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        關(guān)于汞在微生物中跨膜運(yùn)輸?shù)臋C(jī)理研究

        2017-11-28 19:16:59王謙謙
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào) 2017年28期
        關(guān)鍵詞:微生物機(jī)理

        王謙謙

        摘 要:汞是一種毒性很強(qiáng)的重金屬元素,不論是無機(jī)汞,還是有機(jī)汞,全部都帶有毒性,特別是甲基汞這種有機(jī)化合物,其具備高神經(jīng)毒性、強(qiáng)親脂性,能夠通過食物鏈生物富集而進(jìn)入人體,進(jìn)而給人體造成極為嚴(yán)重的損害。因此,通過研究汞在微生物中跨膜運(yùn)輸?shù)臋C(jī)理,能為人體汞中毒診療方案的開發(fā)提供可靠的理論支持,對(duì)醫(yī)學(xué)事業(yè)的發(fā)展有著十分重要的意義。本文通過對(duì)汞在微生物中跨膜運(yùn)輸?shù)穆窂竭M(jìn)行分析,研究了汞在微生物中跨膜運(yùn)輸?shù)臋C(jī)理,希望能為我國(guó)生物水平的進(jìn)一步提升做出貢獻(xiàn)。

        關(guān)鍵詞:汞 微生物 跨膜運(yùn)輸 機(jī)理

        中圖分類號(hào):TQ13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2017)10(a)-0105-02

        汞不論是哪種形態(tài),都具有毒性,研究汞在微生物中跨膜運(yùn)輸?shù)臋C(jī)理,對(duì)防治人體汞中毒具有十分重要的意義。

        1 汞在微生物中跨膜運(yùn)輸?shù)穆窂窖芯?/p>

        無機(jī)汞在環(huán)境中的甲基化形式主要有兩種,分別是生物甲基化與非生物甲基化,由于非生物甲基化的概率非常低,在自然條件下基本可以進(jìn)行忽略,而最主要的便是汞在微生物中的生物甲基化作用。生物甲基化作用會(huì)對(duì)微生物細(xì)胞中的細(xì)胞進(jìn)行作用,從而使其細(xì)胞質(zhì)產(chǎn)生變化,而在細(xì)胞質(zhì)產(chǎn)生變化的過程中,就必然要涉及到汞在微生物的跨膜運(yùn)輸。經(jīng)過大量的研究表明,汞在微生物中跨膜運(yùn)輸?shù)穆窂街饕?種,其一是Mer抗汞操縱子轉(zhuǎn)運(yùn)體系,其二是被動(dòng)擴(kuò)散,其三是促進(jìn)擴(kuò)散,其四是主動(dòng)運(yùn)輸。

        Mer抗汞操縱子轉(zhuǎn)運(yùn)體系的研究是當(dāng)前科學(xué)界研究最為透徹的一種跨膜運(yùn)輸路徑,微生物之所以會(huì)產(chǎn)生Mer抗汞操縱子轉(zhuǎn)運(yùn)體系,是由于微生物在長(zhǎng)期的汞毒環(huán)境中自行演化出的一種較為特殊的基因系統(tǒng)。對(duì)這種運(yùn)輸路徑的研究最初起源于20世紀(jì)60年代,主要是研究細(xì)菌對(duì)有機(jī)汞與無機(jī)汞的抗性,雖然對(duì)這一路徑的研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展,但科學(xué)家仍舊有許多問題需要解決。有大量研究表明,電位差或濃度差可以對(duì)汞離子進(jìn)行驅(qū)動(dòng),使其能夠不依靠任何特定載體或轉(zhuǎn)運(yùn)介質(zhì)進(jìn)行協(xié)助就能進(jìn)行跨膜運(yùn)輸,而跨膜運(yùn)輸?shù)娜^程不需要耗費(fèi)能量,而這種跨膜運(yùn)輸路徑變被稱為被動(dòng)擴(kuò)散路徑。當(dāng)前有許多科學(xué)家都認(rèn)為汞離子化合物及汞硫配合物會(huì)通過被動(dòng)擴(kuò)散的方式進(jìn)入到微生物的細(xì)胞當(dāng)中,這也是目前最主流也最被廣為接受的跨膜運(yùn)輸路徑。近些年來,有許多研究結(jié)果表明,汞離子可以通過其他路徑來進(jìn)行跨膜運(yùn)輸,有科學(xué)家提出,汞離子可以通過促進(jìn)擴(kuò)散路徑來進(jìn)行跨膜運(yùn)輸,目前,針對(duì)汞離子在擴(kuò)散路徑下是如何進(jìn)行跨膜運(yùn)輸?shù)难芯咳耘f較小,并且這一路徑也只是以鐵還原菌作為研究對(duì)象而得出的。

