ATP的跨膜運(yùn)輸細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生ATP的場(chǎng)所有線粒體、葉綠體等，但消耗ATP的生化反應(yīng)則發(fā)生在很多細(xì)胞器內(nèi)。

那么，ATP是如何跨膜運(yùn)輸?shù)较鄳?yīng)位置發(fā)揮作用的?1、ATP如何跨線粒體膜

線粒體是產(chǎn)生ATP的主要場(chǎng)所，是細(xì)胞的“動(dòng)力車間”。這樣一定存在著一種機(jī)制保證線粒體內(nèi)的ATP能及時(shí)運(yùn)輸?shù)骄€粒體外。20廿紀(jì)60年代研究發(fā)現(xiàn),線粒體內(nèi)膜上有核基因編碼的專門運(yùn)輸ATP和ADP的轉(zhuǎn)運(yùn)體蛋白(ADP/ATPcarriers，AAC)。該轉(zhuǎn)運(yùn)體以前被稱之為腺苷酸轉(zhuǎn)運(yùn)體(adenine

nucleotide

transporter,

ANT),現(xiàn)在被認(rèn)為是一種錯(cuò)誤的稱呼，因?yàn)樵撧D(zhuǎn)運(yùn)體并不轉(zhuǎn)運(yùn)AMP或其他核苷酸"。AAC在線粒體內(nèi)膜上分布非常豐富，有c-態(tài)(胞質(zhì)面構(gòu)象)和m-態(tài)(基質(zhì)面構(gòu)象)2種構(gòu)象狀態(tài)。當(dāng)

AAC處于c-態(tài)和m-態(tài)交換狀態(tài)，其結(jié)合ATP和

ADP的位點(diǎn)分別暴露于線粒體基質(zhì)側(cè)和細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)側(cè)時(shí)，ATP或ADP才能結(jié)合上去，從而實(shí)現(xiàn)

ATP出線粒體和ADP進(jìn)線粒體。其轉(zhuǎn)運(yùn)過程如圖1所示。由于線粒體外膜含有孔蛋白，該蛋白打開時(shí)可以通過最大相對(duì)分子質(zhì)量為5000的大分子。這種蛋白的存在使線粒體外膜的通透性非常高。通常膜間隙的環(huán)境幾乎和細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)相似。轉(zhuǎn)運(yùn)到膜間隙中的ATP相對(duì)分子質(zhì)量<1000，能自由通過外膜到達(dá)細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)。通過3H標(biāo)記內(nèi)源性核苷酸和14C標(biāo)記外源性核苷酸的研究顯示，AAC只能1:1的交換ADP和

ATP1。由于ATP攜帶4個(gè)負(fù)電荷，ADP攜帶3個(gè)負(fù)電荷,故這種不等電荷的物質(zhì)交換,使線粒體內(nèi)膜兩側(cè)形成了膜電位差(膜細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)側(cè)多了1個(gè)負(fù)電荷)。這種膜電位差可能是驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)體運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力。在ATP和ADP交換的同時(shí)，膜上的電子轉(zhuǎn)運(yùn)體泵出(n+1)個(gè)H+，其中n個(gè)H通過ATP合成酶用于驅(qū)動(dòng)內(nèi)膜上ATP的形成，1個(gè)H用于中和膜細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)側(cè)的負(fù)電荷，以保證膜兩側(cè)正常的電位差,如圖2所示。研究顯示，當(dāng)膜電位>-1001mV時(shí)，轉(zhuǎn)運(yùn)體運(yùn)輸ATP和ADP的速度會(huì)隨著膜電位的增加而增加。當(dāng)膜電位<-100mV時(shí)，轉(zhuǎn)運(yùn)體運(yùn)輸ATP和

ADP的方向?qū)l(fā)生逆轉(zhuǎn)，即將胞質(zhì)里ATP運(yùn)往線粒體內(nèi),將線粒體內(nèi)ADP運(yùn)往細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)。由此可見，ATP的跨線粒體膜轉(zhuǎn)運(yùn)是一種蛋白質(zhì)載體介導(dǎo)的耗能的主動(dòng)運(yùn)輸過程。此外，以酵母為研究對(duì)象發(fā)現(xiàn)，在無氧情況下，酵母線粒體上的AAC也能將細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中的ATP運(yùn)輸?shù)骄€粒體內(nèi)。推測(cè)這可能是為線粒體內(nèi)耗能代謝過程如自身DNA的復(fù)制、部分蛋白質(zhì)的合成等有關(guān)。AAC每分鐘能轉(zhuǎn)運(yùn)1000~1500個(gè)分子，每天該轉(zhuǎn)運(yùn)體轉(zhuǎn)運(yùn)的

ATP總量大致相當(dāng)于人體的身體質(zhì)量。AAC可以被特異性化合物抑制。JonathanJ.

