氨基酸转运载体的研究

1、 氨基酸转运载体的研究摘要:氨基酸转运载体是介导氨基酸跨膜转运的膜蛋白,在氨基酸营养机体细胞和神经调节过程中起着重要作用;而且,其功能异常会导致严重的氨基酸吸收和代谢障碍性疾病,也具有重要的病理学意义。本文就近年来关于中性氨基酸、酸性氨基酸和碱性氨基酸转运载体家族成员及其组织分布、分子生物学特征、生理功能和病理学意义等研究进展进行了综述。关键词:氨基酸转运载体;中性氨基酸;酸性氨基酸;碱性氨基酸早在20世纪60年代,人们就开始通过制备膜泡和培养艾氏()腹水瘤细胞、红细胞等手段陆续发现了型、型和型等多种氨基酸转运载体1。虽然大多数氨基酸转运系统尚未在分子水平上阐明,但是通过克隆编码特定转运载体蛋

2、白的,极大地加深了人们对氨基酸转运载体生理功能和病理学意义的了解。研究表明,氨基酸转运载体既是氨基酸作为营养素从机体胞外进入胞内的通道,也是氨基酸进出胞内完成神经细胞兴奋、抑制等重要细胞功能的通道。氨基酸转运载体也与胱氨酸尿症、范科尼()综合症、哈氏遗传性疾病()和家族性肾原性亚甘氨酸尿症等氨基酸吸收障碍病密切相关2,3。克隆技术是研究和认识氨基酸转运系统的有效手段,最初用于研究哺乳动物+依赖性高亲和性谷氨酸转运系统,即-型酸性氨基酸转运载体4,并基于与谷氨酸转运蛋白序列相似性,发现了转运丙氨酸、丝氨酸和半胱氨酸的+依赖性转运蛋白,即型中性氨基酸转运载体5。最终,发现了中性和酸性氨基酸转运载体

3、家族。迄今,已经形成了庞大的中性、酸性和碱性氨基酸转运载体家族。以下就各转运载体系统的研究进展做一综述1氨基酸转运载体系统分类氨基酸转运载体系统一般以其底物分为中性酸性和碱性氨基酸转运载体系统,或者以对+的依赖性分为+依赖性和+非依赖性转运系统(见表1)3,6。+依赖性转运系统利用质膜上以+电化学势梯度形式储存的自由能逆浓度梯度从胞外转运氨基酸底物进入胞内,因此,这些转运载体具有强大的动力从胞外转运氨基酸至胞内3。+依赖性氨基酸转运系统包括型、型、0型、-型、0, +型和型等转运载体;+非依赖性氨基酸转运系统包括转运中性氨基酸的型、转运小型中性氨基酸的型,选择性转运芳香族氨基酸的型、选择性转运

4、碱性氨基酸的+型,转运碱性和中性氨基酸的0, +和+型以及转运胱氨酸和谷氨酸的-型6等转运载体。2中性氨基酸转运载体家族中性氨基酸转运载体家族成员最多,也是研最多的氨基酸转运家族,包括0型、型、型、型、型、型、+型等+依赖性转运载体和、0, +等+非依赖性转运载体。其中以0型、型型转运载体研究较多。2.10型中性氨基酸转运载体0型转运载体分布在上皮细胞刷状缘膜,主要转运中性氨基酸,具有广泛的底物选择性,在值低于5.5时,还能转运-7。0型转运载体可分为01和02两个亚型。01亚型载体的基因首先从小鼠肾脏克隆得到7,01载体能转运所有的中性氨基酸,特别对亮氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸和缬氨酸等大型脂肪

