高中生物学中细胞膜蛋白的类型与实例

2017-08-20徐丹丹鲁亚平

生物学教学 2017年8期

徐丹丹韩菲鲁亚平

(安徽师范大学生物教育研究中心芜湖 241000)

蛋白质是生命活动的主要承担者。高中生物学涉及的蛋白包括分泌蛋白、胞浆蛋白、核蛋白和膜蛋白。其中，膜蛋白贯穿整个高中生物学教学的内容(在必修一“物质跨膜运输的方式”、必修二“基因对性状的控制”、必修三“通过神经系统的调节”“通过激素的调节”“免疫调节”等章节中都有涉及)。本文简要介绍高中生物学涉及的受体、通道、载体、酶和抗原等5类膜蛋白的结构和功能。

1 载体蛋白

载体蛋白是一类多亚基多次跨膜结构的蛋白，有特异性结合位点，可与底物(溶质)发生暂时的、可逆性的结合和分离，通过改变分子构象进而实现对结合底物的跨膜转运。载体蛋白也称为转运蛋白或转运子。例如，小肠上皮吸收葡萄糖主要涉及两种葡萄糖转运蛋白，即易化扩散依赖的葡萄糖转运蛋白(GLUTs)和钠-葡萄糖共转运载体蛋白(SGLTs)。SGLTs位于小肠上皮肠腔侧的胞膜上，由于钠离子泵逆浓度转运，造成胞内钠离子浓度远远低于胞外。然后在钠离子势能的驱动下，由胞外向胞内同向继发主动转运葡萄糖进入上皮细胞。GLUTs位于小肠上皮靠近血管侧的胞膜上，在高浓度葡萄糖驱动下，协助其扩散到组织液和血液，随血流被机体利用[1]。

钠-葡萄糖共转运体的功能异常时，机体吸收葡萄糖形成障碍，进而可患上葡萄糖-乳糖吸收不良症或家族性肾性糖尿病。SGLT1是目前口服疗法治疗分泌性腹泻(如霍乱)的核心药理基础；同时愈来愈多的科学家关注将钠-葡萄糖共转运载体作为糖尿病治疗的药物设计靶点[2]。

2 通道蛋白

通道蛋白也是一类具有多次跨膜结构的蛋白质，它所介导的被动运输不需要溶质分子与其结合，而是通过跨膜形成亲水通道，允许一些亲水性小分子和带电离子通过。通道可分为两大类：离子通道和水通道。

2.1 离子通道蛋白离子通道多具有“门”，且此门多数情况下呈关闭状态，只有在膜电位变化、化学信号或压力剌激后才开启，离子方可得以通过。例如，神经细胞兴奋时，先后打开的Na+和K+通道。Na+和K+通道“门”的开放是动作电位(神经冲动)曲线上升段和下降段的离子基础。离子通道也有的没有“门”，一直对离子通透。例如，细胞静息状态下，外流的K+主要就是通过没有“门”的K+通道走的。正是非门控K+通道顺浓度梯度向膜外通透K+，当形成的膜两侧电位差阻力与离子扩散的动力达到动态平衡时，此时该离子的净扩散通量为零，所形成的电位即静息电位。静息电位的大小接近K+的平衡电位。

由于各种离子在细胞代谢中发挥重要作用，离子的有序流动和细胞内各种离子浓度的相对稳定，对于细胞正常的生理活动至关重要。当离子通道结构变异或调控机制出现紊乱，则常引起疾病，如过速性心律失常(Ca2+、Na+、K+)[3]、脑缺血(Ca2+、Na+、K+)等疾病与有关离子通道结构和功能的改变关系密切，而且往往是多种通道共同参与一种疾病的形成。

2.2 水通道蛋白水通道蛋白(AQP)是一小类家族膜蛋白，但它们有相似的基本结构。水通道蛋白单体在细胞膜上形成6个跨膜区域，常成四聚体[4]。

高中生物学中有关肾脏重吸收水的内容，主要涉及水通道的APQ2亚型。AQP2 仅见于肾脏集合管,也是目前所知唯一的抗利尿激素(ADH)敏感的水通道蛋白[5]。“穿梭学说”认为：集合管在基础状态下；对水的通透性较低是因为集合管管腔的细胞膜上存在比较少的APQ2。但是当抗利尿激素释放并通过体液运输与集合管管腔细胞膜上的特异性受体结合后，就会通过一系列的细胞信号过程，使细胞发生短期调节和长期调节两个不同时相的调节反应。短期调节是指依赖于cAMP的蛋白激酶A(PKA)催化亚单位使细胞囊泡中的APQ2磷酸化，触发含有APQ2的囊泡移向细胞膜并通过胞吐作用嵌入细胞膜中，使得细胞膜上的APQ2的密度增加，从而增加集合管对水的通透性。当抗利尿激素与受体解离后，膜上的APQ2又会通过内吞重新回到胞浆囊泡中。而长期调节指的是当机体内的抗利尿激素水平持续增高，可以使细胞内的APQ2基因活化，APQ2基因表达增加，从而提高APQ2的绝对数量。

