揭秘膜轉運蛋白

馬清瑜

(甘肅省臨夏回民中學)

細胞膜是細胞與外界環境之間的屏障,具有選擇透過性。細胞膜在維持細胞內部環境相對穩定的同時又要承擔攝取營養、排出廢物、維持離子平衡等重要功能,即細胞膜的物質運輸功能。磷脂雙分子層的特性決定了其對絕大多數溶質分子和帶電荷的無機離子是高度不透的,所以幾乎所有的有機小分子和無機離子的轉運都需要特異性的膜蛋白——膜轉運蛋白。正是這些蛋白質賦予了細胞膜最重要的功能特性——選擇透過性。

1.膜轉運蛋白的類型

膜轉運蛋白分為兩類:一類是載體蛋白,另一類是通道蛋白。通道蛋白具體又分水通道蛋白和離子通道蛋白。目前對多種載體蛋白和通道蛋白的功能和基本機理已經有詳細的研究,下面就這兩類膜轉運蛋白中的一些重要類型加以介紹,之后再對它們作出特征性辨析和歸納。

1.1載體蛋白實例

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分子結合,通過一系列構象的改變介導溶質分子跨膜轉運。

1.1.1 Na+-葡萄糖協同轉運蛋白(SGLT)

SGLT主要存在于腎和腸細胞的頂部細胞膜,目前在人體細胞上發現的SGLT多達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,腎小管管腔側上皮細胞膜上的SGLT2以協同轉運的方式吸收Na+和葡萄糖,承擔了90%以上的葡萄糖分子的重吸收。

SGLT2轉運葡萄糖沒有直接消耗ATP,但這種轉運在消耗Na+形成的電化學勢能。細胞內是一個“高鉀低鈉”的環境,為了維持較低的Na+濃度,細胞要水解ATP為逆電化學梯度將Na+轉運出細胞供能,所以SGLT2轉運葡萄糖的過程間接消耗ATP,被稱為次級主動運輸(如圖1)。此外植物細胞和細菌細胞膜上也存在類似于SGLT的轉運蛋白,只不過和葡萄糖協同轉運的不是Na+而是H+。

圖1 Na+-葡萄糖協同轉運蛋白(SGLT)模型

1.1.2葡萄糖轉運蛋白(GLUT)

葡萄糖轉運蛋白(Glucose Transporters,GLUT)是一類負責葡萄糖進出細胞的關鍵蛋白質,在調節血糖穩態方面具有重要功能。GLUT有多種類型,例如,紅細胞膜上的GLUT1、小腸絨毛上皮細胞和胰島B細胞上的GLUT2,以及脂肪細胞和肌細胞上的GLUT4等。

GLUT存在兩種構象:狀態A時,結合位點在膜外側暴露;狀態B時,結合位點在膜內側暴露。該模型認為,兩種構象的轉變是隨機的,假如葡萄糖分子濃度在膜外側較高時,狀態A到狀態B的轉換更常發生,葡萄糖分子得以順濃度梯度進入細胞。GLUT對葡萄糖的轉運方式屬于協助擴散,不消耗代謝能(如圖2)。

圖2 葡萄糖轉運蛋白(GLUT)模型

通過以上兩種載體蛋白的作用機理可以看出:載體蛋白對物質的運輸具有嚴格的特異性,這種特異性主要表現在被轉運分子與載體蛋白的匹配結合上,類似于酶與其底物的專一性結合。同時載體蛋白也會被類似物競爭性抑制,具有飽和動力學曲線等特征,所以載體蛋白有時也叫通透酶。

