姜忠義，張寧，黃彤，任燕雄，王磊，王少飛

（1天津化學(xué)化工協(xié)同創(chuàng)新中心，天津 300072；2天津大學(xué)化工學(xué)院綠色合成與轉(zhuǎn)化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072）

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二氧化碳跨生物膜的傳遞機(jī)制研究進(jìn)展

姜忠義1,2，張寧1,2，黃彤1,2，任燕雄1,2，王磊1,2，王少飛1,2

（1天津化學(xué)化工協(xié)同創(chuàng)新中心，天津 300072；2天津大學(xué)化工學(xué)院綠色合成與轉(zhuǎn)化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072）

摘要：二氧化碳（CO2）作為生物體內(nèi)的代謝產(chǎn)物和反應(yīng)底物，其與外界環(huán)境的氣體交換是保證生物體正常生命活動(dòng)的重要基礎(chǔ)。CO2在生物體尤其是細(xì)胞內(nèi)的傳遞對(duì)于控制碳排放、構(gòu)建高效碳循環(huán)、開(kāi)發(fā)新型碳捕集技術(shù)具有重要意義。本文對(duì)生物體內(nèi)CO2的傳遞機(jī)制進(jìn)展進(jìn)行了綜述，重點(diǎn)介紹了CO2跨膜運(yùn)輸?shù)牟煌绞脚c相應(yīng)機(jī)制，針對(duì)水通道蛋白對(duì)CO2的促進(jìn)傳遞作用進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析，指出在膜對(duì)CO2自滲透性低時(shí)水通道蛋白對(duì)CO2的跨膜運(yùn)輸才能發(fā)揮重要作用。近期研究進(jìn)展表明，水通道蛋白四聚體的中央孔道和水通道賦予其對(duì)CO2的促進(jìn)傳遞作用。此外，碳酸酐酶和HCO3–-Cl–轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的存在能加速細(xì)胞內(nèi)酸化過(guò)程，提高CO2的傳遞速率。期望本綜述能夠?yàn)殚_(kāi)發(fā)新的仿生膜材料及其碳捕集技術(shù)提供理論方面的一些參考。

關(guān)鍵詞：二氧化碳；生物膜；溶解擴(kuò)散；水通道蛋白；促進(jìn)傳遞

第一作者及聯(lián)系人：姜忠義(1966—)，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事仿生與生物啟發(fā)下的膜與膜過(guò)程研究。E-mail zhyjiang@tju.edu.cn。

碳是生物體的物質(zhì)骨架，也是化石燃料的核心元素。1850年以來(lái)，化石燃料的快速消耗以及CO2的累積排放正在引發(fā)日益嚴(yán)重的全球氣候變化及環(huán)境問(wèn)題[1]。如何解決工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的CO2的大規(guī)模捕集、貯存和轉(zhuǎn)化，從而構(gòu)建綠色、高效的碳循環(huán)是世界各國(guó)政府迫切關(guān)心的重大問(wèn)題[2]。

CO2在細(xì)胞與內(nèi)環(huán)境之間以及生物與外界環(huán)境之間存在氣體交換，動(dòng)物、植物和絕大多數(shù)細(xì)菌進(jìn)行呼吸作用產(chǎn)生的CO2需要排出體外，含葉綠素的生物進(jìn)行光合作用需要CO2作為碳源，生物通過(guò)水合CO2的方式形成H2CO3–-HCO3–酸堿緩沖對(duì)，酸堿緩沖對(duì)所產(chǎn)生的CO2濃度梯度為其交換提供驅(qū)動(dòng)力[3]?？梢哉f(shuō)，CO2的有效傳遞對(duì)生物體生理機(jī)能的實(shí)現(xiàn)不可或缺，生物體的各個(gè)部位、每時(shí)每刻都在發(fā)生著CO2的不同方式的傳遞。

