛋白的逐漸增加，細胞核活性逐漸衰減，從晚幼紅細胞開始失去分裂能力。成熟紅細胞無細胞核和細胞器，不能進行核酸和蛋白質的合成。但是，其能夠正常執行生理功能和外界進行物質和能量交換。例如，細胞質中碳酸酐酶催化CO2可逆的水合作用，有助于CO2的運輸；細胞膜的離子泵還可利用無氧代謝供能進行離子交換，維持細胞內高鉀、低鈣和低鈉狀態[4]。

成熟紅細胞內的血紅蛋白，一部分是在幼紅細胞階段(有核、游離核糖體豐富)合成；一部分在網織紅細胞階段(無核、殘留有核糖體和嗜堿性RNA)合成；成熟階段不合成。

2.2 細胞分化過程中基因表達的連續性和mRNA的穩定性 真核細胞轉錄主要在細胞核，翻譯主要在細胞質中，其中大多數基因為斷裂基因，存在內含子和外顯子。基因轉錄先形成mRNA前體(不均一RNA，hnRNA)，再經加工(5′端加帽、3′端加尾、內含子剪切、外顯子連接、部分堿基修飾)形成成熟mRNA。同一hnRNA經過不同加工過程可產生不同的成熟mRNA，進而指導翻譯形成不同的蛋白質。但真核細胞基因表達的轉錄和翻譯階段不一定是連續進行的。成熟的mRNA經核孔進入細胞質。在細胞質中可以有活性和無活性的兩種狀態存在，成熟的mRNA通過與調節蛋白(阻遏物或激活因子)、miRNA(微RNA，與mRNA堿基互補配對形成雙鏈區，阻止翻譯)的可逆結合來實現兩種狀態的變換，進而調控蛋白質合成。例如，許多動物在卵母細胞中含有大量編碼不同蛋白質的mRNA，但通常在卵子成熟前或受精前是不翻譯的。而發揮指導翻譯作用后的mRNA會被核酸酶所降解。

mRNA降解速率是其穩定性的衡量標志，降解速率慢，顯示mRNA穩定[5]。不同基因轉錄形成的mRNA穩定性不同。高等真核生物中“持家基因”轉錄形成的mRNA和高度分化細胞中的mRNA一般比較穩定。例如，網織紅細胞中雖已沒有RNA的合成，但其細胞質中還存在前期階段形成的mRNA，依然可繼續合成血紅蛋白或其他蛋白。

2.3 哺乳動物成熟紅細胞分化過程遺傳物質變化的例外 紅細胞在成熟過程中會出現排核和喪失細胞器現象而導致遺傳物質丟失，這與教師所講授的“細胞分化過程中遺傳物質不改變”產生沖突，學生因此而產生疑問。實際上，細胞分化過程中也存在遺傳物質改變的特例。例如，馬蛔蟲卵裂分化形成體細胞時出現染色體丟失；草履蟲細胞大核(營養核)出現DNA丟失、重排和擴增；B淋巴細胞分化形成漿細胞過程中出現DNA斷裂丟失、重排現象[6]等。其實，這些變化都是細胞在進化過程中產生的高效執行其特定功能的適應現象。例如，成熟紅細胞在分化過程中排核和喪失細胞器，使其運輸O2的空間達到最大化。

3 哺乳動物成熟紅細胞衰老后死亡的方式

3.1 哺乳動物成熟紅細胞衰老后死亡方式的主要觀點 紅細胞的壽命約為120d。關于成熟紅細胞衰老后的正常死亡方式，早期認為絕大部分衰老紅細胞在脾臟及肝臟的網狀內皮系統中被吞噬細胞吞噬，進而被破壞分解，即衰老紅細胞的死亡屬于一種免疫清除，與凋亡基因無關；后期觀點認為衰老紅細胞先在內源或外源凋亡因子的誘導下，凋亡基因表達，形成凋亡小體(膜表面有特異信號分子)，最后誘發免疫吞噬。

3.2 哺乳動物成熟紅細胞衰老后可能的凋亡途徑 細胞死亡的方式有3種，分別為凋亡、壞死、細胞自噬性死亡。研究表明，凋亡的主要途徑也有3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源途徑、非依賴caspase家族蛋白酶由線粒體或內質網起始的內源途徑[6]。

目前，關于衰老紅細胞的凋亡途徑還未有定論。但從分子水平分析，哺乳動物成熟紅細胞中存在部分與凋亡有關的關鍵蛋白(如caspase-3、caspase-8、Bcl-2家族蛋白)；但缺乏線粒體起始內源途徑的其他成分(如caspase-9、細胞色素c)；衰老紅細胞膜表面可能缺乏相應死亡受體。因此，不能進行依賴caspase家族蛋白酶外源途徑和內源途徑的凋亡。從細胞水平的細胞形態變化分析，除了沒有凋亡時出現的染色質、細胞器變化外，衰老紅細胞其余形態特征(細胞膜皺縮、形成凋亡小體、凋亡信號外顯、被吞噬細胞吞噬)均與一般細胞凋亡相同[7]。雖然成熟紅細胞沒有細胞核、線粒體、內質網、核糖體等細胞器，但其細胞質早期儲備的RNA和蛋白質，可能在其衰老后調控凋亡信號通路。即衰老紅細胞的死亡是一種特殊形式的凋亡。