5、族氨基酸的最大转运效率较高,而对其他亲水性氨基酸的效率则较低,仅为亮氨酸最大转运效率的一半。原位杂交结果8表明,01载体主要在肾脏和肠道表达,在肾脏近曲小管1和2段外皮层呈高表达,在小鼠空肠和回肠粘膜上皮大量表达,十二指肠表达较少,结肠则不表达。01主要在肾脏近曲小管和小肠吸收氨基酸,在肾脏近曲小管近端为中性氨基酸低亲和性转运载体,而远端则为高亲和性原位杂交结果8表明,01载体主要在肾脏和肠道表达,在肾脏近曲小管1和2段外皮层呈高表达,在小鼠空肠和回肠粘膜上皮大量表达,十二指肠表达较少,结肠则不表达。01主要在肾脏近曲小管和小肠吸收氨基酸,在肾脏近曲小管近端为中性氨基酸低亲和性转运载体,而远端

6、则为高亲和转运载体。等9报道了01载体的蛋白质结构,该蛋白具有12个跨膜螺旋区,螺旋区1和6构成了底物转运通道的核心部分,具有多个高度保守的残基,并在螺旋区1和6发现了两个+结合位点,从蛋白质结构上解释了与+协同转运而不与-协同转运的原因。0型转运载体与哈氏遗传性疾病密切相关,619基因突变(517,718)引起它编码的01载体的蛋白构象改变或功能区结构改变,使其功能减弱甚至丧失2,从而导致哈氏遗传性疾病。据报道10,在哈氏遗传性疾病病人体内,除了色氨酸外,其他中性氨基酸浓度没有明显变化,说明除了01外,还有其他的中性氨基酸转运载体,但01是色氨酸在小肠唯一的转运载体。01在大脑中不表达,哈氏

7、遗传性疾病常伴随共济失调和精神病症状,可能是由于缺乏色氨酸和酪氨酸等神经活性氨基酸而造成的11。02蛋白的基因位于1221,由12个外显子组成,编码730个(人)或729个(小鼠)氨基酸的蛋白质。02蛋白分布于大脑,主要转运谷氨酸和-氨基丁酸()等神经递质的底物。神经细胞自身不能合成谷氨酸和,必须依赖02从胞外转运。同样,神经胶质细胞内的谷氨酰胺也是由胞外转运的谷氨酸形成。02还能转运芳香族氨基酸,芳香族氨酸是合成多巴胺、5-色胺和去甲肾上腺素的底物。等12以谷氨酰胺为代表性氨基酸研究了猪肠道0型+依赖性和型+非依赖性中性氨基酸转运载体的细胞生理特点发现谷氨酰胺主要通过刷状缘型和型转运载体转运

8、,而且,中性氨基酸之间互相竞争转运载体。2.2型与型中性氨基酸转运载体型转运载体首先在艾氏腹水癌细胞中发现,主要转运小型中性氨基酸和-甲基氨基酸,如-(氨甲基)异丁酸(),包括1、2和3三个亚型,主要在胎盘、心脏、大脑和骨骼肌表达,对+不耐受,对高度敏感13。型转运载体首先在大鼠肝细胞中发现,由1和2蛋白组成,属于38基因家族,主要参与谷氨酰胺、天冬酰胺和组氨酸的摄入。等14研究发现型系统与型系统区别在于其对+耐受,即+由+取代时仍具转运活性,表现出明显的值依赖性,值6.06.5时活性很低,而值6.58.5时活性增加数倍。等15进一步研究表明,根据不同的功能特征和组织分布型转运系统可以分为和两

9、个亚型,均主动转运谷氨酰胺,并可能参与其代谢。亚型主要分布于骨骼肌中,对+具有弱的耐受力,对值敏感。在大脑中存在两种亚型,星形胶质细胞与肝细胞的系统相似,但神经细胞的系统与肝细胞系统和骨骼肌系统均存在明显区别,被称为系统,其与亚型一样,对+具弱的耐受力,对值敏感,但可被谷氨酸抑制。2.3中性氨基酸转运载体转运载体的基因位于321.3,具有11个外显子,人为单一基因,在小鼠和大鼠则为两个同源基因。在大脑中高表达的称为,在肾脏中高表达的称为。和在肾脏近曲小管均呈高表达,但在小肠和大脑仅有表达11。在大脑内转运载体转运脯氨酸进入胞内,脯氨酸作为神经毒素其毒性较大,约为谷氨酸的9倍,在生理条件下,大脑

