葡萄糖與氨基酸的跨膜轉(zhuǎn)運機制

1、葡萄糖與氨基酸的跨膜轉(zhuǎn)運機制 物質(zhì)的跨膜運輸是高考的一個高頻考點，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)：近5年在新課標全國卷中出現(xiàn)的頻率為0.8，剛好最近正在指導(dǎo)學(xué)生的“物質(zhì)跨膜方式”的相關(guān)復(fù)習(xí)，感覺學(xué)生對這方面的理解沒有一個很好的邏輯，判斷跨膜輸運方式純粹靠背誦記憶，非常機械，不能站在生命系統(tǒng)的范圍去理解，缺乏生命觀念和科學(xué)思維。為了讓學(xué)生在復(fù)習(xí)后對跨膜運輸有個清晰的認識和理解，徹底突破瓶頸，備課時我特意查閱了一些知網(wǎng)上的文獻。先說一下我的總體思路：生物膜的成分生物膜的結(jié)構(gòu)（流動鑲嵌模型）物質(zhì)的跨膜運輸。一、舉例分析：氧氣、二氧化碳、氮氣、水、乙醇（共性：比磷脂分子的縫隙小，自由穿過）苯、 甘油（共性：脂溶性

2、，與磷脂互溶，也自由穿過）氨基酸、葡萄糖、核苷酸（較大（比縫隙大）：需借助蛋白質(zhì)）鈉離子、鉀離子（離子很小，但溶液中水合離子較大（比縫隙大）：需借助蛋白質(zhì)）大分子物質(zhì)（大過膜蛋白：需借助囊泡）二、歸納：1.很小的分子和脂溶性物質(zhì)：自由擴散。比如2.不大不小的：借助蛋白質(zhì)（載體蛋白和通道蛋白），比如3.很大很大的：借助囊泡（胞吞和胞吐），比如提示：水分子跨膜運輸?shù)姆绞剑鹤杂蓴U散和水通道蛋白介導(dǎo)的協(xié)助擴散（做題時，如題干沒有信息提示，一般認為水分子跨膜運輸?shù)姆绞绞亲杂蓴U散）。三、擺事實（資料）小腸上皮細胞靠近腸腔一端的細胞膜呈“刷”狀，這大大增加了細胞膜的表面積，有人經(jīng)過計算，發(fā)現(xiàn)小腸的吸收面積如

3、果全部展開，足有400平方米之大。這么大的吸收面積，足以導(dǎo)致食物分解后在局部形成的葡萄糖濃度比小腸上皮細胞中的要低。還有腎小管上皮細胞對葡萄糖的重吸收也是如此。（方式：主動運輸）由于主動運輸?shù)脑颍∧c上皮細胞的葡萄糖濃度明顯大于組織液中的葡萄糖濃度。（方式：協(xié)助擴散）葡萄糖是體內(nèi)的主要供能物質(zhì)，通過在細胞內(nèi)氧化磷酸化生成ATP供組織細胞利用。因此，全身的組織細胞均具有攝取葡萄糖的能力。由于攝取進細胞內(nèi)的葡萄糖馬上被氧化磷酸化成6-磷酸葡萄糖，使細胞內(nèi)的葡萄糖濃度要低于血糖濃度，因此葡萄糖被細胞攝取是順濃度差的過程。（方式：協(xié)助擴散）提示：氨基酸和葡萄糖的跨膜運輸類似。四、得結(jié)論葡萄糖的跨膜轉(zhuǎn)

4、運實例告訴我們：生命現(xiàn)象的復(fù)雜性遠遠超過課本的描述，物質(zhì)進出細胞的方式是很復(fù)雜的，要具體問題具體分析。水分子的跨膜也要如此，具體問題具體分析，若有水通道蛋白介導(dǎo)就是協(xié)助擴散，若沒有通道蛋白介導(dǎo)就是自由擴散。離子進出細胞的方式也是很復(fù)雜的，有主動運輸也有協(xié)助擴散。例如，神經(jīng)細胞“膜內(nèi)K+濃度高，膜外Na+濃度高”這一狀態(tài)是靠鈉鉀泵主動運輸實現(xiàn)和維持的，但神經(jīng)細胞靜息時K+外流方式以及興奮時Na+內(nèi)流方式卻是協(xié)助擴散。還有由離子通道蛋白介導(dǎo)的也是協(xié)助擴散。結(jié)論：生命活動是復(fù)雜的，也是多樣的。某種物質(zhì)的跨膜方式不是絕對，要具體問題具體分析，關(guān)鍵看環(huán)境：是順濃度還是逆濃度發(fā)生。最后附上我在知網(wǎng)上找的一

