氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體的研究

1、 氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體的研究摘要:氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體是介導(dǎo)氨基酸跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的膜蛋白,在氨基酸營養(yǎng)機(jī)體細(xì)胞和神經(jīng)調(diào)節(jié)過程中起著重要作用;而且,其功能異常會導(dǎo)致嚴(yán)重的氨基酸吸收和代謝障礙性疾病,也具有重要的病理學(xué)意義。本文就近年來關(guān)于中性氨基酸、酸性氨基酸和堿性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體家族成員及其組織分布、分子生物學(xué)特征、生理功能和病理學(xué)意義等研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。關(guān)鍵詞:氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體;中性氨基酸;酸性氨基酸;堿性氨基酸早在20世紀(jì)60年代,人們就開始通過制備膜泡和培養(yǎng)艾氏()腹水瘤細(xì)胞、紅細(xì)胞等手段陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了型、型和型等多種氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體1。雖然大多數(shù)氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)尚未在分子水平上闡明,但是通過克隆編碼特定轉(zhuǎn)運(yùn)載體蛋

2、白的,極大地加深了人們對氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體生理功能和病理學(xué)意義的了解。研究表明,氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體既是氨基酸作為營養(yǎng)素從機(jī)體胞外進(jìn)入胞內(nèi)的通道,也是氨基酸進(jìn)出胞內(nèi)完成神經(jīng)細(xì)胞興奮、抑制等重要細(xì)胞功能的通道。氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體也與胱氨酸尿癥、范科尼()綜合癥、哈氏遺傳性疾病()和家族性腎原性亞甘氨酸尿癥等氨基酸吸收障礙病密切相關(guān)2,3。克隆技術(shù)是研究和認(rèn)識氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的有效手段,最初用于研究哺乳動物+依賴性高親和性谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng),即-型酸性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體4,并基于與谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白序列相似性,發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)運(yùn)丙氨酸、絲氨酸和半胱氨酸的+依賴性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,即型中性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體5。最終,發(fā)現(xiàn)了中性和酸性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體

3、家族。迄今,已經(jīng)形成了龐大的中性、酸性和堿性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體家族。以下就各轉(zhuǎn)運(yùn)載體系統(tǒng)的研究進(jìn)展做一綜述1氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體系統(tǒng)分類氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體系統(tǒng)一般以其底物分為中性酸性和堿性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體系統(tǒng),或者以對+的依賴性分為+依賴性和+非依賴性轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)(見表1)3,6。+依賴性轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)利用質(zhì)膜上以+電化學(xué)勢梯度形式儲存的自由能逆濃度梯度從胞外轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸底物進(jìn)入胞內(nèi),因此,這些轉(zhuǎn)運(yùn)載體具有強(qiáng)大的動力從胞外轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸至胞內(nèi)3。+依賴性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)包括型、型、0型、-型、0, +型和型等轉(zhuǎn)運(yùn)載體;+非依賴性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)運(yùn)中性氨基酸的型、轉(zhuǎn)運(yùn)小型中性氨基酸的型,選擇性轉(zhuǎn)運(yùn)芳香族氨基酸的型、選擇性轉(zhuǎn)運(yùn)

4、堿性氨基酸的+型,轉(zhuǎn)運(yùn)堿性和中性氨基酸的0, +和+型以及轉(zhuǎn)運(yùn)胱氨酸和谷氨酸的-型6等轉(zhuǎn)運(yùn)載體。2中性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體家族中性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體家族成員最多,也是研最多的氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)家族,包括0型、型、型、型、型、型、+型等+依賴性轉(zhuǎn)運(yùn)載體和、0, +等+非依賴性轉(zhuǎn)運(yùn)載體。其中以0型、型型轉(zhuǎn)運(yùn)載體研究較多。2.10型中性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體0型轉(zhuǎn)運(yùn)載體分布在上皮細(xì)胞刷狀緣膜,主要轉(zhuǎn)運(yùn)中性氨基酸,具有廣泛的底物選擇性,在值低于5.5時,還能轉(zhuǎn)運(yùn)-7。0型轉(zhuǎn)運(yùn)載體可分為01和02兩個亞型。01亞型載體的基因首先從小鼠腎臟克隆得到7,01載體能轉(zhuǎn)運(yùn)所有的中性氨基酸,特別對亮氨酸、異亮氨酸、蛋氨酸和纈氨酸等大型脂肪