Ruprecht研究顯示，一種被稱之為米酵菌酸的不飽和脂肪酸毒素，可以競(jìng)爭(zhēng)性的方式結(jié)合在AAC的ATP結(jié)合位點(diǎn)上，從而阻止了ATP與之的結(jié)合，進(jìn)而抑制ADP和ATP的交換。線粒體內(nèi)

ATP無法跨線粒體膜到細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)，而細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中的ADP也無法進(jìn)入線粒體參與ATP合成，從而造成細(xì)胞嚴(yán)重缺少能量而中毒死亡。泡發(fā)過久的黑木耳、變質(zhì)的銀耳會(huì)被椰毒假單胞桿菌污染，從而產(chǎn)生米酵菌酸。所以生活中一定要小心此類食品，以免誤食造成嚴(yán)重食物中毒。另外，關(guān)于AAC如何發(fā)揮其具體功能的分子機(jī)制依然還不太清楚。不過JonathanJRuprecht等通過研究已經(jīng)比較清晰地解析了AAC在轉(zhuǎn)運(yùn)

ATP和ADP時(shí)的動(dòng)態(tài)構(gòu)象變化過程。隨后，

YuriyKirichok等深入研究了AAC在不同組織中轉(zhuǎn)運(yùn)ATP和ADP與H運(yùn)輸?shù)年P(guān)系，為進(jìn)一步在生理?xiàng)l件下了解AAC功能打下基礎(chǔ)。2、

ATP如何跨越葉綠體(質(zhì)體)膜葉綠體在光合作用過程中能產(chǎn)生大量ATP，用于暗反應(yīng)或者葉綠體內(nèi)其他耗能的代謝過程。然而,在無光或光合作用產(chǎn)生ATP不足的條件下,葉綠體卻依賴于外部能量供應(yīng)用于蛋白質(zhì)等物質(zhì)合成。葉綠體內(nèi)膜上所有轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的運(yùn)輸作用都是靠濃度梯度轉(zhuǎn)運(yùn)的，這一點(diǎn)與線粒體有很大不同。核苷酸轉(zhuǎn)運(yùn)體(nucleotidetranslocatorNTT)是存在于所有類型質(zhì)體上的一種轉(zhuǎn)運(yùn)體。NTT負(fù)責(zé)將ATP轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)質(zhì)體，同時(shí)將ADP和Pi轉(zhuǎn)出到細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)。馬鈴薯轉(zhuǎn)基因?qū)嶒?yàn)證實(shí)，通過減少質(zhì)體上NTT載體，限制造粉體內(nèi)的ATP供應(yīng)，可以顯著降低塊莖內(nèi)的淀粉含量。雖然都是催化腺嘌呤核苷酸的交換，但位于質(zhì)體上的NTT在結(jié)構(gòu)、功能和系統(tǒng)發(fā)育上同線粒體內(nèi)膜上的AAC卻有顯著差異。對(duì)線粒體AAC蛋白有抑制作用的米酵菌酸不能抑制質(zhì)體NTT對(duì)ATP的轉(zhuǎn)運(yùn)。NTT將ATP運(yùn)進(jìn)質(zhì)體而將ADP運(yùn)出質(zhì)體,AAC則是將線粒體產(chǎn)生的ATP運(yùn)出線粒體，將ADP運(yùn)進(jìn)線粒體再生為ATP。AAC對(duì)

ATP和ADP的轉(zhuǎn)運(yùn)是生電的，且受到膜外正電荷的刺激。同時(shí)AAC要與線粒體膜上另一種磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白相互作用。該蛋白為ATP合成提供

Pi,從而避免了ATP/ADP的交換引起的磷酸鹽失衡。相比之下，NTT對(duì)ATP轉(zhuǎn)運(yùn)卻是電中性的。因?yàn)樵诿哭D(zhuǎn)運(yùn)1個(gè)ATP的同時(shí)，另2個(gè)含磷底物(即帶1個(gè)負(fù)電荷的HPO，和帶3個(gè)負(fù)電荷的ADP一起)也被同時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)(圖3)。此外，已有實(shí)驗(yàn)證明質(zhì)體內(nèi)部的ADP和磷酸鹽可以刺激NTT攝取