CO2在生物體內(nèi)的傳遞可以分為兩類(lèi)。一是CO2的相際傳遞與均相擴(kuò)散；二是CO2的跨膜傳遞。前者如植物葉中CO2通過(guò)氣孔進(jìn)入疏松組織的細(xì)胞間隙，CO2通過(guò)毛細(xì)管孔道進(jìn)入血漿等，其過(guò)程遵循菲克第一定律。后者如CO2穿過(guò)質(zhì)膜、葉綠體、線粒體膜進(jìn)出等，CO2在生物體的傳遞阻力主要集中在這一部分[4]。跨膜傳遞過(guò)程的實(shí)際傳遞速率比基于傳統(tǒng)的氣體傳遞機(jī)制（主要為自由擴(kuò)散）或者理論計(jì)算的傳遞速率低幾個(gè)數(shù)量級(jí)[5]。

近年來(lái)，許多研究認(rèn)為水通道蛋白能促進(jìn)CO2的跨膜運(yùn)輸[6-7]，然而也有一些不同的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)。本文闡述了CO2在生物體內(nèi)的傳遞機(jī)制研究進(jìn)展，介紹了CO2在體內(nèi)的傳遞途徑，重點(diǎn)分析了CO2自由擴(kuò)散和水通道蛋白對(duì)CO2的促進(jìn)傳遞，同時(shí)也介紹了碳酸酐酶與HCO3–-Cl–轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白對(duì)于CO2跨膜運(yùn)輸?shù)拇龠M(jìn)作用，以期為碳捕集技術(shù)和先進(jìn)膜材料的研究開(kāi)發(fā)提供一些可供參考的基礎(chǔ)理論。

1　CO2在生物體內(nèi)的傳遞途徑

在健康動(dòng)物體內(nèi)，細(xì)胞和外界環(huán)境之間CO2濃度梯度很大[8]；相比之下，在進(jìn)行光合作用的植物體內(nèi)，CO2濃度梯度并不甚顯著。因此，在正常生理?xiàng)l件下，CO2由外界環(huán)境運(yùn)輸至細(xì)胞內(nèi)化學(xué)反應(yīng)特定位點(diǎn)的過(guò)程中，相同的阻力對(duì)植物體內(nèi)CO2傳遞產(chǎn)生的影響要大于其對(duì)動(dòng)物體內(nèi)CO2傳遞產(chǎn)生的影響。所以這里以植物體內(nèi)CO2的傳遞為例來(lái)敘述CO2在生物體內(nèi)的傳遞過(guò)程。

光合作用是植物體最基本也是最重要的生理活動(dòng)[9]。一方面，氣孔的存在是CO2傳遞阻力的一個(gè)來(lái)源；另一方面，CO2由氣孔運(yùn)輸至葉綠體內(nèi)部存在內(nèi)導(dǎo)（gi，也稱(chēng)葉肉導(dǎo)度），這是CO2傳遞的另一個(gè)限制步驟，而后者對(duì)光合作用的阻礙作用通常比前者更為顯著。盡管gi受諸多因素影響，但最新的一些研究證明水通道蛋白是其中最為重要的影響因素[10]。HvPIP2;1是大麥體內(nèi)的一種水通道蛋白，將HvPIP2;1引入水稻植株體內(nèi)，這種轉(zhuǎn)基因水稻大量表達(dá)HvPIP2;1，其內(nèi)導(dǎo)和普通水稻相比增加了40%[11]。這是第一個(gè)證明內(nèi)導(dǎo)和水通道蛋白有直接關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn)。