5、篇重要文章：葡萄糖與氨基酸的跨膜轉(zhuǎn)運機制騰旭，徐國恒(北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部生理系北京100083)1 葡萄糖的跨膜轉(zhuǎn)運機制葡萄糖是體內(nèi)最主要的供能物質(zhì)，因其為極性物質(zhì)，不能自由通過細胞膜，故其跨膜轉(zhuǎn)運需由細胞膜上特殊的蛋白質(zhì)(載體)協(xié)助。但在機體內(nèi)的不同部位，其轉(zhuǎn)運機制有所不同，下面分別介紹機體內(nèi)不同部位葡萄糖的跨膜轉(zhuǎn)運機制。1.1 葡萄糖的吸收在消化道的跨膜轉(zhuǎn)運機制葡萄糖主要在小腸上部吸收，回腸也具有吸收葡萄糖的能力，但通常只是作為葡萄糖吸收的儲備。葡萄糖的吸收可以人為分為2個步驟：首先是小腸腔內(nèi)的葡萄糖通過紋狀緣轉(zhuǎn)運到小腸上皮細胞內(nèi)隨后再通過基底膜一側(cè)膜由上皮細胞內(nèi)轉(zhuǎn)運至細胞

6、間隙，通過毛細血管吸收(圖1) 紋狀緣的Na+/葡萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運載體葡萄糖由小腸腔轉(zhuǎn)運到上皮細胞的過程需要一種稱為Na+/葡萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運載體(Na+/glucosecotransporter，SGLT)的參與。SGLT目前發(fā)現(xiàn)有6種亞型，分別命名為SGLTI-6，分布于小腸參與葡萄糖吸收的是SGLTl。這種載體最早發(fā)現(xiàn)于20世紀80年代初期，是存在于小腸上皮細胞紋狀緣的一種膜蛋A，Wright等在1990年前后從家兔小腸上皮細胞的cDNA文庫中篩選克隆出該蛋白，分子量約為73x10s，含有662個氨基酸殘基，命名為SGLTl。該載體具有同向轉(zhuǎn)運Na+和葡萄糖的能力，能夠同時結(jié)合小腸腔內(nèi)

7、的2分子Na+和1分子葡萄糖，并將其轉(zhuǎn)運至小腸上皮細胞內(nèi)(圖2)。由于消化液的稀釋作用，進餐一段時間后，腸腔內(nèi)的葡萄糖濃度能夠降低至2mmol/L，低于小腸上皮細胞內(nèi)葡萄糖濃度。故葡萄糖由小腸腔轉(zhuǎn)運至上皮細胞內(nèi)為逆濃度差轉(zhuǎn)運，需要有額外的能量用于克服濃度差，此能量來源于Na+順濃度差轉(zhuǎn)運時提供的濃度勢能。小腸腔內(nèi)Na+的濃度約為142mmol/L，而小腸上皮細胞內(nèi)的Na+濃度僅為50mmol/L，因此當(dāng)Na+從小腸腔順濃度差向小腸上皮細胞內(nèi)轉(zhuǎn)運時，釋放出其儲備的濃度勢能，此能量供給葡萄糖的逆濃度差轉(zhuǎn)運。而小腸上皮細胞內(nèi)低Na+環(huán)境的維持依賴于上皮細胞基底膜一側(cè)膜鈉泵的活動，鈉泵通過分解三磷酸腺