5、族氨基酸的最大轉(zhuǎn)運(yùn)效率較高,而對其他親水性氨基酸的效率則較低,僅為亮氨酸最大轉(zhuǎn)運(yùn)效率的一半。原位雜交結(jié)果8表明,01載體主要在腎臟和腸道表達(dá),在腎臟近曲小管1和2段外皮層呈高表達(dá),在小鼠空腸和回腸粘膜上皮大量表達(dá),十二指腸表達(dá)較少,結(jié)腸則不表達(dá)。01主要在腎臟近曲小管和小腸吸收氨基酸,在腎臟近曲小管近端為中性氨基酸低親和性轉(zhuǎn)運(yùn)載體,而遠(yuǎn)端則為高親和性原位雜交結(jié)果8表明,01載體主要在腎臟和腸道表達(dá),在腎臟近曲小管1和2段外皮層呈高表達(dá),在小鼠空腸和回腸粘膜上皮大量表達(dá),十二指腸表達(dá)較少,結(jié)腸則不表達(dá)。01主要在腎臟近曲小管和小腸吸收氨基酸,在腎臟近曲小管近端為中性氨基酸低親和性轉(zhuǎn)運(yùn)載體,而遠(yuǎn)端

6、則為高親和轉(zhuǎn)運(yùn)載體。等9報(bào)道了01載體的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu),該蛋白具有12個跨膜螺旋區(qū),螺旋區(qū)1和6構(gòu)成了底物轉(zhuǎn)運(yùn)通道的核心部分,具有多個高度保守的殘基,并在螺旋區(qū)1和6發(fā)現(xiàn)了兩個+結(jié)合位點(diǎn),從蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)上解釋了與+協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)而不與-協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)的原因。0型轉(zhuǎn)運(yùn)載體與哈氏遺傳性疾病密切相關(guān),619基因突變(517,718)引起它編碼的01載體的蛋白構(gòu)象改變或功能區(qū)結(jié)構(gòu)改變,使其功能減弱甚至喪失2,從而導(dǎo)致哈氏遺傳性疾病。據(jù)報(bào)道10,在哈氏遺傳性疾病病人體內(nèi),除了色氨酸外,其他中性氨基酸濃度沒有明顯變化,說明除了01外,還有其他的中性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體,但01是色氨酸在小腸唯一的轉(zhuǎn)運(yùn)載體。01在大腦中不表達(dá),哈氏

7、遺傳性疾病常伴隨共濟(jì)失調(diào)和精神病癥狀,可能是由于缺乏色氨酸和酪氨酸等神經(jīng)活性氨基酸而造成的11。02蛋白的基因位于1221,由12個外顯子組成,編碼730個(人)或729個(小鼠)氨基酸的蛋白質(zhì)。02蛋白分布于大腦,主要轉(zhuǎn)運(yùn)谷氨酸和-氨基丁酸()等神經(jīng)遞質(zhì)的底物。神經(jīng)細(xì)胞自身不能合成谷氨酸和,必須依賴02從胞外轉(zhuǎn)運(yùn)。同樣,神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)的谷氨酰胺也是由胞外轉(zhuǎn)運(yùn)的谷氨酸形成。02還能轉(zhuǎn)運(yùn)芳香族氨基酸,芳香族氨酸是合成多巴胺、5-色胺和去甲腎上腺素的底物。等12以谷氨酰胺為代表性氨基酸研究了豬腸道0型+依賴性和型+非依賴性中性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體的細(xì)胞生理特點(diǎn)發(fā)現(xiàn)谷氨酰胺主要通過刷狀緣型和型轉(zhuǎn)運(yùn)載體轉(zhuǎn)運(yùn)