目前发现，因水通道蛋白的结构和功能异常导致的遗传性疾病包括肾性尿崩症、先天性白内障、癌症、癫痫和肥胖等，以水通道蛋白为基础的相关疾病的诊断、治疗以及药物开发具有广阔的发展空间[6]。

3 受体蛋白

在细胞化学通讯中，靶细胞接收化学信号的分子通常称为受体，此时的信号分子称为配体。现发现的受体多位于胞膜，也有少数位于胞质和胞核。

细胞膜上的受体种类很多，高中生物学涉及到的受体种类主要包括激素受体、神经递质受体以及某些抗体的受体等。例如，胰岛素受体由 α、β各两个共4个亚单位组成。胰岛素与α亚单位结合后，β亚单位中酪氨酸激酶被激活，使受体磷酸化，由此启动磷酸化的级联反应并导致信号的进一步转导，调节细胞内酶系统活性，控制物质代谢。在细胞中，经胰岛素受体介导活化的IP3K会触发富含葡萄糖转运蛋白的小泡以胞吐形式由内核体经由高尔基体向细胞膜转位，增加细胞膜葡萄糖转运蛋白，调节肌细胞、脂肪细胞和肝细胞等对葡萄糖的摄取。

研究表明，肥胖、糖耐量异常以及Ⅱ型糖尿病患者脂肪细胞葡萄糖转运蛋白mRNA 含量明显减少，从而导致胰岛素抗性和葡萄糖耐受性降低[7]。

4 抗原蛋白

任何可诱发免疫反应的物质都可以称为抗原。根据抗原性质可分为两类：完全抗原和不完全抗原。前者是一类既有免疫原性，又有免疫反应性的物质，如大多数蛋白质、细菌、病毒、细菌外毒素等都是完全抗原；后者只具有免疫反应性，而无免疫原性的物质，如分子量较小的多糖、类脂、核酸等非蛋白类物质。

正常情况下，自身组织对机体无抗原性，但在创伤、感染、电离辐射和药物等影响下，可以发生变性而成为具有免疫原性的物质，即自身抗原。自身抗原可以是完全正常的组织成分，也可为已改变了的细胞成分。自身抗原可刺激机体发生免疫反应，导致自身免疫病，如乙酰胆碱受体蛋白引起的自身免疫病。乙酰胆碱受体可分为毒蕈碱型受体(M型，mAchR)和烟碱型受体(N型，nAchR)。两种受体在氨基酸组成及结构上都有一些共同特征。mAchR通常分布于副交感神经节后纤维支配的内脏平滑肌上，调控内脏活动；nAchR常位于交感和副交感神经节神经元的突触后膜以及神经肌肉接头处的终板膜(骨骼肌细胞膜)上，既参与调节内脏活动，也参与调控各种随意运动。

1960年，Simpson首次提出，重症肌无力(MG)是一种由nAchR抗体引起的自身免疫性疾病，即由神经肌肉接头诱导的自身抗体“攻击”突触后膜成分，损伤神经肌肉兴奋传递，导致骨骼肌衰弱和疲劳的一种自身免疫性疾病[8]。

1973年，Partrick和Lindstrom用纯化的nAchR免疫动物，成功地获得了症状类似于MG病人的动物模型，促进了对MG的免疫学研究。临床上，乙酰胆碱受体抗体滴度的检测对重症肌无力的诊断具有特征性意义。80%～90%的全身型重症肌无力可检测到血清乙酰胆碱受体抗体。

5 酶蛋白

酶是生物体组织或细胞具有特殊催化活性的蛋白质，生物体的新陈代谢过程都是在酶的催化作用下进行的。酶不仅存在于细胞内、细胞间，细胞膜上也存在着大量催化不同化学反应的酶。例如，动物细胞质膜上的Na+/K+泵同时具有ATP酶的活性，又称为Na+/K+ATPase，由两个α亚基和两个β亚基组成四聚体。Na+/K+泵首先要催化水解ATP释放能量，才能发挥载体蛋白的功能。但很多疾病表现为Na+/K+泵ATP酶功能失常，如原发性高血压、糖尿病并发症、阿尔海默氏综合征等。