8、苷(ATP)提供能量逆濃度差轉(zhuǎn)運Na+，維持細胞內(nèi)的低Na+環(huán)境。鈉泵每分解1分子ATP能夠?qū)?分子Na+逆濃度差轉(zhuǎn)運至細胞外，同時將2分子K+逆濃度差轉(zhuǎn)運至細胞內(nèi)。因此，葡萄糖通過紋狀緣時，SGLTl雖然不分解ATP，但其轉(zhuǎn)運動力來源于鈉泵分解ATP所形成的細胞內(nèi)外Na+濃度勢能儲備，故葡萄糖在紋狀緣的轉(zhuǎn)運仍然是需要消耗ATP的，屬于繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運。1.1.2 基底膜-側(cè)膜的葡萄糖轉(zhuǎn)運載體葡萄糖由小腸上皮細胞內(nèi)轉(zhuǎn)運至細胞間隙需要葡萄糖轉(zhuǎn)運載體2(glucosetransporter，GLUT2)的協(xié)助(圖3)。GLUT2是Thorens等1988年篩選克隆出的一種膜蛋白，分子量為6

9、1×10，定位于小腸上皮細胞的基底膜一側(cè)膜此外，GLUT2還表達于肝臟、胰島細胞和腎小管。GLUT2轉(zhuǎn)運葡萄糖不需要Na+的參與。其特異性較低，除轉(zhuǎn)運葡萄糖外，還能夠轉(zhuǎn)運半乳糖、果糖等。隨著小腸腔內(nèi)的葡萄糖不斷轉(zhuǎn)運至小腸上皮細胞內(nèi)，細胞內(nèi)的葡萄糖濃度不斷升高，當(dāng)細胞內(nèi)葡萄糖濃度超過血糖濃度后，其在基底膜一側(cè)膜GLUT2的協(xié)助下由小腸上皮細胞內(nèi)順濃度差轉(zhuǎn)運至細胞間隙，隨后通過毛細血管壁進入血液循環(huán)被吸收。因此，葡萄糖通過基底膜一側(cè)膜時所需的能量來源于自身的濃度勢能，不需要額外消耗ATP，屬于載體介導(dǎo)的易化擴散。1.2 葡萄糖的重吸收在腎小管的跨膜轉(zhuǎn)運機制葡萄糖只在近端腎小管重

10、吸收，其吸收機制類似于葡萄糖在消化道的吸收，只是參與的載體亞型有所不同。葡萄糖在近端腎小管的重吸收過程也可以人為地分為2個步驟，首先是腎小管內(nèi)的葡萄糖通過刷狀緣進入腎小管上皮細胞內(nèi)，隨后腎小管上皮細胞內(nèi)的葡萄糖通過基底膜一側(cè)膜轉(zhuǎn)運至細胞間隙，通過腎小管周圍毛細血管吸收。葡萄糖通過近端腎小管刷狀緣的機制與通過小腸上皮細胞紋狀緣的機制相同，同樣是與Na+協(xié)同地繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運。由于基底膜一側(cè)膜上鈉泵的活動導(dǎo)致腎小管上皮細胞內(nèi)的低Na+環(huán)境，Na+由小管腔內(nèi)向腎小管上皮細胞內(nèi)順濃度差轉(zhuǎn)運時所釋放的濃度勢能，供給葡萄糖逆濃度差由小管腔進入腎小管上皮細胞。參與此過程的轉(zhuǎn)運載體是SGLT6種亞型中的SGLT

11、1和SGLT2，其中以低親和力但高轉(zhuǎn)運效率的SGLT2為主。此外，也有研究者認為SGLT3可能參與腎小管刷狀緣的葡萄糖跨膜轉(zhuǎn)運。進入腎小管上皮細胞的葡萄糖通過基底膜一側(cè)膜進入細胞間隙的機制是載體介導(dǎo)的異化擴散，腎小管上皮細胞內(nèi)的葡萄糖順濃度梯度在轉(zhuǎn)運載體的協(xié)助下轉(zhuǎn)運至細胞間隙。參與此過程的轉(zhuǎn)運載體是GLUT1和GLUT2。1.3 葡萄糖的攝取利用在其他組織細胞的跨膜轉(zhuǎn)運機制葡萄糖是體內(nèi)的主要供能物質(zhì)，通過在細胞內(nèi)氧化磷酸化生成ATP供組織細胞利用。因此，全身的組織細胞均具有攝取葡萄糖的能力。由于攝取進細胞內(nèi)的葡萄糖不斷地被氧化磷酸化，使細胞內(nèi)的葡萄糖濃度要低于血糖濃度，因此葡萄糖被細