        2 汞在微生物中的跨膜運(yùn)輸?shù)臋C(jī)理研究

        2.1 Mer抗汞操縱子轉(zhuǎn)運(yùn)體系

        Mer抗汞操縱子轉(zhuǎn)運(yùn)體系是通過對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)行調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)對(duì)汞離子的吸收的,在Mer抗汞操縱子轉(zhuǎn)運(yùn)體系中,主要的調(diào)節(jié)蛋白為MerP轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、MerA轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白及MerT轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,這三種蛋白的調(diào)節(jié)起到了至關(guān)重要的作用。其中MerP轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白位于細(xì)胞周質(zhì)中,其編碼蛋白為二聚體,而MerA轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白則位于細(xì)胞內(nèi),其內(nèi)部含有汞還原酶,其編碼的蛋白為二聚體,MerT轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白位于細(xì)胞膜中,其編碼的蛋白為三聚體。處于細(xì)胞周質(zhì)中的MerP轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白會(huì)和進(jìn)行連接,并將其中的汞離子傳遞到MerT轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白當(dāng)中去,MerT轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白又會(huì)將汞離子傳遞到MerA轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白當(dāng)中去,使汞離子與MerA轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白產(chǎn)生還原反應(yīng),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了汞在微生物細(xì)胞中的跨膜運(yùn)輸。在Mer抗汞操縱子轉(zhuǎn)運(yùn)體系中,可以知道,MerP和MerT轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白主要用于對(duì)汞離子的運(yùn)輸,實(shí)現(xiàn)了汞在細(xì)胞周質(zhì)跨入到了細(xì)胞膜中,并由MerT轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白將汞離子跨膜運(yùn)送到了MerA轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白當(dāng)中,在這其中,MerA對(duì)產(chǎn)生了非常重要的作用,這是因?yàn)镸erA中存在二價(jià)汞還原酶,這種酶是一種脫毒蛋白酶,酶中的NADPH為電子供體,它能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)汞離子的還原,從而使原本毒性很高的離子態(tài)二價(jià)汞被還原為零價(jià)元素汞,而零價(jià)元素汞不僅毒性較低,而且揮發(fā)性很高,因此會(huì)被細(xì)胞排出,然后揮發(fā)到大氣中。

        2.2 被動(dòng)擴(kuò)散跨膜運(yùn)輸機(jī)理

        自由擴(kuò)散有三大特點(diǎn),其一是沿濃度梯度進(jìn)行擴(kuò)散,其二是不需要提供能量,其三是膜蛋白不會(huì)協(xié)助進(jìn)行擴(kuò)散??茖W(xué)界經(jīng)過大量的研究表明,汞的甲基化過程是一種非抗汞機(jī)制,并且能夠通過被動(dòng)擴(kuò)散的方式來進(jìn)行跨膜運(yùn)輸。汞在被動(dòng)擴(kuò)散的跨膜運(yùn)輸機(jī)理為,當(dāng)無機(jī)汞在進(jìn)入微生物時(shí),會(huì)使汞離子從生物膜的高濃度側(cè)向著低濃度側(cè)進(jìn)行擴(kuò)散,從而進(jìn)入到微生物的細(xì)胞周質(zhì),在進(jìn)入細(xì)胞周質(zhì)以后,汞離子會(huì)繼續(xù)通過被動(dòng)擴(kuò)散的方式進(jìn)入到細(xì)胞質(zhì)。有很大一部分科學(xué)家認(rèn)為,汞離子化合物中,有許多汞化合物具備不帶電、膜透性高、分子量小的特點(diǎn),例如氯化汞化合物、汞硫配合物等。特別是汞硫配合物,能夠通過被動(dòng)擴(kuò)散的方式進(jìn)入到微生物的細(xì)胞當(dāng)中。而這也被大部分科學(xué)家所接受。汞硫配合物的形成,說明汞極易與硫分子產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),特別是還原態(tài)硫,并且在產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的過程中形成水溶性的配合物或是難溶性的沉淀物。為此,有科學(xué)家建立了汞生物可利用性模型,并對(duì)汞硫配合物進(jìn)行了假設(shè)和推導(dǎo),從而再次證明了不帶電荷的小分子汞化合物可能會(huì)通過被動(dòng)擴(kuò)散的方式進(jìn)入到細(xì)胞質(zhì)中產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。

