科学故事4：GLUT葡萄糖转运体

科学故事4：GLUT葡萄糖转运体 科学故事:GLUT 葡萄糖是生物体重要的能源，其进出细胞需要专门的运输蛋白，即葡萄糖转运体GLUT。1952年，Widder及其同事对人胎盘细胞(placental cells)对葡萄糖的运输进行了系统的研究，发现葡萄糖运输具有饱和动力学的性质。于是，Widder预测胎盘细胞的葡萄糖转运需要一种载体蛋白。 基于红细胞没有内膜结构，而且很容易得到，因此它的细胞膜一直被认为是研究物质跨细胞膜运输的首选材料。1977年Michihiro Kasahara和Peter C Hinkle终于从人的红细胞膜中得到了第一种负责葡萄糖跨膜运输的蛋白质，从此开创了葡萄糖转运体研究的新时代。 Kasahara和Hinkle使用的分离、鉴定的方法如图20,8所示:首先使用低渗溶液处理红细胞，导致其细胞膜破裂，在去除血红蛋白以后得到血影。然后，利用去垢剂(Triton)抽取膜上可能的GLUT。在经过DE-AE-纤维素柱层析以后，将分级得到的蛋白质与磷脂混合在一起，经超声波处理，得到重组有GLUT的脂质体。最后，使用稀释或透析的方法去除残留的去垢剂，并测定它们运输葡萄糖的活性。 图20,8 葡萄糖转运体的纯化和重组 他们纯化出的葡萄糖转运体是一种高度疏水、糖基化程度各异的蛋白质，后来被称为GLUT1，以区分其他与葡萄糖运输的蛋白质。GLUT2的动力学特征与完整的红细胞基本相同。 1985年，M Mueckler和Harvey F Lodish等利用GLUT1制备的兔抗血清成功地从 HepG2细胞的cDNA文库中克隆到人的GLUT1基因。根据cDNA的核苷酸序列，推导出GLUT1 含有492个氨基酸残基。再通过疏水性分析，预测它含有12个跨膜的α螺旋。 就在得到GLUT1的cDNA序列不久，科学家以此为探针，在其他组织中发现了其他种 类的GLUT。到目前为止，至少已发现10多种参与葡萄糖运输的蛋白质，它们分布在不同 的组织，在功能上并不完全相同(表20,1)。 表20-1各种葡萄糖转运体的分布和功能 名称 组织分布 主要功能 SGLT1 肾脏，小肠 钠离子依赖的主动运输 大部分胚胎和成体组织中，其中红细胞，内皮细为细胞提供基本的葡萄糖供应，并为增殖分裂细胞提供相应GLUT1 胞，以及永生性的细胞系中含量较为丰富 增加的葡萄糖，负责血脑屏障及其他体内屏障的葡萄糖转运 高容量，低亲和力的葡萄糖转运，负责上皮细胞基膜侧的葡GLUT2 肝细胞，胰岛β- 细胞(啮齿类)，小肠，肾脏 萄糖转运 GLUT3 广泛分布于人体各组织中，脑中含量丰富 脑组织间液与脑实质细胞间的葡萄糖转运 GLUT4 骨骼肌，心脏，脂肪细胞 对胰岛素敏感，在整个机体的葡萄糖利用中非常重要 GLUT5 小肠，脂肪，肌肉，脑，肾 对葡萄糖的亲和力极低，负责小肠果糖的吸收 GLUT6 脾，白细胞，脑 可能不具有运输功能 GLUT7 肝细胞及其他糖原异生组织 负责内质网膜葡萄糖的跨膜运输 GLUT8 睾丸，胚泡，脑 转运葡萄糖 GLUT9 肝脏，肾 待定 GLUT10 肝脏，胰腺 转运葡萄糖 GLUT11 心脏，骨骼肌 转运果糖，对葡萄糖亲和力低 GLUT12 心脏，骨骼肌，小肠，白色脂肪组织 对胰岛素敏感，功能待定 在以上各种GLUT分子中，GLUT4尤为重要，因为它对于胰岛素是敏感的。胰岛素能 够迅速调节GLUT4在细胞膜的数目，从而影响到细胞对葡萄糖的转运。 胰岛素调节GLUT4在细胞膜上数目的方式十分有意思。1999年，Powell K A 等使 用基因工程的方法，构建了一种由GLUT4和绿色荧光蛋白(green fluorescent protein， GFP)的融合蛋白表达载体。GFP是一种来源于海洋生物水母(Aequorea victoria)中的蛋白质，其多肽链中含有特殊的生色团结构，可在紫外光源下发出稳定的绿色荧光。因此，科学家可利用GFP的这个性质，追踪它与其他蛋白质组成的融合蛋白在细胞中的定位。 Powell将他们构建的GFP-GLUT4融合表达质粒显微注射到3T3-L1脂肪细胞内，然后，观察胰岛素对于GLUT4分布有什么影响。他们的结果表明:在没有胰岛素的时候，细胞内表达的GFP-GLUT4分布在胞内的囊泡膜上;在加入胰岛素以后，发现GFPGLUT4重新分布，转而集中到细胞膜上。Powell的实验证明，胰岛素对葡萄糖代谢的影响可以通过调节GLUT4在细胞中的分布而改变葡萄糖的转运来实现。 图20-9 胰岛素对细胞膜上GLUT4数目的调节 目前关于胰岛素调节葡萄糖转运的机制已比较清楚:如图20-9所示，在有胰岛素时，胰岛素与其受体结合，促进在细胞内含有GLUT4的囊泡与细胞膜融合，从而提高质膜上GLUT4的数目，致使葡萄糖转运速度加快;相反，在缺乏胰岛素的时候，位于质膜上的GLUT4因为内吞作用导致其数目下降，最终使葡萄糖转运速度下降。