由外界環(huán)境運(yùn)輸至葉綠體基質(zhì)內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的特定位點(diǎn)是CO2傳遞的全部途徑（圖1），它受限于細(xì)胞不同部位的阻力[12]。1為葉片中的氣孔；2為細(xì)胞間隙；3為細(xì)胞壁；4為細(xì)胞膜；5為細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)；6為葉綠體。2至6步共同組成了CO2傳遞的內(nèi)導(dǎo)gi。環(huán)境中的CO2必須經(jīng)過(guò)細(xì)胞間隙、細(xì)胞壁、細(xì)胞膜，透過(guò)葉綠體被膜，進(jìn)而運(yùn)輸至葉綠體基質(zhì)。圖中表示了CO2的自由擴(kuò)散（左側(cè)）和依靠水通道蛋白進(jìn)行傳遞（右側(cè)）兩種路徑。表1給出了每項(xiàng)阻力的大小和CO2從一個(gè)部位運(yùn)輸至另一部位后對(duì)CO2濃度產(chǎn)生的影響。由表1可見(jiàn)，CO2在細(xì)胞膜和葉綠體被膜等膜結(jié)構(gòu)中的傳遞阻力為總阻力的主要構(gòu)成部分。此外，葉肉導(dǎo)度還與葉的形態(tài)、細(xì)胞壁厚度、胞質(zhì)層結(jié)構(gòu)、葉綠體表面積等因素有關(guān)，也會(huì)隨葉片溫度或水壓的變化而變化[13]。葉肉阻力能顯著減少葉綠體中CO2的濃度并因而降低凈光合作用，各阻力項(xiàng)的改變會(huì)直接影響CO2傳遞速率的大小。

圖1 CO2由外界環(huán)境運(yùn)輸至葉綠體內(nèi)部的傳遞途徑

表1 CO2在植物體內(nèi)的傳遞阻力及濃度變化

由CO2的傳遞途徑可發(fā)現(xiàn)，CO2的跨膜運(yùn)輸方式主要為被動(dòng)運(yùn)輸，包括CO2的自由擴(kuò)散和借助于水通道蛋白的促進(jìn)傳遞。CO2的跨膜運(yùn)輸主要由兩種機(jī)制調(diào)控：一是依靠具有疏水性的生物膜磷脂雙分子層，遵循溶解擴(kuò)散機(jī)制；二是依靠一類(lèi)特殊的膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（如水通道蛋白），遵循促進(jìn)傳遞機(jī)制。

2　CO2的自由擴(kuò)散

CO2分子屬于非極性小分子，其熱運(yùn)動(dòng)使CO2分子以自由擴(kuò)散（又稱(chēng)簡(jiǎn)單擴(kuò)散）的方式，沿濃度梯度降低的方向，通過(guò)生物膜從一側(cè)到達(dá)另一側(cè)。一般認(rèn)為，該跨膜運(yùn)輸方式屬于物理過(guò)程，遵循溶解擴(kuò)散（solution-diffusion）機(jī)制，即CO2首先溶解在磷脂雙分子層中，再?gòu)哪ひ粋?cè)擴(kuò)散至另一側(cè)。因此，CO2滲透性的大小，不僅取決于CO2在磷脂雙分子層中的溶解性大小，還取決于其在磷脂雙分子層中的擴(kuò)散阻力。生物膜對(duì)CO2的滲透性可以用滲透系數(shù)（P）來(lái)表示[14]，滲透系數(shù)可根據(jù)CO2在脂類(lèi)和水中的溶解度系數(shù)（S）及在膜內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)（D）來(lái)計(jì)算，關(guān)系式為P=S×D。

研究者針對(duì)CO2在膜中的溶解擴(kuò)散機(jī)制，建立了溶解擴(kuò)散模型[15]。該模型認(rèn)為CO2在膜中的自由擴(kuò)散分為3個(gè)步驟，包括CO2在膜表面吸附溶解、CO2在濃度梯度的推動(dòng)下向滲透?jìng)?cè)擴(kuò)散、CO2在膜滲透?jìng)?cè)解吸。其中，吸附溶解和解吸過(guò)程能迅速達(dá)到平衡，而擴(kuò)散過(guò)程往往較慢，構(gòu)成CO2在膜內(nèi)傳遞的控制步驟[16]。此模型中的溶解機(jī)制僅涉及物理溶解，不包括化學(xué)溶解。擴(kuò)散機(jī)制由氣體分子性質(zhì)和膜結(jié)構(gòu)特性兩方面因素決定：在氣體分子性質(zhì)層面，CO2分子為線性分子，動(dòng)力學(xué)直徑約為0.33nm，因此在生物膜中的擴(kuò)散優(yōu)先于N2、NH3等氣體；在膜結(jié)構(gòu)特性層面，生物膜的自由體積孔穴越多、自由體積分?jǐn)?shù)越大，CO2的擴(kuò)散速率就越大[17]。

