由具有特異感受結構的通道蛋白質完成的跨膜信號傳遞 

(一)化學門控通道 

  對這種跨膜信號的傳遞方式的研究,最早是從對運動神經纖維末梢釋放的乙醯膽鹼(Ach)如何引起它所支配的骨骼肌細胞興奮的研究開始的。早已知道,當神經衝動到達神經末梢處時,先是由末梢釋放一定數量的Ach分子,後者再同肌細胞膜上稱為終板(指有細胞膜上同神經末相對的那部分膜,其中所含膜蛋白與一般肌細胞膜不同)處的「受體」相結合,引起終板膜產生電變化,最後引起整個肌細胞的興奮和收縮。由於神經-肌接頭處的「受體」也可同煙鹼相結合,因而過去在藥理學分類中稱它為N-Ach受體。80年代後期,我國學者李鎮源發現α-銀環蛇毒同N-型受體有極高的特異性結合能力又有人發現一些電魚的電器官中有密集的這種受體蛋白質分子存在;再依靠70年代以來蛋白質化學和分子生物學技術的迅速發展,目前不僅已將這種蛋白質分子提純,而且基本上搞清了它的分子結構和它們在膜中的存在形式。原來它是由4種不同的亞單位組成的5聚體蛋白質(圖2-7),總分子量約為290kd;每種亞單位都由一種mRNA編碼,所生成的亞單位在膜結構中通過氫鍵等非共價鍵式的相互吸引,形成一個結構為α2βγδ的梅花狀通道樣結構(圖2-7AB),而其中的兩個α-亞單位正是同兩分子ACH相結合的部位,這種結合可引起通道結構的開放,其幾何大小足以使終板膜外高濃度的Na+內流,同時也能使膜內高濃度的K+外流結果是使原來存在兩側的靜息電位近於消失,亦即使該處膜內外電位差接近於0值,這就是終板電位,於是完成了Ach這種化學信號的跨膜傳遞,因為肌細胞後來出現的興奮和收縮都是以終板電位為起因的。

 

2-7 N-Ach門控通道的分子結構示意圖

AN-Ach門控通的5個亞單位和它們所含α-螺旋在膜中存在形式的平面示意圖

B5個亞單位相互吸引,包繞成一個通道樣結構

C:在跨膜通道結構中,各個亞單位億含α-螺旋在通道結構中的位置

 

  用分子生物學實驗技術證明,同其他膜結合蛋白質類似,在上述4種不同的亞單位肽鏈中,都存在有4種主要由20-25個疏水性氨基酸形成的α-螺旋,因而推測每個亞單位的肽鏈都要反復貫穿膜4次(圖2-7A),而5個亞單位又各以其第2個疏水性跨膜α-螺旋構成了水相孔道的「內壁」(圖2-7C)。

 

  由上述分子水準的研究成果可以知道,原初將終板膜上完成Ach跨膜信號傳遞的蛋白質稱作「受體」是不符合實際情況的;它們是一種通道樣結構,只是在組成通道的蛋白質亞單位中有兩個亞單位具有同Ach分子特異地相結合的能力,並能因此引起通道蛋白質的變構作用而使通道開放,然後靠相應離子的易化擴散而完成跨膜信號傳遞。因此,這種蛋白質應稱為N-型(或煙鹼型)Ach門控通道,屬於化學門控通道或化學依從性通道中的一種。

  Ach在神經-肌接頭處的跨膜信號傳遞機制的闡明,曾一度錯誤地推測,其他一些神經遞質也都是以類似的方式作用於下一級神經元或相應的效應器細胞的;但後來的研究顯示並非如此。目前只證明了一些氨基酸遞質,包括谷氨酸、門冬氨酸、γ-氨基丁酸和甘氨酸等,主要是通過同N-Ach門控通道結構類似的化學門控通道影響其靶細胞。

 


 

(二)電壓門控通道

  應用類似的技術,在80年代還陸續克隆出幾種重要離子(如Na+K+Ca2+等離子)的電壓門控通道,它們具有同化學門控能道類似的分子結構,但控制這類通道開放與否的因素,是這些通道所在膜兩側的跨膜電位的改變;也就是說,在這種通道的分子結構中,存在一些對跨膜電位的改變敏感的基團或亞單位,由後者誘發整個通道分子功能狀態的改變。

 

  在動物界,除了一些特殊的魚類,一般沒有專門感受外界電刺激或電場改變的器官或感受細胞,但在體內有很多細胞,如神經細胞和各種肌細胞,在它們的細胞膜中卻具有多種電壓門控通道蛋白質,它們可由於同一細胞相鄰的膜兩側出現的電位改變而再現通道的開放,並由於隨之出現的跨膜離子流而出現這些通道所在膜的特有的跨膜電位改變。例如,前述的終板膜由Ach門控通道開放而出現終板電位時,這個電位改變可使相鄰的肌細胞膜中存在的電壓門控式Na+通道和K+通道相繼啟動(即通道開放),出現肌細胞的所謂動作電位;當動作電位在神經纖維膜和肌細胞膜上傳導時,也是由於一些電壓門控通道被鄰近已興奮的膜的電變化所啟動,結果使這些通道所在的膜也相繼出現特有的電變化。由此可見,電壓門控通道所起的功能,也是一種跨膜信號轉換,只不過它們接受的外來刺激信號是電位變化,經過電壓門控通道的開閉,再引起細胞膜出現新的電變化或其他細胞內功能變化,後者在Ca2+通道打開引起膜外Ca2+內流時甚為多見。