8、,而且,中性氨基酸之間互相競爭轉(zhuǎn)運(yùn)載體。2.2型與型中性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體型轉(zhuǎn)運(yùn)載體首先在艾氏腹水癌細(xì)胞中發(fā)現(xiàn),主要轉(zhuǎn)運(yùn)小型中性氨基酸和-甲基氨基酸,如-(氨甲基)異丁酸(),包括1、2和3三個亞型,主要在胎盤、心臟、大腦和骨骼肌表達(dá),對+不耐受,對高度敏感13。型轉(zhuǎn)運(yùn)載體首先在大鼠肝細(xì)胞中發(fā)現(xiàn),由1和2蛋白組成,屬于38基因家族,主要參與谷氨酰胺、天冬酰胺和組氨酸的攝入。等14研究發(fā)現(xiàn)型系統(tǒng)與型系統(tǒng)區(qū)別在于其對+耐受,即+由+取代時仍具轉(zhuǎn)運(yùn)活性,表現(xiàn)出明顯的值依賴性,值6.06.5時活性很低,而值6.58.5時活性增加數(shù)倍。等15進(jìn)一步研究表明,根據(jù)不同的功能特征和組織分布型轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)可以分為和兩

9、個亞型,均主動轉(zhuǎn)運(yùn)谷氨酰胺,并可能參與其代謝。亞型主要分布于骨骼肌中,對+具有弱的耐受力,對值敏感。在大腦中存在兩種亞型,星形膠質(zhì)細(xì)胞與肝細(xì)胞的系統(tǒng)相似,但神經(jīng)細(xì)胞的系統(tǒng)與肝細(xì)胞系統(tǒng)和骨骼肌系統(tǒng)均存在明顯區(qū)別,被稱為系統(tǒng),其與亞型一樣,對+具弱的耐受力,對值敏感,但可被谷氨酸抑制。2.3中性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體轉(zhuǎn)運(yùn)載體的基因位于321.3,具有11個外顯子,人為單一基因,在小鼠和大鼠則為兩個同源基因。在大腦中高表達(dá)的稱為,在腎臟中高表達(dá)的稱為。和在腎臟近曲小管均呈高表達(dá),但在小腸和大腦僅有表達(dá)11。在大腦內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)載體轉(zhuǎn)運(yùn)脯氨酸進(jìn)入胞內(nèi),脯氨酸作為神經(jīng)毒素其毒性較大,約為谷氨酸的9倍,在生理?xiàng)l件下,大腦

10、細(xì)胞外脯氨酸濃度約為3·-1,但在型高脯氨酸血癥病人大腦胞外脯氨酸濃度則高達(dá)30·-1,表現(xiàn)為精神發(fā)育遲滯11,型高脯氨酸血癥病人則表現(xiàn)為精神分裂癥,均由脯氨酸代謝失調(diào)引起,雖然已知高濃度脯氨酸的致病機(jī)制,但是對脯氨酸攝入與排出的調(diào)控機(jī)制不甚清楚,僅知道脯氨酸經(jīng)脈絡(luò)叢排出,但其轉(zhuǎn)運(yùn)的具體機(jī)制尚有待研究。2.4其它中性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體型轉(zhuǎn)運(yùn)載體在機(jī)體廣泛分布,也主要轉(zhuǎn)運(yùn)丙氨酸、絲氨酸和蘇氨酸等沒有大型支鏈的中性氨基酸,但不轉(zhuǎn)運(yùn)-甲基氨基酸,分為1和2亞型。另外,型轉(zhuǎn)運(yùn)載體主要轉(zhuǎn)運(yùn)-氨基酸,包括-丙氨酸和?；撬?。3酸性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體家族酸性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體家族包括+依賴性的-轉(zhuǎn)運(yùn)