在生物膜中，膽固醇的含量會(huì)在很大程度上影響膜對(duì)CO2的滲透性。隨著生物膜中膽固醇含量的增加，CO2的滲透性下降。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)膽固醇的含量由0增加至50%時(shí)，CO2的滲透系數(shù)降低了2~3個(gè)數(shù)量級(jí)，而CO2的溶解度系數(shù)只降低了25%[18]。因此認(rèn)為，CO2的擴(kuò)散系數(shù)對(duì)其滲透性的影響比溶解度系數(shù)對(duì)滲透性的影響要大，膽固醇含量的增加降低了生物膜的流動(dòng)性，使膜中CO2的擴(kuò)散系數(shù)降低。細(xì)胞可以通過(guò)控制膽固醇的含量在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)CO2的滲透性，以滿足相應(yīng)的生理功能。

3　水通道蛋白對(duì)CO2的促進(jìn)傳遞

除了自由擴(kuò)散外，CO2在生物膜內(nèi)還存在其他傳遞途徑，其傳遞機(jī)制也明顯區(qū)別于溶解擴(kuò)散機(jī)制。ZEIDEL等[19]考察了細(xì)胞膜的流動(dòng)性對(duì)CO2滲透性的影響，發(fā)現(xiàn)不同流動(dòng)性的膜對(duì)CO2滲透性相似，表明此情形下自由擴(kuò)散不應(yīng)該是CO2傳遞的主要方式。只依靠溶解擴(kuò)散機(jī)制來(lái)傳遞CO2難以滿足細(xì)胞內(nèi)對(duì)CO2高傳遞速率的需求，研究發(fā)現(xiàn)CO2的另一種跨膜運(yùn)輸方式是促進(jìn)傳遞（facilitated transport）需要生物膜上轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的協(xié)助，其中最主要的一種就是前面提及的水通道蛋白。

水通道蛋白（也稱(chēng)水孔蛋白，aquaporin，簡(jiǎn)稱(chēng)AQPs），是指具有水、不帶電小分子（尿素、硼酸、硅酸）或氣體（氨、CO2）等底物特異雙向滲透性的一類(lèi)膜通道蛋白（26～34kDa）[20]，也稱(chēng)MIPs，普遍存在于動(dòng)物、植物及微生物中。對(duì)于AQPs是否能顯著促進(jìn)CO2的跨膜運(yùn)輸，研究者之間存在很大爭(zhēng)議。一種觀點(diǎn)認(rèn)為，CO2的自由擴(kuò)散本身十分快速，因此任何膜蛋白（如水通道蛋白）的存在都會(huì)減小CO2的傳遞速率，故水通道蛋白對(duì)CO2的傳遞現(xiàn)象不太可能真正存在[21]。另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的CO2傳遞速率比理論分析上低得多[22]，水通道蛋白可作為一種傳遞CO2的載體，可能與CO2分子之間發(fā)生可逆的化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而促進(jìn)CO2通過(guò)生物膜的傳遞，此謂促進(jìn)傳遞現(xiàn)象[23]。水通道蛋白對(duì)CO2的促進(jìn)傳遞為生物體內(nèi)CO2的高傳遞速率提供了保證。

盡管對(duì)AQPs是否能促進(jìn)CO2的跨膜運(yùn)輸依然存在爭(zhēng)論，但許多研究證明水通道蛋白能顯著促進(jìn)CO2的跨膜運(yùn)輸。1995年，TYERMAN等[24]發(fā)現(xiàn)，AQPs能促進(jìn)CO2通過(guò)細(xì)胞膜，同時(shí)表明這對(duì)于減少CO2在細(xì)胞內(nèi)的傳遞阻力和在1，5-二磷酸核酮糖羧化酶的光合作用中是重要的。1998年，BORON 等[25]發(fā)現(xiàn)在爪蟾卵母細(xì)胞中引入水通道蛋白（AQP1）后CO2的滲透系數(shù)得到了明顯提升，使用HgCl2（水通道抑制劑）后水通量和CO2通量明顯降低，從而認(rèn)為AQP1可以作為CO2通道。2003年，UEHLEIN等[26]的研究發(fā)現(xiàn)，不僅在爪蟾卵母細(xì)胞中表達(dá)的煙草NtAQP1能促進(jìn)CO2跨膜運(yùn)輸，在煙草植株中表達(dá)的NtAQP1也有該促進(jìn)作用。2010年，SKELTON等[27]將AQP1引入腎臟中，發(fā)現(xiàn)AQP1可將周?chē)腃O2迅速傳遞，具有良好的平衡酸堿能力。2012年，NORBERT等[28]通過(guò)在嵌段共聚物（不透CO2）中引入水通道蛋白，從而驗(yàn)證了CO2在膜中的促進(jìn)傳遞。

