对哺乳动物成熟红细胞的几个思考

杜惠东

摘 要 围绕哺乳动物成熟红细胞的呼吸方式、分化过程基因表达、凋亡途径展开。

关键词 细胞呼吸 细胞分化 基因表达 凋亡途径

中图分类号 Q-49 文献标志码 E

1 哺乳动物成熟红细胞的呼吸方式

1.1 哺乳动物成熟红细胞呼吸酶的种类

大多数真核细胞都存在两类呼吸酶系，即无氧呼吸酶系（存在于细胞质基质）和有氧呼吸酶系（存在于线粒体基质和线粒体内膜）。能够进行有氧呼吸的原核细胞中有氧呼吸酶系部分成分存在于细胞质基质，部分成分存在于细胞膜。哺乳动物成熟红细胞属于真核细胞，在其形成过程中丧失细胞器，缺乏线粒体，缺乏有氧呼吸酶系，即其仅有无氧呼吸酶系（主要为糖酵解途径酶类、磷酸戊糖途径酶类）。

1.2 O2对哺乳动物成熟红细胞无氧呼吸的影响

虽在探究酵母菌细胞的呼吸方式的实验中，学生已经形成“O2会抑制无氧呼吸的进行”知识，但很多学生错误认为：O2是直接通过抑制无氧呼吸酶活性来抑制无氧呼吸的进行。他们进而产生疑问：O2会抑制哺乳动物成熟红细胞的无氧呼吸吗？

无氧呼吸（糖酵解）过程中，重要的调节酶是磷酸果糖激酶，高浓度的ATP、柠檬酸对磷酸果糖激酶具有抑制作用。在O2充足的条件下，O2会推动糖分解中间产物（NADH、丙酮酸）进入有氧氧化分解的途径，导致产生较多的ATP和柠檬酸，进而抑制磷酸果糖激酶的活性，从而抑制无氧呼吸的进行。但由于哺乳动物成熟红细胞缺乏有氧呼吸酶系，即使O2充足，也不能进行有氧呼吸，而不能产生大量ATP和柠檬酸抑制磷酸果糖激酶活性。因此，O2不会抑制哺乳动物成熟红细胞的无氧呼吸。

2 哺乳动物成熟红细胞的基因表达

2.1 哺乳动物成熟红细胞血红蛋白的合成

红细胞的增生发育过程：多能干细胞（造血干细胞）→单能干细胞→原始红细胞→幼红细胞（分早、中、晚三个时期）→网织红细胞→成熟红细胞。成熟过程中，血红蛋白的逐渐增加，细胞核活性逐渐衰减，从晚幼红细胞开始失去分裂能力。成熟红细胞无细胞核、无细胞器，细胞质存在大量的血红蛋白，不能进行核酸和蛋白质的合成。但成熟红细胞能够正常执行生理功能和外界进行物质、能量交换，如细胞质中碳酸酐酶催化CO2可逆的水合作用，有助于CO2运输，细胞膜的离子泵还可利用无氧代谢供能进行离子交换，维持细胞内高钾、低钙和低钠状态。

成熟红细胞内的血红蛋白部分是在幼红细胞阶段（有核、游离核糖体丰富）合成，部分在网织红细胞阶段合成（无核、残留有核糖体和嗜碱性RNA），成熟阶段不合成。

2.2 细胞分化过程中，基因表达的连续性和mRNA的稳定性

真核细胞转录主要在细胞核，翻译主要在细胞质中，其中大多数基因为断裂基因，存在内含子和外显子。基因转录先形成mRNA前体（不均一RNA，hnRNA），再经加工（5′端加帽、3′端加尾、内含子剪切、外显子连接、部分碱基修饰）形成成熟mRNA。同一hnRNA经过不同加工过程，可产生不同的成熟mRNA，进而指导翻译形成不同的蛋白质。但真核细胞基因表达的转录和翻译阶段不一定是连续进行的。成熟的mRNA经核孔进入细胞质。在细胞质中可以有活性和无活性的两种状态存在，成熟的mRNA通过与调节蛋白（阻遏物或激活因子）、miRNA（微RNA，与mRNA碱基互补配对形成双链区，阻止翻译）可逆结合来实现两种状态的变换，进而调控蛋白质合成。如许多动物在卵母细胞中含有大量编码不同蛋白质的mRNA，但通常在卵子成熟前或受精前是不翻译的。但发挥指导翻译作用后的mRNA，会被核酸酶所降解（一般从mRNA的3′端开始）。

