史 喆

高中生物2019 人教版新教材必修一《分子與細(xì)胞》第四章生物科學(xué)史話中提道:從1988 年美國科學(xué)家阿格雷成功將構(gòu)成水通道的蛋白質(zhì)分離出來之后,許多科學(xué)家開展了對動植物以及原核細(xì)胞質(zhì)膜上水通道的研究,目前在人體細(xì)胞中就有13 種水通道蛋白,植物擬南芥中已發(fā)現(xiàn)35 中水通道蛋白。20 世紀(jì)60 年代到80 年代,科學(xué)家在動植物細(xì)胞中通過膜片鉗法證實了離子通道的存在,1998 年美國科學(xué)家麥金農(nóng)解析鉀離子通道蛋白的立體結(jié)構(gòu),另外 鈉離子、鈣離子等離子通道不斷被發(fā)現(xiàn)和了解,物質(zhì)跨膜方式在教材第四章有專門的介紹,協(xié)助擴(kuò)散和主動運輸兩種方式中涉及了載體蛋白和通道蛋白的幫助,這兩類膜轉(zhuǎn)運蛋白的具體區(qū)別也出現(xiàn)在高考題以及模擬題中,比如19 年全國2 卷第3 題,由于教材受到篇幅的限制,介紹的較少,學(xué)生對兩類轉(zhuǎn)運蛋白有些方面是混淆的,不易區(qū)分的,但是兩類轉(zhuǎn)運蛋白在物質(zhì)跨膜運輸?shù)姆绞缴蠀s是不完全相同的,因此給我們高中教學(xué)帶來了困惑,下面筆者就這兩類膜轉(zhuǎn)運蛋白的區(qū)別,以及水通道蛋白的發(fā)現(xiàn)和蛋白的結(jié)構(gòu)做一個簡單地介紹。

一、載體蛋白與通道蛋白的區(qū)別

1.概念不同:如圖1 所示載體蛋白只容許與自身結(jié)合部位相適應(yīng)的分子或離子通過。每次轉(zhuǎn)運時都會發(fā)生自身構(gòu)象的改變。通道蛋白是形成通道,而且只容許與自身通道的直徑和形狀相適配、大小和電荷相適宜的分子或離子通過。

2.特點不同:載體蛋白是以溶質(zhì)的結(jié)構(gòu)與自身的空間構(gòu)象相結(jié)合來進(jìn)行辨別的,與特異的溶質(zhì)結(jié)合,通過自身結(jié)構(gòu)的改變來實現(xiàn)物質(zhì)跨膜的,并且具有高度的選擇性,類似于酶與底物作用的鑰匙學(xué)說,如圖2 所示載體蛋白可以通過構(gòu)象改變達(dá)到狀態(tài)的轉(zhuǎn)化。另外:不同生物體的不同組織的生物膜含有與各自功能相適應(yīng)的載體蛋白,如圖3 。

通道蛋白是形成親水性的通道來介導(dǎo)特異性物質(zhì)的跨膜蛋白,能形成高效性、選擇性的跨膜蛋白。根據(jù)物質(zhì)的大小和電荷進(jìn)行辨別,自身的構(gòu)象不改變。通道處于關(guān)閉狀態(tài),足夠小的,帶有適當(dāng)電荷的分子或離子也不能通過。通道蛋白包括三種類型:離子通道(ion channel)、孔蛋白(porin)、水孔蛋白(aquaporin AQP)。

如圖4 所示的三種通道,實際上大多數(shù)通道蛋白都是離子通道,例如:必修3 課本第二章第一節(jié)通過神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)中靜息電位鉀離子的外流以及動作電位鈉離子的內(nèi)流都是通過離子通道完成的跨膜運輸?？椎鞍纵^多存在于線粒體和葉綠體上,轉(zhuǎn)運底物時,通道蛋白形成選擇性和門控性的跨膜通道。