10、细胞外脯氨酸浓度约为3·-1,但在型高脯氨酸血症病人大脑胞外脯氨酸浓度则高达30·-1,表现为精神发育迟滞11,型高脯氨酸血症病人则表现为精神分裂症,均由脯氨酸代谢失调引起,虽然已知高浓度脯氨酸的致病机制,但是对脯氨酸摄入与排出的调控机制不甚清楚,仅知道脯氨酸经脉络丛排出,但其转运的具体机制尚有待研究。2.4其它中性氨基酸转运载体型转运载体在机体广泛分布,也主要转运丙氨酸、丝氨酸和苏氨酸等没有大型支链的中性氨基酸,但不转运-甲基氨基酸,分为1和2亚型。另外,型转运载体主要转运-氨基酸,包括-丙氨酸和牛磺酸1。3酸性氨基酸转运载体家族酸性氨基酸转运载体家族包括+依赖性的-转运

11、载体和+非依赖性的-转运载体。+依赖性转运载体通过+的内流,获得能量主动转运氨基酸,而+非依赖性转运载体则是通过+的外流获得能量,如大鼠大脑、人胚胎滋养层、大鼠和家兔的肾脏皮层上皮细胞的酸性氨基酸转运载体。-型分布广泛,在大脑和上皮组织呈高表达,主要转运-、-/-及其他酸性氨基酸4,包括四个同源异构体:(/-)、-1(-1)、1(- 1)和4(- 4)蛋白首先从大鼠大脑分离得到,主要分布在大脑、肺脏、心脏、骨骼肌和胎盘,人的基因为13,位于511-12,编码573个氨基酸的蛋白质;-1蛋白首先从大鼠大脑分离得到,主要分布在大脑和肝脏,人的基因为12,位于1111.2-13,编码543个氨基酸的

12、蛋白质;1蛋白首先从家兔小肠分离得到,主要分布在大脑和肝脏,人的基因为11,位于921,编码524个氨基酸的蛋白质;4蛋白首先从家兔小肠分离得到,主要分布在小脑和胎盘,人的基因为14,编码564个氨基酸的蛋白质5。等16以肠粘膜上皮细胞分离法结合刷状缘膜泡和放射性同位素示踪及-技术研究了以谷氨酸为代表的酸性氨基酸经肠腔进入仔猪肠粘膜细胞的分子生物学过程,结果表明猪及其它哺乳动物肠腔粘膜酸性氨基酸主要由1转运载体转运,该转运载体在整个肠粘膜细胞的增殖、分化及成熟过程中表达。4碱性氨基酸转运载体家族碱性氨基酸转运载体家族包括+依赖性0, +转运载体和+非依赖性0, +、+、+转运载体。0, +型转

13、运载体首先在胚泡细胞中发现,主要转运碱性和中性氨基酸1。+型转运载体参与转运中性和碱性氨基酸。0, +、+和+型转运载体基因均属于氨基酸转运载体7基因家族。+、+、0, +和0, +载体均可转运-精氨酸,+型转运载体是-精氨酸跨膜转运的最主要转运载体,经其摄取的-精氨酸约占细胞摄取总量的70%75%。-精氨酸虽然是半必需氨基酸,是尿素循环、合成蛋白质、多胺和的底物,但也是胎儿发育和生长所需的极其重要的氨基酸,能有效预防子宫内胎儿发育迟缓17。据等18报道,精氨酸+型转运载体1和2蛋白在母猪哺乳期间呈高表达,以满足哺乳期间仔猪对精氨酸的高需求。等19在人体内寄生的杜氏利什曼原虫()的前鞭毛体膜上,发现了一种新的精氨酸转运蛋白,含480个氨基酸,该蛋白在酵母中表达后,对精氨酸有高亲和力,且对精氨酸高度特异,不被其他氨基酸或精氨酸类似物抑制。5展望氨基酸转运载体及其功能的深入研究,在揭示氨基酸的转运过程、转运调控机制以及氨基酸营养代谢障碍