mRNA降解速率是其稳定性的衡量标志，降解速率慢，显示mRNA稳定。不同基因转录形成的mRNA稳定性不同。高等真核生物中，“持家基因”转录形成的mRNA和高度分化细胞中的mRNA，一般比较稳定。如网织红细胞中虽已没有RNA的合成，但其细胞质还存在前期阶段形成的mRNA，所以依然可继续合成血红蛋白或其他蛋白。

2.3 哺乳动物成熟红细胞分化过程遗传物质变化的例外

学生对于细胞分化的分子机制比较熟悉的，都认同细胞分化是相同基因组在特定时空下，进行选择性表达的结果。但因红细胞在成熟过程中，会出现排核和丧失细胞器现象，而导致遗传物质丢失，这与教师所讲授的“细胞分化过程中遗传物质不改变”产生冲突，进而会使学生产生疑问“细胞分化过程中遗传物质一定不改变吗？有例外吗？”实际上，细胞分化过程中也存在遗传物质改变的特例。如马蛔虫卵裂分化形成体细胞时，出现染色体丢失、草履虫细胞大核（营养核）出现DNA丢失重排、扩增、B淋巴细胞分裂分化，形成浆细胞过程中出现DNA断裂丢失、重排现象。而这些变化都是细胞在进化过程中，为高效执行其特定功能而产生的适应现象。如成熟红细胞在分化过程中，排核和丧失细胞器使其运输O2的空间达到最大化。

3 哺乳动物成熟红细胞衰老后死亡的方式

成熟红细胞已不具有细胞核与线粒体，故细胞内不可能再具有基因，也就没有控制其凋亡的基因。红细胞的细胞核消失前，已经表达产生相关凋亡蛋白，在细胞核被排出后，其实已经开始了细胞凋亡，并不是衰老后才控制凋亡。

3.1 哺乳动物成熟红细胞衰老后死亡方式的主要观点

红细胞的寿命约为120 d。关于成熟红细胞衰老后的正常死亡方式，存在前后两个阶段的主要观点。早期观点认为，绝大部分衰老红细胞在脾脏及肝脏的网状内皮系统中，被吞噬细胞吞噬，进而破坏分解，即衰老红细胞的死亡，属于一种免疫清除，与凋亡基因无关。后期观点认为，衰老红细胞先在内源或外源凋亡因子的诱导凋亡基因表达，形成凋亡小体（膜表面有特意信号分子），最后诱发免疫吞噬。

3.2 哺乳动物成熟红细胞衰老后可能的凋亡途径

细胞死亡的方式有三种，分别是凋亡、坏死、细胞自噬性死亡。目前研究表明，凋亡的主要途径也有三种：依赖caspase家族蛋白酶（凋亡蛋白）由死亡受体起始的外源途径、依赖caspase家族蛋白酶由线粒体起始的内源途径、非依赖caspase家族蛋白酶由线粒体或内质网起始的内源途径。

目前衰老红细胞的凋亡途径还未有定论。但从分子水平分析，哺乳动物成熟红细胞中，存在部分与凋亡有关的关键蛋白（如caspase-3、caspase-8、Bcl-2家族蛋白），缺乏线粒体起始内源途径其他成分如caspase-9、细胞色素c（在真核细胞的线粒体内膜上），衰老红细胞膜表面可能缺乏相应死亡受体，因此不能进行依赖caspase家族蛋白酶外源途径和内源途径的凋亡。从细胞水平的细胞形态变化分析，除了没有凋亡时出现染色质、细胞器的变化外，衰老红细胞其余形态特征（细胞膜皱缩、形成凋亡小体、凋亡信号外显、被吞噬细胞吞噬）均与一般细胞凋亡相同。虽然成熟红细胞没有细胞核、线粒体、内质网、核糖体等细胞器，但其细胞质早期储备的RNA和蛋白质，可能在其衰老后调控凋亡信号通路，即衰老红细胞的死亡是一种特殊形式的凋亡。

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