高中生物學中細胞膜蛋白的類型與實例

徐丹丹 韓 菲 魯亞平

(安徽師范大學生物教育研究中心 蕪湖 241000)

蛋白質是生命活動的主要承擔者。高中生物學涉及的蛋白包括分泌蛋白、胞漿蛋白、核蛋白和膜蛋白。其中，膜蛋白貫穿整個高中生物學教學的內容(在必修一“物質跨膜運輸的方式”、必修二“基因對性狀的控制”、必修三“通過神經系統的調節”“通過激素的調節”“免疫調節”等章節中都有涉及)。本文簡要介紹高中生物學涉及的受體、通道、載體、酶和抗原等5類膜蛋白的結構和功能。

1 載體蛋白

載體蛋白是一類多亞基多次跨膜結構的蛋白，有特異性結合位點，可與底物(溶質)發生暫時的、可逆性的結合和分離，通過改變分子構象進而實現對結合底物的跨膜轉運。載體蛋白也稱為轉運蛋白或轉運子。例如，小腸上皮吸收葡萄糖主要涉及兩種葡萄糖轉運蛋白，即易化擴散依賴的葡萄糖轉運蛋白(GLUTs)和鈉-葡萄糖共轉運載體蛋白(SGLTs)。SGLTs位于小腸上皮腸腔側的胞膜上，由于鈉離子泵逆濃度轉運，造成胞內鈉離子濃度遠遠低于胞外。然后在鈉離子勢能的驅動下，由胞外向胞內同向繼發主動轉運葡萄糖進入上皮細胞。GLUTs位于小腸上皮靠近血管側的胞膜上，在高濃度葡萄糖驅動下，協助其擴散到組織液和血液，隨血流被機體利用[1]。

鈉-葡萄糖共轉運體的功能異常時，機體吸收葡萄糖形成障礙，進而可患上葡萄糖-乳糖吸收不良癥或家族性腎性糖尿病。SGLT1是目前口服療法治療分泌性腹瀉(如霍亂)的核心藥理基礎；同時愈來愈多的科學家關注將鈉-葡萄糖共轉運載體作為糖尿病治療的藥物設計靶點[2]。

2 通道蛋白

通道蛋白也是一類具有多次跨膜結構的蛋白質，它所介導的被動運輸不需要溶質分子與其結合，而是通過跨膜形成親水通道，允許一些親水性小分子和帶電離子通過。通道可分為兩大類：離子通道和水通道。

2.1 離子通道蛋白 離子通道多具有“門”，且此門多數情況下呈關閉狀態，只有在膜電位變化、化學信號或壓力剌激后才開啟，離子方可得以通過。例如，神經細胞興奮時，先后打開的Na+和K+通道。Na+和K+通道“門”的開放是動作電位(神經沖動)曲線上升段和下降段的離子基礎。離子通道也有的沒有“門”，一直對離子通透。例如，細胞靜息狀態下，外流的K+主要就是通過沒有“門”的K+通道走的。正是非門控K+通道順濃度梯度向膜外通透K+，當形成的膜兩側電位差阻力與離子擴散的動力達到動態平衡時，此時該離子的凈擴散通量為零，所形成的電位即靜息電位。靜息電位的大小接近K+的平衡電位。

由于各種離子在細胞代謝中發揮重要作用，離子的有序流動和細胞內各種離子濃度的相對穩定，對于細胞正常的生理活動至關重要。當離子通道結構變異或調控機制出現紊亂，則常引起疾病，如過速性心律失常(Ca2+、Na+、K+)[3]、腦缺血(Ca2+、Na+、K+)等疾病與有關離子通道結構和功能的改變關系密切，而且往往是多種通道共同參與一種疾病的形成。

2.2 水通道蛋白 水通道蛋白(AQP)是一小類家族膜蛋白，但它們有相似的基本結構。水通道蛋白單體在細胞膜上形成6個跨膜區域，常成四聚體[4]。

高中生物學中有關腎臟重吸收水的內容，主要涉及水通道的APQ2亞型。AQP2 僅見于腎臟集合管,也是目前所知唯一的抗利尿激素(ADH)敏感的水通道蛋白[5]。“穿梭學說”認為：集合管在基礎狀態下；對水的通透性較低是因為集合管管腔的細胞膜上存在比較少的APQ2。但是當抗利尿激素釋放并通過體液運輸與集合管管腔細胞膜上的特異性受體結合后，就會通過一系列的細胞信號過程，使細胞發生短期調節和長期調節兩個不同時相的調節反應。短期調節是指依賴于cAMP的蛋白激酶A(PKA)催化亞單位使細胞囊泡中的APQ2磷酸化，觸發含有APQ2的囊泡移向細胞膜并通過胞吐作用嵌入細胞膜中，使得細胞膜上的APQ2的密度增加，從而增加集合管對水的通透性。當抗利尿激素與受體解離后，膜上的APQ2又會通過內吞重新回到胞漿囊泡中。而長期調節指的是當機體內的抗利尿激素水平持續增高，可以使細胞內的APQ2基因活化，APQ2基因表達增加，從而提高APQ2的絕對數量。