在水通道蛋白對(duì)CO2跨膜運(yùn)輸作用的研究中，AQP1是眾多研究者研究最多的一種水通道蛋白，又因各水通道蛋白的三維結(jié)構(gòu)相似，故以AQP1為代表闡述水通道蛋白對(duì)CO2的傳遞。水通道蛋白對(duì)底物的選擇性取決于其內(nèi)部氨基酸的性質(zhì)[29]。在脂質(zhì)雙分子層中，AQP1運(yùn)輸CO2可能的途徑有兩種：一是通過(guò)AQP1四聚體形成的中央孔道；二是通過(guò)AQP1單體中的水通道。其中更多研究者認(rèn)同的傳遞方式為通過(guò)四聚體中央孔道的傳遞。

3.1 四聚體中央孔道對(duì)CO2的傳遞

在細(xì)胞膜中，AQP1主要以同源四聚體的形式存在，且每一個(gè)單聚體是一個(gè)獨(dú)立的功能單元。圖2為水通道蛋白分子的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。一個(gè)AQP1單體分子是一條單肽鏈，由6個(gè)貫穿細(xì)胞膜兩側(cè)的長(zhǎng)α螺旋構(gòu)成基本骨架，6個(gè)長(zhǎng)α螺旋由5條環(huán)（A～E loop）相連。4個(gè)單體銜接處中心形成一個(gè)縫隙，即四聚體的中央孔道。圖3為AQP1四聚體的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，由于疏水性，中央孔道不能傳遞水分子[30]。

圖2 水通道蛋白分子的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

圖3 AQP1四聚體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

一些研究者的模擬結(jié)果[31]發(fā)現(xiàn)，CO2在水通道蛋白內(nèi)的傳遞有兩道阻力屏障：第一道屏障位于靠近細(xì)胞表層的位置，周?chē)?個(gè)Val-50（來(lái)自于4個(gè)單體）；第二道屏障距離第一道屏障約為7 ?，周?chē)?個(gè)Asp-48。CO2和水在與Asp-48形成氫鍵的過(guò)程中產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，且CO2分子和Asp-48之間的氫鍵作用力是可逆的，故CO2得以透過(guò)中央孔道。

另外，一旦中央孔道內(nèi)存在離子或有機(jī)分子，那么CO2通過(guò)中央孔道的阻力就會(huì)大大增加。DE-GROOT等[32]認(rèn)為，在紅細(xì)胞、哺乳動(dòng)物肺部或其他組織中，AQP1對(duì)于CO2的促進(jìn)傳遞主要依賴(lài)于膜結(jié)構(gòu)自身對(duì)CO2的滲透性。只有當(dāng)膜對(duì)CO2的活化能壘超過(guò)20 kJ/mol或者四聚體的中央孔道內(nèi)不存在離子或有機(jī)分子時(shí)，AQP1的促進(jìn)傳遞方式才在所有跨膜運(yùn)輸方式中發(fā)揮主要作用。換言之，只有在膜對(duì)CO2自滲透性很低的情況下，AQP1的促進(jìn)傳遞才發(fā)揮出重要的生理作用[33]。