12、胞攝取是順濃度差的過程，不需要額外消耗能量，其機制為載體介導(dǎo)的異化擴散，參與此過程的轉(zhuǎn)運載體為GLUT。需要注意的是，GLUT轉(zhuǎn)運葡萄糖是雙向性的，既可以將葡萄糖轉(zhuǎn)運至細胞內(nèi)，也可以將細胞內(nèi)的葡萄糖轉(zhuǎn)運出來，其方向取決于細胞內(nèi)外的葡萄糖濃度，即GLUT始終是順濃度差轉(zhuǎn)運葡萄糖。GLUT目前共發(fā)現(xiàn)14個亞型，分別命名為GLUT114，根據(jù)各亞型的結(jié)構(gòu)和功能特點，將其分為3個亞家族。其中，GLUT1是最早發(fā)現(xiàn)的葡萄糖轉(zhuǎn)運載體，幾乎分布于全身各組織細胞。在紅細胞膜和腦血管內(nèi)皮細胞內(nèi)表達水平最高，是機體組織細胞攝取葡萄糖最主要的轉(zhuǎn)運載體。除GLUT1外，其他GLUT的亞型分布均具有組織特異性，例如GL

13、UT4只分布于胰島素敏感組織(心臟、骨骼肌和脂肪組織)。胰島素能夠刺激GLUT4由細胞內(nèi)轉(zhuǎn)位至細胞膜，使細胞攝取葡萄糖的能力迅速提高1020倍，因此，GLUT4可能成為糖尿病的治療靶點，是目前的研究熱點之一。需要注意的是，并不是每個GLUT的亞型都參與葡萄糖的跨膜轉(zhuǎn)運，例如，GLUT5分布于小腸，但沒有轉(zhuǎn)運葡萄糖的能力，而是參與果糖的跨膜轉(zhuǎn)運，可能與果糖在小腸的吸收有關(guān)。2 氨基酸的跨膜轉(zhuǎn)運機制氨基酸與葡萄糖均屬于機體內(nèi)重要的小分子極性物質(zhì)，同樣不能自由通過細胞膜，需要細胞膜上相應(yīng)的轉(zhuǎn)運蛋白的協(xié)助其轉(zhuǎn)運機制與葡萄糖相似，也包括與Na+協(xié)同地繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運和載體介導(dǎo)的易化擴散2種機制。

14、其中，與Na+協(xié)同地繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運主要參與氨基酸在小腸紋狀緣和腎小管刷狀緣的轉(zhuǎn)運；載體介導(dǎo)的易化擴散主要參與全身組織細胞對氨基酸的攝取利用，以及小腸上皮細胞內(nèi)和腎小管上皮細胞內(nèi)的氨基酸向細胞間隙的轉(zhuǎn)運。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的氨基酸轉(zhuǎn)運載體有數(shù)10種之多，根據(jù)其轉(zhuǎn)運氨基酸種類的不同，可以分為三大類：中性氨基酸轉(zhuǎn)運載體、堿性氨基酸轉(zhuǎn)運載體和酸性氨基酸轉(zhuǎn)運載體。再根據(jù)載體轉(zhuǎn)運是否依賴于Na+，每大類載體又可以分為Na+依賴的和非Na+依賴的2類。每類中的氨基酸轉(zhuǎn)運載體又可以根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同進一步細分為不同的型和亞型例如，Na+依賴的中性氨基酸轉(zhuǎn)運載體就包括A、ASC、N、BETA、Gly等。不同的氨基酸轉(zhuǎn)運載體，即便是同一類的轉(zhuǎn)運載體，其轉(zhuǎn)運的氨基酸種類和范圍也并不相同，例如，氨基酸轉(zhuǎn)運載體A和Gly同屬于中性氨基酸轉(zhuǎn)運載體，載體A能夠廣泛轉(zhuǎn)運全部中性氨基酸，而載體Gly僅能夠轉(zhuǎn)運甘氨酸。此外，有的氨基酸轉(zhuǎn)運載體能夠同時轉(zhuǎn)