目前發現，因水通道蛋白的結構和功能異常導致的遺傳性疾病包括腎性尿崩癥、先天性白內障、癌癥、癲癇和肥胖等，以水通道蛋白為基礎的相關疾病的診斷、治療以及藥物開發具有廣闊的發展空間[6]。

3 受體蛋白

在細胞化學通訊中，靶細胞接收化學信號的分子通常稱為受體，此時的信號分子稱為配體。現發現的受體多位于胞膜，也有少數位于胞質和胞核。

細胞膜上的受體種類很多，高中生物學涉及到的受體種類主要包括激素受體、神經遞質受體以及某些抗體的受體等。例如，胰島素受體由 α、β各兩個共4個亞單位組成。胰島素與α亞單位結合后，β亞單位中酪氨酸激酶被激活，使受體磷酸化，由此啟動磷酸化的級聯反應并導致信號的進一步轉導，調節細胞內酶系統活性，控制物質代謝。在細胞中，經胰島素受體介導活化的IP3K會觸發富含葡萄糖轉運蛋白的小泡以胞吐形式由內核體經由高爾基體向細胞膜轉位，增加細胞膜葡萄糖轉運蛋白，調節肌細胞、脂肪細胞和肝細胞等對葡萄糖的攝取。

研究表明，肥胖、糖耐量異常以及Ⅱ型糖尿病患者脂肪細胞葡萄糖轉運蛋白mRNA 含量明顯減少，從而導致胰島素抗性和葡萄糖耐受性降低[7]。

4 抗原蛋白

任何可誘發免疫反應的物質都可以稱為抗原。根據抗原性質可分為兩類：完全抗原和不完全抗原。前者是一類既有免疫原性，又有免疫反應性的物質，如大多數蛋白質、細菌、病毒、細菌外毒素等都是完全抗原；后者只具有免疫反應性，而無免疫原性的物質，如分子量較小的多糖、類脂、核酸等非蛋白類物質。

正常情況下，自身組織對機體無抗原性，但在創傷、感染、電離輻射和藥物等影響下，可以發生變性而成為具有免疫原性的物質，即自身抗原。自身抗原可以是完全正常的組織成分，也可為已改變了的細胞成分。自身抗原可刺激機體發生免疫反應，導致自身免疫病，如乙酰膽堿受體蛋白引起的自身免疫病。乙酰膽堿受體可分為毒蕈堿型受體(M型，mAchR)和煙堿型受體(N型，nAchR)。兩種受體在氨基酸組成及結構上都有一些共同特征。mAchR通常分布于副交感神經節后纖維支配的內臟平滑肌上，調控內臟活動；nAchR常位于交感和副交感神經節神經元的突觸后膜以及神經肌肉接頭處的終板膜(骨骼肌細胞膜)上，既參與調節內臟活動，也參與調控各種隨意運動。

1960年，Simpson首次提出，重癥肌無力(MG)是一種由nAchR抗體引起的自身免疫性疾病，即由神經肌肉接頭誘導的自身抗體“攻擊”突觸后膜成分，損傷神經肌肉興奮傳遞，導致骨骼肌衰弱和疲勞的一種自身免疫性疾病[8]。

1973年，Partrick和Lindstrom用純化的nAchR免疫動物，成功地獲得了癥狀類似于MG病人的動物模型，促進了對MG的免疫學研究。臨床上，乙酰膽堿受體抗體滴度的檢測對重癥肌無力的診斷具有特征性意義。80%～90%的全身型重癥肌無力可檢測到血清乙酰膽堿受體抗體。

5 酶蛋白

酶是生物體組織或細胞具有特殊催化活性的蛋白質，生物體的新陳代謝過程都是在酶的催化作用下進行的。酶不僅存在于細胞內、細胞間，細胞膜上也存在著大量催化不同化學反應的酶。例如，動物細胞質膜上的Na+/K+泵同時具有ATP酶的活性，又稱為Na+/K+ATPase，由兩個α亞基和兩個β亞基組成四聚體。Na+/K+泵首先要催化水解ATP釋放能量，才能發揮載體蛋白的功能。但很多疾病表現為Na+/K+泵ATP酶功能失常，如原發性高血壓、糖尿病并發癥、阿爾海默氏綜合征等。

6 小結

為了更好地掌握有關細胞膜蛋白的知識，可進一步建構相應的膜蛋白知識結構圖(圖1)。

圖1 細胞膜蛋白分類概念圖