3.2 水通道對(duì)CO2的傳遞

水通道蛋白的三維結(jié)構(gòu)——“沙漏模型”[34]指出：B環(huán)和E環(huán)具有高度保守的天冬酰胺-脯氨酸-丙氨酸（Asn-Pro-Ala，又稱(chēng)NPA）特征性序列，B環(huán)、E環(huán)折返進(jìn)入雙分子層，2個(gè)NPA序列在膜中間位置相互結(jié)合，6個(gè)跨膜螺旋包圍在四周，共同構(gòu)成AQP1的水通道。NPA序列的兩個(gè)脯氨酸殘基之間存在范德華力，此作用力對(duì)于短螺旋HB和HE的折疊有穩(wěn)定作用[35]。水通道最窄處稱(chēng)為芳香/精氨酸（ar/R：aromati/arginine）保守域，由4個(gè)殘基構(gòu)成，包括親水His180、Arg195、Cys189和疏水Phe56（圖4）。

HUB等[36]模擬了磷脂雙分子層中AQP1對(duì)CO2的滲透性，研究發(fā)現(xiàn)，CO2分子在ar/R保守域中的傳遞阻力為23±4 kJ/mol；在NPA結(jié)構(gòu)域中的傳遞阻力較小，為9±1 kJ/mol。在ar/R保守域中，水分子和Arg-195之間形成很強(qiáng)的氫鍵，這在一定程度上對(duì)CO2的傳遞存在不利影響。在晶體結(jié)構(gòu)中，Arg-195的胍基正好伸入孔道，使其成為通道中最窄的部位[37]。CO2要通過(guò)此部位，須破壞水分子和Arg-195的N原子之間的氫鍵，如此一來(lái)，CO2的傳遞阻力會(huì)大大增加。然而，Arg-195的結(jié)構(gòu)多變性對(duì)ar/R保守域的阻力有很大影響，即Arg-195的位置和殘基結(jié)構(gòu)可在一定范圍內(nèi)有微小變動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)多變性很可能源于C環(huán)的結(jié)構(gòu)多變性[38]。Arg-195依靠鄰近的Asn-127與Gly-125形成的氫鍵維持穩(wěn)定性，如果在CO2的跨膜傳遞過(guò)程中，水分子和Arg-195形成的氫鍵不發(fā)生斷裂，CO2通過(guò)ar/R保守域的傳遞阻力會(huì)相應(yīng)降低。BEITZ等[39]的研究發(fā)現(xiàn)，在短螺旋HB和HE末端的兩個(gè)天冬酰胺可作為氫供體，可能與底物分子（如CO2）中的氧原子相互作用，降低CO2傳遞的能壘。

圖4 AQP1的ar/R保守域和NPA結(jié)構(gòu)域示意圖

水通道的限域效應(yīng)也為CO2的選擇性透過(guò)提供了一定的保證。AQP1水通道中ar/R保守域的4個(gè)氨基酸殘基構(gòu)成的狹口直徑大約為2.8? （1?=0.1nm），恰好為一個(gè)水分子的大小，而CO2分子為線性分子，且一個(gè)CO2分子的直徑比水略小[40]，故CO2可能通過(guò)水通道。據(jù)模擬計(jì)算，CO2通過(guò)AQP1水通道的傳遞阻力與在水相中比較要大一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

OTTO等[41]對(duì)表達(dá)NtAQP1的酵母細(xì)胞進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)AQP1的四聚體相比于單體有更高的CO2傳遞速率，這與CO2通過(guò)四聚體中央孔道進(jìn)行傳遞的觀點(diǎn)相一致，此傳遞方式也是目前研究者較為認(rèn)同的一種。關(guān)于AQP1內(nèi)是否還有其他CO2通道的疑問(wèn)還有待進(jìn)一步證實(shí)[42]。

4　其他蛋白質(zhì)對(duì)CO2傳遞的作用

4.1 碳酸酐酶對(duì)CO2傳遞的促進(jìn)作用

碳酸酐酶（carbonic anhydrases，簡(jiǎn)稱(chēng)CA），在生物體內(nèi)廣泛存在，如哺乳類(lèi)動(dòng)物、植物、藻類(lèi)和細(xì)菌。它是一類(lèi)含鋅金屬酶，能可逆地催化CO2與HCO3–的相互轉(zhuǎn)化[43]。反應(yīng)見(jiàn)式(1)。

