小分子物质跨膜转运和离子通道的基础

・基础医学・

小分子物质跨膜转运和离子通道的基础

吴　燕　刘志红

关键词　跨膜转运　膜蛋白　小分子物质　离子通道

中图法分类号　Q73

细胞膜脂质双层结构中的疏水中心对大多数极性分子具有屏障作用,这种屏障作用可维持细胞内外液溶质浓度差,从而保持细胞内液溶质浓度和内环境的稳定。此外,细胞在摄取营养物质分泌代谢性产物以及调节细胞内多种离子特异性跨膜转运时,需要有特异性膜蛋白来辅助完成。现已知道介导上述物质转运的膜蛋白可分为两大类:载体蛋白和通道蛋白,载体蛋白具有可携带特异性分子穿越细胞膜的移动成分;通道蛋白可形成一狭窄亲水孔,使无机离子被动转运,这两类膜蛋白在小分子物质跨膜转运中起着非常重要的作用。

1　膜转运的基本原理〔1〕

1.1　细胞膜脂质双层结构对离子具有高度不通透性　如有足够长时间,任何分子均可顺浓度梯度穿透无蛋白成分脂质双层,其速度取决于脂溶性程度与分子大小。脂溶性越大(即疏水性或非极性强),则扩散速度越快,小的非极性分子,如O2(分子量32)和CO2 (分子量44)易溶于脂质双层,所以能很快扩散穿过脂质双层。不带电荷的极性分子如果分子足够小也很易穿透脂质双层,水(分子量18),乙烷(分子量46)和尿素(分子量60)穿透速度很快,甘油(分子量92)次之,而葡萄糖几乎不能穿越。

相比而言,脂质双层对带电分子(离子)无论大小均高度不通透,电荷及该分子高度亲水性阻止其进入脂质双层的疏水相,所以合成的脂质双层对水的穿透性可比Na+或K+强109倍。

1.2　两类主要的膜转运蛋白——载体蛋白和通道蛋白　和合成的脂质双层一样,非极性分子可通过简单的扩散方式穿透细胞膜,但细胞膜还必须能对多种极性分子通透,如离子、糖、氨基酸、核酸和细胞代谢产物,这些物质通过合成脂质双层速度很慢,特殊膜蛋白成分负责转运这些溶质,这些膜蛋白即膜转运蛋白,它们以不同形式出现于多种生物膜上,特异性转运一种分子或一类分子(图1)。

膜转运蛋白有两种主要类型:载体蛋白和通道蛋白,载体蛋白可与特异性溶质结合,再经过一系列变化转运结合溶质穿过细胞膜;而通道蛋白无须结合溶质,它们集聚成贯穿脂质双层的亲水孔,当这些孔打开时,特异性溶质分子便通过孔穿过细胞膜,所以通道蛋白介导的转运速度远大于载体蛋白。

1.3　主动转运是由载体蛋白介导的一个需能过程　所有通道蛋白和许多载体蛋白可使溶质被动穿膜转运(顺浓度递度),这一过程称为被动转运(或易化扩散),如果被转运分子不带电荷,那么仅由膜两侧的浓度差(其浓度梯度)驱动和决定转运方向;如果溶质带电荷,则由其浓度梯度和膜两侧的电压差影响其转运(电化学梯度),实际上几乎所有的胞浆膜两侧均存在电压差(电压梯度),细胞内相对于细胞外为负值,这种电压差有利于带正电荷离子进入细胞,排斥带负电荷离子进入细胞。

南京军区南京总医院解放军肾脏病研究所

(南京,210002)

图1 顺电化学梯度被动转运与逆电化学递度主动转运的比较

细胞也需转运蛋白将某些分子逆电化学梯度主动泵入(出)细胞,这种主动转运过程一般均由载体蛋白介导,在主动转运中,载体蛋白的泵活性是有方向性的,因为它必须耦联一种代谢能,如ATP水解或由一种离子浓度梯度驱动,所以由载体蛋白介导的转运既可为主动也可为被动,而通道蛋白转运通常为被动的。

1.4　离子载体在增加膜对特异性离子通透性中的作用〔2〕　离子载体是小的疏水分子,可溶于脂质双层增加对特异性无机离子的通透性,大部分由微生物合成,目前已广泛用于增加膜对离子的通透性,有两类离子载体——可活动离子载体和通道形式离子载体,这两种形式均通过屏蔽转运离子电荷使其穿过脂质双层的疏水中心,因为离子载体毋需耦联能量,所以它可使离子顺其电化学梯度穿膜运动。

Valinomycin即为一可移动离子载体,它是转运K+的环状多聚体,能顺K+的电化学梯度在膜的一侧携带K+,穿过脂质双层在膜的另一侧释放K+,离子载体A23187是另一可移动离子载体,但它转运二价阳离子,如Ca2+,Mg2+,在正常情况下起携带离子穿梭作用,即在每转运一次二价阳离子同时携带两个H+出细胞,当细胞接触到A23187,Ca2+便顺陡峭的电化学梯度进入胞浆,这种离子载体已广泛用于增加胞浆内游离Ca2+浓度,从而可以模拟某种特定细胞信号机理。