        2.3 促進(jìn)擴(kuò)散跨膜運(yùn)輸機(jī)理

        近些年來,有研究表明,汞離子能夠通過促進(jìn)擴(kuò)散的方式來完成跨膜運(yùn)輸。汞離子通過促進(jìn)擴(kuò)散的跨膜運(yùn)輸機(jī)理是指某些自身不帶電荷的汞離子化合物會(huì)通過跨膜蛋白質(zhì)泵而促進(jìn)擴(kuò)散,進(jìn)而使這些汞離子化合物進(jìn)入到微生物細(xì)胞質(zhì)當(dāng)中。促進(jìn)擴(kuò)散的方式與被動(dòng)擴(kuò)散的路徑的相同點(diǎn)在于,汞離子化合物都是順著電化學(xué)濃度梯度或順濃度來進(jìn)行擴(kuò)散的,并且汞離子不會(huì)消耗ATP就進(jìn)入到細(xì)胞膜內(nèi)。不過,促進(jìn)擴(kuò)散的跨膜運(yùn)輸方式只對(duì)非脂溶性汞化合物有效,并且是借助于膜蛋白泵來完成跨膜運(yùn)輸?shù)摹?/p>

        2.4 汞在微生物中主動(dòng)跨膜運(yùn)輸機(jī)理

        Morel團(tuán)隊(duì)在2011年對(duì)微生物的主動(dòng)運(yùn)輸模式進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)微生物能夠通過主動(dòng)運(yùn)輸?shù)姆绞絹韺?shí)現(xiàn)對(duì)泵的跨膜運(yùn)輸,而這無穎是重大發(fā)現(xiàn)之一。這說明,微生物能夠利用依賴能量的蛋白泵來實(shí)現(xiàn)對(duì)汞化合物的運(yùn)輸,汞在微生物中主動(dòng)跨膜運(yùn)輸?shù)臋C(jī)理是,汞離子化合物順濃度梯度或逆濃度梯度,在能量與載體蛋白的雙重作用下將汞離子運(yùn)出或運(yùn)進(jìn)細(xì)胞膜。在汞離子化合物中有許多不能自由通過磷脂雙分子層,因此,這些汞離子化合物會(huì)利用載體蛋白來將其從低濃度的一側(cè)運(yùn)輸?shù)礁邼舛鹊囊粋?cè),并且在運(yùn)輸?shù)倪^程中需要消耗微生物細(xì)胞中化學(xué)反應(yīng)所釋放出的能量。而這也說明某些汞離子化合物會(huì)與微生物細(xì)胞中的結(jié)構(gòu)域有較強(qiáng)的親和性,這些與其親和的汞離子化合物會(huì)與載體蛋白進(jìn)行固定,載體蛋白會(huì)改變空間結(jié)構(gòu)并與汞離子化合物的結(jié)構(gòu)域進(jìn)行結(jié)合,然后進(jìn)入到微生物的細(xì)胞膜中打開,從而就實(shí)現(xiàn)了微生物對(duì)汞離子的主動(dòng)運(yùn)輸。

        總而言之,通過對(duì)汞在微生物中的四種跨膜運(yùn)輸路徑進(jìn)行分析,研究其跨膜運(yùn)輸機(jī)理,對(duì)研究細(xì)胞中汞形成甲基汞的整個(gè)反應(yīng)過程具有十分重要的意義。近些年來,雖然有許多研究都表明汞會(huì)通過促進(jìn)擴(kuò)散與主動(dòng)運(yùn)輸?shù)穆窂絹韺?shí)現(xiàn)跨膜運(yùn)輸,不過也僅僅只是在個(gè)別的團(tuán)隊(duì)中進(jìn)行了研究,其研究結(jié)果仍舊需要被進(jìn)一步的證實(shí)。并且汞在微生物跨膜運(yùn)輸過程中仍舊有許多問題無法進(jìn)行解釋,汞在微生物中是否還存在其他跨膜運(yùn)輸方式,也仍舊有待進(jìn)一步的考證。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 杜紅霞,Yasuo Igarashi,王定勇.汞在微生物中的跨膜運(yùn)輸機(jī)制研究進(jìn)展[J].微生物學(xué)報(bào),2014,54(10):1109-1115.

        [2] 任春梅,程兆榜,魏利輝,等.兩種麥類土傳花葉病毒外殼蛋白葉綠體離體跨膜運(yùn)輸[J].麥類作物學(xué)報(bào),2012,32(1):163-167.endprint

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