1.2通道蛋白實例

通道蛋白能形成親水通道,通道打開時允許特定大小的溶質分子通過,特異性不如載體蛋白強。通道蛋白有三個突出特征:第一,有極高的轉運速率。每個通道每秒可通過107～108個離子,比載體蛋白的轉運速率快1 000倍左右,接近自由擴散的理論值。驅動物質完成跨膜運輸的動力來自離子形成的濃度差和電位差兩種力的合力,即電化學勢能。第二,離子通道對物質的轉運沒有飽和值。第三,離子通道是門控的。離子通道不是連續開放而是受不同因素的調控,即通道的開關可調節。通道蛋白有兩種類型:離子通道和水通道,其中最能說明通道蛋白特征的例子是Na+通道和K+通道。

神經纖維主要由神經細胞的軸突構成,在實現興奮的產生和傳導時,Na+通道和K+通道發揮著重要作用。

在不受刺激時,神經細胞維持膜外正電位、膜內負電位的靜息電位。此時Na+通道和K+通道均保持關閉狀態,而膜上的另一種通道蛋白——非門控K+通道使K+順電化學梯度流出細胞,造成靜息電位,也就是膜的極化(圖3)。

圖3 靜息電位

當神經細胞受到的刺激達到閾值時,Na+通道瞬間打開而K+通道仍然保持關閉狀態。Na+大量、快速流入細胞使靜息電位消失(去極化),隨即出現外負內正的動作電位,即膜的反極化(圖4)。

圖4 動作電位

當動作電位達到峰值時,Na+通道關閉而K+通道全面打開,K+瞬間大量流出又會使膜出現極化甚至超極化(圖5)。最后Na+通道和K+通道關閉,回到最初的靜息電位狀態。整個過程中還有鈉-鉀泵的規律性配合。

圖5 膜的超極化

2.膜轉運方式與膜轉運蛋白的聯系

主動運輸是由載體蛋白介導的物質逆濃度梯度或電化學梯度由低濃度一側向高濃度一側進行跨膜轉運的方式。由于被轉運物質的自由能的變化為正值,因此需要與某種釋放能量的過程相耦聯。根據主動運輸過程所需能量的不同,將主動運輸分為ATP驅動型(如鈉-鉀泵)、勢能驅動型(如鈉-葡萄糖協同轉運蛋白)和光能驅動型三種。

協助擴散是各種極性分子和無機鹽離子順濃度梯度或電化學梯度的跨膜轉運。介導協助擴散的膜轉運蛋白可以是載體蛋白,如葡萄糖轉運蛋白(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+結合,形成Na+-載體-葡萄糖復合物,將Na+順濃度梯度運入細胞,同時將葡萄糖逆濃度梯度運入細胞,下列敘述錯誤的是

( )

A.氧氣的含量變化會直接影響SGLT2參與的葡萄糖的運輸速率

B.SGLT2將腎小管腔中的葡萄糖運入細胞屬于主動運輸

C.細胞通過SGLT2運輸葡萄糖的動力來自Na+的濃度差

D.腎小管細胞中SGLT2合成不足可能導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入細胞,所以可以確定葡萄糖運入細胞的過程是主動運輸。主動運輸需要消耗代謝能,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,借助其形成的電化學梯度轉運葡萄糖。氧氣含量直接影響有氧呼吸產生ATP,所以氧氣含量不直接影響SGLT對葡萄糖的轉運速率,A錯誤。

【例2】饑餓狀態下,腸腔的葡萄糖通過SGLT1逆濃度梯度進行跨膜運輸;進食后,小腸微絨毛局部葡萄糖濃度由于二糖的水解而升高,細胞通過GLUT2順濃度梯度吸收葡萄糖,速率比通過SGLT1快數倍(如圖7所示)。下列敘述錯誤的是

( )

圖7

A.圖中的二糖可能是麥芽糖

B.SGLT1和GLUT2同時存在增強了動物對環境的適應性

C.SGLT1和GLUT2都屬于載體蛋白,兩者都應該具有ATP水解酶活性

D.葡萄糖通過SGLT1的跨膜運輸方式體現了活細胞能夠按照生命活動的需要選擇性吸收所需的營養物質

【答案】C