3.對象不同:載體蛋白在實際運轉(zhuǎn)中可以實現(xiàn)介導(dǎo)被動運輸,也可以通過介導(dǎo)來實現(xiàn)逆濃度、逆化學(xué)梯度的運輸。而通道蛋白智能通過介導(dǎo)來實現(xiàn)順濃度、順化學(xué)梯度來進(jìn)行被動運輸。在整個過程中由于性質(zhì)不同,所采用的運輸方式也有所不同。在被動運輸中,電化學(xué)梯度是指濃度梯度和電位梯度的綜合。例如,在生物細(xì)胞中,濃度梯度和電化學(xué)梯度是共同進(jìn)行的,也是同時存在的。在質(zhì)子跨膜運轉(zhuǎn)中出現(xiàn)了大量的質(zhì)子,從而在進(jìn)行被動運輸時還會出現(xiàn)生電作用,從而實現(xiàn)電壓的產(chǎn)生。由于質(zhì)子內(nèi)膜中的含量不同,導(dǎo)致內(nèi)膜兩側(cè)出現(xiàn)了顯著的變化,溶解酶在兩側(cè)出現(xiàn)了重要的區(qū)別。

4.轉(zhuǎn)運的速率不同:通道戴白的轉(zhuǎn)化速率較高,在規(guī)定的時間內(nèi)可以實現(xiàn)每一秒106 個離子,是載體蛋白實現(xiàn)最高速率背景下的1000 倍。由此,兩者之間轉(zhuǎn)運的速率也產(chǎn)生了巨大的差別。而轉(zhuǎn)運的速率與物質(zhì)濃度存在一定的聯(lián)系,由于速率之間的巨大差異,也導(dǎo)致通道蛋白在結(jié)構(gòu)和狀態(tài)在細(xì)胞內(nèi)外各種物質(zhì)的影響下,可以快速地失活或者被激活開放,而載體蛋白并沒有這一特點。

二、水通道蛋白(AQP)的發(fā)現(xiàn)

1988 年美國科學(xué)家阿格雷在人體紅細(xì)胞膜上發(fā)現(xiàn)一種28kDa的疏水跨膜蛋白,把此蛋白的CDNA 導(dǎo)入非洲爪蟾卵母細(xì)胞并表達(dá)后,發(fā)現(xiàn)卵母細(xì)胞在低滲溶液中迅速吸水膨脹,速度極快,從而證實了這疏水跨膜蛋白是一種水通道。

水通道蛋白是位于內(nèi)在膜上的蛋白,在各種特異性組織中,提供了水分子的快速跨膜轉(zhuǎn)運的通道。比如:人體唾液腺細(xì)胞、汗腺細(xì)胞以及腎小管上皮細(xì)胞的質(zhì)膜上存在著各種水通道蛋白,阿格雷當(dāng)時發(fā)現(xiàn)的這種蛋白是由4 個亞基組成四聚體,每個亞基是由6 個跨膜α 螺旋組成。每個亞基單獨形成一個供水分子運動的中央孔,直徑大于水分子。如圖5 所示一個亞基的6 個跨膜α 螺旋的兩個NPA 保守序列構(gòu)成一個通道,因為第一個被發(fā)現(xiàn),所以英文縮寫AQP1,AQP1 的三維結(jié)構(gòu)是 “沙漏” 模式,包含NPA 的 B、E 環(huán)折返穿入脂質(zhì)雙分子層,并且與鄰近的跨膜區(qū)形成半個孔道(hemi-pore -1、2),彼此對稱分布構(gòu)成一個狹窄的分子通道,而 NPA 序列則位于通道的核心 。水通道蛋白的水孔直徑小,由于靜電排斥形成氫鍵的質(zhì)子屏障,如圖6。

到目前,科學(xué)家們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)人體呼吸系統(tǒng)也存在AQP1,主要參與構(gòu)成血氣屏障氣體側(cè)的水分子通道。消化系統(tǒng)中唾液腺血管唾液分泌、肝內(nèi)膽管上皮細(xì)胞膽汁分泌、眼組織里角膜、晶狀體、虹膜和視網(wǎng)膜上都存在水通道。通道蛋白的研究,進(jìn)一步揭示通道蛋白的作用機(jī)制,探索調(diào)控通道蛋白的藥物,以治療疾病,維護(hù)人類健康。

以上是對兩種膜轉(zhuǎn)運蛋白區(qū)別的分析,這些區(qū)別的發(fā)現(xiàn)離不開許多科學(xué)家前赴后繼的研究,相信通過理解這兩類蛋白的特點和結(jié)構(gòu)功能,在高中教學(xué)中一定能指導(dǎo)學(xué)生區(qū)分、識別,從而更好地掌握細(xì)胞的物質(zhì)輸入和輸出。