揭秘膜转运蛋白

马清瑜

(甘肃省临夏回民中学)

细胞膜是细胞与外界环境之间的屏障,具有选择透过性。细胞膜在维持细胞内部环境相对稳定的同时又要承担摄取营养、排出废物、维持离子平衡等重要功能,即细胞膜的物质运输功能。磷脂双分子层的特性决定了其对绝大多数溶质分子和带电荷的无机离子是高度不透的,所以几乎所有的有机小分子和无机离子的转运都需要特异性的膜蛋白——膜转运蛋白。正是这些蛋白质赋予了细胞膜最重要的功能特性——选择透过性。

1.膜转运蛋白的类型

膜转运蛋白分为两类:一类是载体蛋白,另一类是通道蛋白。通道蛋白具体又分水通道蛋白和离子通道蛋白。目前对多种载体蛋白和通道蛋白的功能和基本机理已经有详细的研究,下面就这两类膜转运蛋白中的一些重要类型加以介绍,之后再对它们作出特征性辨析和归纳。

1.1载体蛋白实例

载体蛋白普遍存在于几乎所有的生物膜上。每种载体蛋白只能与特定的溶质分子结合,通过一系列构象的改变介导溶质分子跨膜转运。

1.1.1 Na+-葡萄糖协同转运蛋白(SGLT)

SGLT主要存在于肾和肠细胞的顶部细胞膜,目前在人体细胞上发现的SGLT多达12种,其中起决定作用的是SGLT1和SGLT2。肾小管和集合管是吸收葡萄糖的重要部位,肾小管管腔侧上皮细胞膜上的SGLT2以协同转运的方式吸收Na+和葡萄糖,承担了90%以上的葡萄糖分子的重吸收。

SGLT2转运葡萄糖没有直接消耗ATP,但这种转运在消耗Na+形成的电化学势能。细胞内是一个“高钾低钠”的环境,为了维持较低的Na+浓度,细胞要水解ATP为逆电化学梯度将Na+转运出细胞供能,所以SGLT2转运葡萄糖的过程间接消耗ATP,被称为次级主动运输(如图1)。此外植物细胞和细菌细胞膜上也存在类似于SGLT的转运蛋白,只不过和葡萄糖协同转运的不是Na+而是H+。

图1 Na+-葡萄糖协同转运蛋白(SGLT)模型

1.1.2葡萄糖转运蛋白(GLUT)

葡萄糖转运蛋白(Glucose Transporters,GLUT)是一类负责葡萄糖进出细胞的关键蛋白质,在调节血糖稳态方面具有重要功能。GLUT有多种类型,例如,红细胞膜上的GLUT1、小肠绒毛上皮细胞和胰岛B细胞上的GLUT2,以及脂肪细胞和肌细胞上的GLUT4等。

GLUT存在两种构象:状态A时,结合位点在膜外侧暴露;状态B时,结合位点在膜内侧暴露。该模型认为,两种构象的转变是随机的,假如葡萄糖分子浓度在膜外侧较高时,状态A到状态B的转换更常发生,葡萄糖分子得以顺浓度梯度进入细胞。GLUT对葡萄糖的转运方式属于协助扩散,不消耗代谢能(如图2)。

图2 葡萄糖转运蛋白(GLUT)模型

通过以上两种载体蛋白的作用机理可以看出:载体蛋白对物质的运输具有严格的特异性,这种特异性主要表现在被转运分子与载体蛋白的匹配结合上,类似于酶与其底物的专一性结合。同时载体蛋白也会被类似物竞争性抑制,具有饱和动力学曲线等特征,所以载体蛋白有时也叫通透酶。

1.2通道蛋白实例

通道蛋白能形成亲水通道,通道打开时允许特定大小的溶质分子通过,特异性不如载体蛋白强。通道蛋白有三个突出特征:第一,有极高的转运速率。每个通道每秒可通过107～108个离子,比载体蛋白的转运速率快1 000倍左右,接近自由扩散的理论值。驱动物质完成跨膜运输的动力来自离子形成的浓度差和电位差两种力的合力,即电化学势能。第二,离子通道对物质的转运没有饱和值。第三,离子通道是门控的。离子通道不是连续开放而是受不同因素的调控,即通道的开关可调节。通道蛋白有两种类型:离子通道和水通道,其中最能说明通道蛋白特征的例子是Na+通道和K+通道。