11、載體和+非依賴性的-轉(zhuǎn)運(yùn)載體。+依賴性轉(zhuǎn)運(yùn)載體通過+的內(nèi)流,獲得能量主動轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸,而+非依賴性轉(zhuǎn)運(yùn)載體則是通過+的外流獲得能量,如大鼠大腦、人胚胎滋養(yǎng)層、大鼠和家兔的腎臟皮層上皮細(xì)胞的酸性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體。-型分布廣泛,在大腦和上皮組織呈高表達(dá),主要轉(zhuǎn)運(yùn)-、-/-及其他酸性氨基酸4,包括四個同源異構(gòu)體:(/-)、-1(-1)、1(- 1)和4(- 4)蛋白首先從大鼠大腦分離得到,主要分布在大腦、肺臟、心臟、骨骼肌和胎盤,人的基因?yàn)?3,位于511-12,編碼573個氨基酸的蛋白質(zhì);-1蛋白首先從大鼠大腦分離得到,主要分布在大腦和肝臟,人的基因?yàn)?2,位于1111.2-13,編碼543個氨基酸的

12、蛋白質(zhì);1蛋白首先從家兔小腸分離得到,主要分布在大腦和肝臟,人的基因?yàn)?1,位于921,編碼524個氨基酸的蛋白質(zhì);4蛋白首先從家兔小腸分離得到,主要分布在小腦和胎盤,人的基因?yàn)?4,編碼564個氨基酸的蛋白質(zhì)5。等16以腸粘膜上皮細(xì)胞分離法結(jié)合刷狀緣膜泡和放射性同位素示蹤及-技術(shù)研究了以谷氨酸為代表的酸性氨基酸經(jīng)腸腔進(jìn)入仔豬腸粘膜細(xì)胞的分子生物學(xué)過程,結(jié)果表明豬及其它哺乳動物腸腔粘膜酸性氨基酸主要由1轉(zhuǎn)運(yùn)載體轉(zhuǎn)運(yùn),該轉(zhuǎn)運(yùn)載體在整個腸粘膜細(xì)胞的增殖、分化及成熟過程中表達(dá)。4堿性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體家族堿性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體家族包括+依賴性0, +轉(zhuǎn)運(yùn)載體和+非依賴性0, +、+、+轉(zhuǎn)運(yùn)載體。0, +型轉(zhuǎn)

13、運(yùn)載體首先在胚泡細(xì)胞中發(fā)現(xiàn),主要轉(zhuǎn)運(yùn)堿性和中性氨基酸1。+型轉(zhuǎn)運(yùn)載體參與轉(zhuǎn)運(yùn)中性和堿性氨基酸。0, +、+和+型轉(zhuǎn)運(yùn)載體基因均屬于氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體7基因家族。+、+、0, +和0, +載體均可轉(zhuǎn)運(yùn)-精氨酸,+型轉(zhuǎn)運(yùn)載體是-精氨酸跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的最主要轉(zhuǎn)運(yùn)載體,經(jīng)其攝取的-精氨酸約占細(xì)胞攝取總量的70%75%。-精氨酸雖然是半必需氨基酸,是尿素循環(huán)、合成蛋白質(zhì)、多胺和的底物,但也是胎兒發(fā)育和生長所需的極其重要的氨基酸,能有效預(yù)防子宮內(nèi)胎兒發(fā)育遲緩17。據(jù)等18報(bào)道,精氨酸+型轉(zhuǎn)運(yùn)載體1和2蛋白在母豬哺乳期間呈高表達(dá),以滿足哺乳期間仔豬對精氨酸的高需求。等19在人體內(nèi)寄生的杜氏利什曼原蟲()的前鞭毛體膜上,發(fā)現(xiàn)了一種新的精氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,含480個氨基酸,該蛋白在酵母中表達(dá)后,對精氨酸有高親和力,且對精氨酸高度特異,不被其他氨基酸或精氨酸類似物抑制。5展望氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體及其功能的深入研究,在揭示氨基酸的轉(zhuǎn)運(yùn)過程、轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)控機(jī)制以及氨基酸營養(yǎng)代謝障礙