其作用主要通過(guò)碳酸酐酶活性區(qū)域一系列氨基酸殘基及與這些殘基配位的Zn2+來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，CO2的傳遞速率取決于傳遞路徑長(zhǎng)度（如曲折度、體積排阻）和碳酸酐酶CA的活性[44]。

以CAⅡ的結(jié)構(gòu)為例，其活性區(qū)域位于β鏈形成的約15?的空腔中，Zn2+位于活性區(qū)域底部，且與氨基酸殘基His94、His96和His119的季銨氮原子配位，并與H2O或OH–連接形成四面體結(jié)構(gòu)[45]。這些Zn2+的直接配體能通過(guò)氫鍵供體與CA中具有氫鍵受體的殘基相連，這些氫鍵受體稱(chēng)為非直接配體。直接配體與非直接配體相互作用，形成一個(gè)氫鍵網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠增強(qiáng)Zn2+的穩(wěn)定性，加強(qiáng)H2O、OH–對(duì)CO2的親核作用，更好地固定CO2，從而使酶的催化作用更高效。

CAⅡ的水合機(jī)制如圖5所示。CAⅡ?qū)O2的催化分為兩步[46]：①與Zn2+相連的H2O去質(zhì)子化形成EZnOH，EZnOH–能親核進(jìn)攻CO2，形成EZnHCO3–，HCO3–被H2O取代形成EZnH2O；②EZnH2O經(jīng)酶中的質(zhì)子轉(zhuǎn)運(yùn)體將H+轉(zhuǎn)運(yùn)至溶劑中，其轉(zhuǎn)運(yùn)是通過(guò)活性區(qū)域的His-64來(lái)實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)還原生成有催化活性的EZnOH–。

4.2 HCO3–-Cl–轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白對(duì)CO2傳遞的促進(jìn)作用

對(duì)人體紅細(xì)胞膜的研究發(fā)現(xiàn)，Cl–通道阻斷劑DIDS（4,4?-diisothiocyanato- stilbene-2,2?-disulfonic acid）降低了紅細(xì)胞膜的CO2滲透性[47]，這表明，紅細(xì)胞膜中的HCO3–-Cl–轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白與CO2的傳遞有關(guān)。

圖6為CO2進(jìn)入人體紅細(xì)胞的不同路徑，包括自由擴(kuò)散、通過(guò)AQP1和通過(guò)HCO3–-Cl–轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白3種方式。CO2進(jìn)入紅細(xì)胞以后，HCO3–-Cl–轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白末端的CAⅡ催化CO2水合，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成HCO3–和H+。H+通過(guò)Na+-H+載體蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)出細(xì)胞膜，而HCO3–通過(guò)HCO3–-Cl–轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)出紅細(xì)胞[48]。HCO3–-Cl–轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)作用提高了CO2的傳遞速率，加速了細(xì)胞內(nèi)的酸化過(guò)程。

綜上所述，在CO2濃度梯度較小的情況下，水通道蛋白和HCO3–-Cl–轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白有可能成為CO2的高親和位點(diǎn)，同時(shí)碳酸酐酶CA的存在加速了CO2的催化過(guò)程，三者對(duì)于CO2的跨膜運(yùn)輸均具有重要作用。

圖5 CAⅡ的水合機(jī)制

圖6 CO2進(jìn)入人體紅細(xì)胞的不同路徑示意圖

生物膜中的活性載體可以選擇性地促進(jìn)CO2的傳遞，受生物膜中促進(jìn)傳遞現(xiàn)象的啟發(fā)，可在分離膜中引入具有促進(jìn)傳遞效果的載體，通過(guò)待分離組分（如CO2）與載體之間發(fā)生可逆化學(xué)反應(yīng)而實(shí)現(xiàn)分離強(qiáng)化的目的，這樣的膜稱(chēng)為促進(jìn)傳遞膜[49]。促進(jìn)傳遞膜在一定程度上更接近于生物膜，與傳統(tǒng)分離膜相比具有很高的選擇性和較高的滲透性。因此，CO2促進(jìn)傳遞膜在碳捕集領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景[50]。

5　結(jié) 語(yǔ)