 

  根據對Na+K+Ca2+三種離子的電壓門控通道蛋白質進行的分子結構分析,發現它們一級結構中的氨基酸排列有相當大的同源性,說明它們屬於同一蛋白質家族,與之有關的mRNA在進化上由同一個遠祖基因演化而來。圖2-8是與體內動作電位(見後)產生至關重要的Na+通道在膜內結構的模式圖,它主要由一個較大的α-亞單位組成,分子量約260kd;有時還另有一個或兩個小分子量的亞單位,分別稱為β1β2。但Na+通道的主要功能看來只靠α-亞單位即可完成。這個較長的α-單位肽鏈中包含了4個結構類似的結構域(domain,每個結構域大致相當於上述Ach門控通道中的一個亞單位,但結構域之間由肽鏈相連,是一個完整的肽鏈,應由一個mRNA編碼和合成),而每個結構域中又各有6個由疏水性氨基酸組成的跨膜α-螺旋段(圖示2-8A);這4 個結構域及其所包含的疏水α-螺旋,在膜中包繞成一個通道樣結構(圖2-8B)。現已證明,每個結構域中的第4個跨膜α-螺旋在氨基酸序列上有特點,即每隔兩個疏水性氨基酸,就再現一個帶正電荷的精氨酸或賴氨酸;這些α-螺旋由於自身的帶電性質,在它們所在膜的跨膜電位有改變時會產生位移,因而被認為是該通道結構中感受外來信號的特異結構,由此再誘發通道「閘門」的開放;還有實驗提示,每個結構域中的第2、第3α-螺旋構成了該通道水相孔道的「內壁」;據測算,水相孔道內徑最窄處橫斷面積約為0.3×0.5nm差不多剛能通過一個水化的Na+(2-8,B)

 

 

2-8 電壓門控Na+通道的分子結構示意圖

A:構成電壓門控Na+通道的α-亞單中的4個結構以及每個結構域中6α-螺旋在膜中存在形式平面 P表示磷酸化位點

B4個結構域及其α-螺旋形成通道時的相對位置

 

(三)機械門控通道

  體內存在不少能感受機械性刺激並引致細胞功能改變的細胞。如內耳毛細胞頂部的聽毛在受到切和力的作用產生彎曲時,毛細胞會出現暫短的感受器電位,這也是一種跨膜信號轉換,即外來機械性信號通過某種結構內的過程,引起細胞的跨膜電位變化。據精細觀察,從聽毛受力而致聽毛根部所在膜的變形,到該處膜出現跨膜離子移動之間,只有極短的潛伏期,因而推測可能是膜的局部變形或牽引,直接啟動了附近膜中的機械門控通道。

 

  細胞間通道 還有一種通道,不是溝通胞漿和細胞外液的跨膜通道,而是允許相鄰細胞之間直接進行胞漿內物質交換的通道,故稱為細胞間通道。這種通道研究,是從縫隙連接超微結構觀察開始的。在縫隙連接處相鄰兩細胞的膜僅隔開2.0nm左右,而且像是有某種物質結構把兩者連接起來;將兩側細胞膜分離進行超微結構觀察和分子生物學分析,發現每一側的膜上都整齊地地排列著許多蛋白質顆粒,每個顆粒實際是由6個蛋白質亞單位(分子量各為25kd)構成的6聚體蛋白質,中間包繞一個水相孔道;構成顆粒的蛋白質和中心孔道貫穿所在膜的脂質雙分子層;在兩側細胞膜靠緊形成細胞間的縫隙連接時,兩側膜上的各顆粒即通道樣結構都兩兩對接起來,於是形成了一條條溝通兩細胞胞漿的通路,而與細胞間液不相溝通。這種細胞間通道的孔洞大小,一般可允許分子量小於1.0~1.5kd或分子直徑小於1.0nm的物質分子通過,這包括了電解質離子、氨基酸、葡萄糖和核苷酸等。這種縫隙連接或細胞間通道多見於肝細胞、心肌細胞、腸平滑肌細胞、晶狀體細胞和一些神經細胞之間。縫隙連接不一定是細胞間的一種永久性結構;至少在體外培養的細胞之間的縫隙連接或其中包含顆粒的多少,可因不同環境因素而變化;似乎是細胞膜中經常有單方面裝配好的通道顆粒存在,在兩側膜靠近並有其他調控因素存在時,就有可能呈現對接,而在另一些因素存在時,兩方面還可再分離。已對接的通道是否處於「開放」狀態,也要受到多種因素的調控,例如當細胞內Ca2+H+濃度增加時,可促使細胞間通道關閉。細胞間通道的存在,有利於功能相同而又密接的一組細胞之間進行離子、營養物質,甚至一些資訊物質的溝通,造成它們進行同步性活動的可能性。

 

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