Gramicidin A是一可形成通道的离子载体,作为一种只有15个氨基酸含有疏水侧链的线性多肽,它是一最简单同时也是了解最清楚的离子通道,两个gramicidin分子尾尾相接贯穿脂质双层形成跨膜通道,该通道选择性对单价阳离子顺其电化学梯度通透,这些二聚体不稳定,不断结合、解聚,所以对一个通道而言,平均开放时间大约只有1s,但如果电化学梯度很大,gramicidin A可在每开放通道每毫秒内转运20000个阳离子,是相同时间单个可移动载体分子转运离子数的1000倍。

2　载体蛋白和主动膜转运〔3,4〕

载体蛋白转运溶质分子通过脂质双层的过程类似于酶-底物反应,载体蛋白相当于特异性膜结合酶,每种转运蛋白都有一个或一个以上特异性溶质(底物)结合位点,当载体蛋白饱和时其转运速率最大,最大速率(Vmax)因不同载体各不相同,另外每种载体都有其特征性溶质结合常数(Km),其值等于当转运速率为Vmax一半时溶质的浓度。和酶一样,溶质的结合可特异地被竞争性抑

制剂和非竞争性抑制剂抑制,但与通常酶-底物反应相比,被转运的溶质通常不被载体蛋白共价修饰。

虽然载体蛋白分子结构不是很清楚,但目前仍认为载体蛋白转运溶质穿过脂质双层时,其构型发生可逆性变化,即其溶质结合点开始在膜的一侧后变为膜的另一侧,它必须耦联一种能量才能逆电化学梯度泵出溶质,所以介导主动转运和被动转运载体蛋白之间的分子结构上存在细微的差别。

2.1　细胞膜上Na+-K+泵和Ca2+泵〔5,6〕　细胞内K+浓度是细胞外的10～20倍,而Na+的情况刚好相反,这种浓度差别是由存在于所有动物细胞浆膜上的Na+-K+泵所维持,该泵充当一反向转运体,主动将Na+逆其陡峭电化学梯度泵出细胞外,而将K+泵入细胞内。

Na+-K+ATP酶现已被纯化,它是由多个跨膜催化亚单位和一相连的小单跨膜(singlepass)糖蛋白组成,前者在其胞浆面上有Na+和ATP的结合位点,在其膜外侧有K+的结合位点,并且在泵运循环中不断地磷酸化和去磷酸化,糖蛋白的功能尚不清楚。

因为在Na+-K+ATP酶作用下每三个阳离子泵出细胞时会有二个阳离子进入细胞,即它可驱动净电荷通过胞膜,从而产生电势,细胞内相对细胞外带负电荷,但该泵对膜电位的作用最多只占10%,而大部分由K+的平衡电位决定的。另一方面,Na+-K+ATP酶对细胞体积有直接调节作用,它可控制细胞内的溶质浓度,继而调节渗透压使细胞肿胀或皱缩。细胞内溶质浓度很高形成很大的渗透压梯度使水渗入细胞,而动物细胞的细胞外液含有高浓度的Na+、C l-等无机离子,具有对抗渗透压作用。Na+-K+ATP酶通过不断泵出顺电化学梯度漏出的Na+维持渗透压的平衡,C l-通过膜电位驱出细胞外。

真核细胞的胞浆内只有很低浓度的游离Ca2+,而细胞外浓度却很高,即使只有少量的Ca2+内流,也可造成胞浆内C a2+浓度急剧升高,Ca2+可对细胞外信号反应顺其浓度梯度内流入细胞,这种内流是快速传递跨膜信号的一种方式,维持这种陡峭的Ca2+浓度梯度对于细胞来说非常重要,Ca2+浓度梯度部分由胞膜的C a2+泵主动转运C a2+出细胞来维持,C a2+泵实际上是分布在细胞膜上的Ca2+-ATP酶。

Ca2+-ATP酶可通过研究Na+-K+ATP 酶同样方法进行生化分析,结果发现其功能基本相似,DNA序列分析表明,Na+-K+ATP 酶和C a2+-ATP酶是同源蛋白,据认为这两种酶均有许多异构型的大催化亚单位,都含有几种跨膜A-螺旋结构,在泵运循环中反复被磷酸化和去磷酸化。

2.2　离子浓度梯度可驱动主动转运　有许多主动转运的驱动力不是来源于ATP水解所释能量而是贮存于离子浓度梯度的能量,在一个无机离子顺电化学梯度运动时,自由能便释放出驱动泵运其它溶质逆其电化学梯度转运,这样所有这些蛋白都起双转运子功能——一些是同向转运而另一些是反向转运,在动物细胞膜上Na+是一很常见的协同转运离子,即其电化学梯度可提供对另一分子主动转运的驱动力,在转运过程中Na+首先进入细胞,随后被Na+-K+ATP酶泵出细胞外,这一过程通过维持Na+浓度间接驱动转运。

大多数大分子的结构和功能受pH值很大影响,许多蛋白质在特定的pH值工作状态最佳,所以在多数细胞的胞膜上有一种或多种调节细胞内(胞浆)pH的Na+驱动反向转运子,保持pH值在7.2左右,这些蛋白质通过利用贮存在Na+梯度中的能量去除过剩的H+而降低酸性,去除过剩的H+有两个作用机理:H+直接转运出细胞或HCO-3进入胞内中和胞浆。

3　膜的离子通道及其电化学特性〔7,8〕

与载体蛋白不同,通道蛋白可形成跨膜