CO2在生物體內(nèi)的傳遞速率依賴(lài)于生物體細(xì)胞不同部位的傳遞阻力，其中跨膜運(yùn)輸?shù)淖枇υ诳倐鬟f阻力中占主要地位。盡管CO2跨膜運(yùn)輸?shù)臋C(jī)制仍存在科學(xué)上的較大爭(zhēng)議且很難在短期內(nèi)得出統(tǒng)一性的結(jié)論，但研究發(fā)現(xiàn)脂質(zhì)雙分子層運(yùn)輸CO2的規(guī)律并不適用于所有生物體內(nèi)的所有生物膜。CO2的跨膜運(yùn)輸既包含物理機(jī)制（溶解擴(kuò)散機(jī)制），同時(shí)包含化學(xué)機(jī)制（促進(jìn)傳遞機(jī)制）。換言之，除了自由擴(kuò)散以外，很大程度上還與水通道蛋白有關(guān)，且只有在膜對(duì)CO2自滲透性低的情況下，水通道蛋白對(duì)CO2的促進(jìn)傳遞才顯示出重要作用。水通道蛋白運(yùn)輸CO2有兩種可能的途徑，即四聚體的中央孔道和水通道，其中研究者更為認(rèn)可的途徑為四聚體的中央孔道，關(guān)于水通道蛋白內(nèi)是否存在其他的CO2通道還有待證實(shí)。此外，碳酸酐酶能催化CO2的水合反應(yīng)，某些細(xì)胞膜（如紅細(xì)胞膜）中的HCO3–-Cl–轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)作用也提高了CO2的傳遞速率，促進(jìn)了CO2的跨膜運(yùn)輸。

從分子層面上揭示CO2的傳遞機(jī)制，分析氣體分子如CO2如何進(jìn)出細(xì)胞、組織和生物體，需要借助實(shí)驗(yàn)技術(shù)、分析表征技術(shù)與模擬計(jì)算技術(shù)的共同發(fā)展來(lái)實(shí)現(xiàn)。上述研究進(jìn)展對(duì)于設(shè)計(jì)新型仿生膜材料、開(kāi)發(fā)高效的碳捕集技術(shù)具有重要和深遠(yuǎn)的意義。

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Research progress on the transfer mechanisms of CO2across biological membranes

JIANG Zhongyi1,2，ZHANG Ning1,2，HUANG Tong1,2，REN Yanxiong1,2，WANG Lei1,2，WANG Shaofei1,2
（1Collaborative Innovation Center of Chemical Science and Engineering（Tianjin），Tianjin 300072，China；2Key Laboratory for Green Chemical Technology of Ministry of Education，School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Abstract：CO2，as a vital metabolic product and reaction substrate in living organisms，can make gas exchange with external environment，which is crucial to ensure the normal physiological activities of living organisms. The transfer of CO2in organisms，especially in cells，is of great significance for controlling the emission of CO2，constructing efficient carbon cycle and exploring the carbon capture technology. This review presents a brief overview of the research progress on CO2transport mechanisms in organisms，including the detailed analysis of different models about the CO2transmembrane transport mechanisms，and in particular the facilitated transport of CO2by aquaporin protein，with the conclusion that the aquaporin-mediated CO2permeation plays an important role in membrane with a low intrinsic CO2permeability. Recent researches also show that the water channels and central pore along the fourfold axis of the tetramer of aquaporin are supposed to function in the CO2transmembrane transport. Moreover，the existence of carbonic anhydrase and HCO3–-Cl–transporter can accelerate intracellular acidification process，thus increase the CO2transmembranetransport rate. This review could offer theoretical reference for developing newbiomimetic membrane materials and carbon capture technology.

Key words：carbon dioxide；biofilm；solution-diffusion；aquaporin；facilitated transport

中圖分類(lèi)號(hào)：Q 241

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000–6613（2016）06–1845–07

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.06.026

收稿日期：2016-01-29；修改稿日期：2016-03-12。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（91534126）、國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（2012AA03A611）及國(guó)家杰出青年科學(xué)基金（21125627）項(xiàng)目。