神经纤维主要由神经细胞的轴突构成,在实现兴奋的产生和传导时,Na+通道和K+通道发挥着重要作用。

在不受刺激时,神经细胞维持膜外正电位、膜内负电位的静息电位。此时Na+通道和K+通道均保持关闭状态,而膜上的另一种通道蛋白——非门控K+通道使K+顺电化学梯度流出细胞,造成静息电位,也就是膜的极化(图3)。

图3 静息电位

当神经细胞受到的刺激达到阈值时,Na+通道瞬间打开而K+通道仍然保持关闭状态。Na+大量、快速流入细胞使静息电位消失(去极化),随即出现外负内正的动作电位,即膜的反极化(图4)。

图4 动作电位

当动作电位达到峰值时,Na+通道关闭而K+通道全面打开,K+瞬间大量流出又会使膜出现极化甚至超极化(图5)。最后Na+通道和K+通道关闭,回到最初的静息电位状态。整个过程中还有钠-钾泵的规律性配合。

图5 膜的超极化

2.膜转运方式与膜转运蛋白的联系

主动运输是由载体蛋白介导的物质逆浓度梯度或电化学梯度由低浓度一侧向高浓度一侧进行跨膜转运的方式。由于被转运物质的自由能的变化为正值,因此需要与某种释放能量的过程相耦联。根据主动运输过程所需能量的不同,将主动运输分为ATP驱动型(如钠-钾泵)、势能驱动型(如钠-葡萄糖协同转运蛋白)和光能驱动型三种。

协助扩散是各种极性分子和无机盐离子顺浓度梯度或电化学梯度的跨膜转运。介导协助扩散的膜转运蛋白可以是载体蛋白,如葡萄糖转运蛋白(GLUT),也可以是通道蛋白,如Na+通道和K+通道(图6)。

图6

3.试题分析

【例1】SGLT2是肾小管细胞膜上重吸收葡萄糖的一种载体蛋白,SGLT2可以与肾小管腔中葡萄糖和Na+结合,形成Na+-载体-葡萄糖复合物,将Na+顺浓度梯度运入细胞,同时将葡萄糖逆浓度梯度运入细胞,下列叙述错误的是

( )

A.氧气的含量变化会直接影响SGLT2参与的葡萄糖的运输速率

B.SGLT2将肾小管腔中的葡萄糖运入细胞属于主动运输

C.细胞通过SGLT2运输葡萄糖的动力来自Na+的浓度差

D.肾小管细胞中SGLT2合成不足可能导致人尿液中含有葡萄糖

【答案】A

【分析】如上所述,SGLT属于膜载体蛋白,题干中明确指出SGLT将葡萄糖逆浓度梯度运入细胞,所以可以确定葡萄糖运入细胞的过程是主动运输。主动运输需要消耗代谢能,分析题干可知,不是ATP直接提供能量,而是膜外Na+浓度高于膜内,借助其形成的电化学梯度转运葡萄糖。氧气含量直接影响有氧呼吸产生ATP,所以氧气含量不直接影响SGLT对葡萄糖的转运速率,A错误。

【例2】饥饿状态下,肠腔的葡萄糖通过SGLT1逆浓度梯度进行跨膜运输;进食后,小肠微绒毛局部葡萄糖浓度由于二糖的水解而升高,细胞通过GLUT2顺浓度梯度吸收葡萄糖,速率比通过SGLT1快数倍(如图7所示)。下列叙述错误的是

( )

图7

A.图中的二糖可能是麦芽糖

B.SGLT1和GLUT2同时存在增强了动物对环境的适应性

C.SGLT1和GLUT2都属于载体蛋白,两者都应该具有ATP水解酶活性

D.葡萄糖通过SGLT1的跨膜运输方式体现了活细胞能够按照生命活动的需要选择性吸收所需的营养物质

【答案】C