ATP,同時(shí)其活性也受到質(zhì)體內(nèi)ATP/(ADP+Pi)比值的影響。蛋白質(zhì)序列分析表明，AAC和NTT在氨基酸序列上沒有明顯的相似性。人們根據(jù)現(xiàn)有研究提出一個(gè)假說，即NTT只有1個(gè)單一底物結(jié)合中心，從膜的一側(cè)結(jié)合底物后通過構(gòu)象轉(zhuǎn)變將結(jié)合位點(diǎn)切換到另一側(cè)。通過對(duì)擬南芥NTT的無效突變體的研究發(fā)現(xiàn),葉綠體夜間需要輸入ATP還可能是用于修復(fù)光氧化所造成的損傷。葉綠體的內(nèi)囊體膜上，一種被稱為類囊體ADPIATP載體(thylakoid

ADP/

ATPcarrierTAAC)的膜蛋白承擔(dān)著將ATP運(yùn)進(jìn)內(nèi)囊體腔和ADP運(yùn)出到葉綠體基質(zhì)中的功能。

TAAC缺乏會(huì)影響內(nèi)囊體膜上因光抑制所產(chǎn)生的光系統(tǒng)Ⅱ損傷的修復(fù)過程。該修復(fù)過程需要

GTP參與，而TAAC對(duì)底物ATP又具有較嚴(yán)格的專一性，故推測(cè)輸入的ATP必須轉(zhuǎn)變成GTP才能實(shí)現(xiàn)這一功能。3、ATP如何跨內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜和高爾基體膜及過氧化物酶體膜人們從擬南芥中鑒定出了第一個(gè)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腺苷酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(endoplasmic

reticulum-adenine

nucleotidetransporter1,ER-ANT1)。該蛋白同樣催化ATP/ADP的交換，從而向內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔提供ATP。ER-ANT1在快速生長(zhǎng)的組織和代謝旺盛的細(xì)胞中，諸如根尖分生組織、花粉細(xì)胞，有大量表達(dá)的特征。由于發(fā)現(xiàn)了酵母細(xì)胞和哺乳動(dòng)物細(xì)胞的高爾基體能大量攝取ATP和核苷酸糖的有力證據(jù)，故人們推測(cè)在植物高爾基體膜上也一定存在著類似的ATP跨膜機(jī)制。在過氧化物酶體膜上有一種名為過氧化物酶體腺嘌呤核苷酸載體(peroxisomal

adenine

nucleo-

tide

carrierPNC)的蛋白載體負(fù)責(zé)將ATP運(yùn)輸進(jìn)過氧化物酶體內(nèi)，以交換ADP或AMP。該蛋白載體基因在油料作物種子萌發(fā)及生長(zhǎng)過程中表達(dá)。PNC活性降低的擬南芥突變體植株表現(xiàn)出細(xì)胞內(nèi)脂肪酸降解受阻。這說明PNC輸人ATP參與的過氧化物酶體內(nèi)的脂肪酸降解階段，對(duì)過氧化物酶體的能量供應(yīng)有重要作用。4、ATP如何跨細(xì)胞膜細(xì)胞外ATP能發(fā)揮信號(hào)傳導(dǎo)功能，還能作為一種特殊的神經(jīng)遞質(zhì)發(fā)揮作用。在動(dòng)物體內(nèi)，病理?xiàng)l件下,胞外ATP來源于炎癥部位的受損細(xì)胞、巨噬細(xì)胞或淋巴細(xì)胞。而在生理?xiàng)l件下，ATP可以通過幾種不同的嘌呤能信號(hào)外排途徑出細(xì)胞。已發(fā)現(xiàn)動(dòng)植物都能通過陰離子通道、晌葉作用以及ABO轉(zhuǎn)運(yùn)體等幾種跨膜運(yùn)輸方式出細(xì)胞膜(圖4)以動(dòng)物細(xì)胞胞吐釋放ATP作為神經(jīng)遞質(zhì)為例。位于神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)的囊泡上，有一種囊泡核苷酸轉(zhuǎn)運(yùn)體(vesicular

nucleotidetransporterVNUT)負(fù)責(zé)將細(xì)胞內(nèi)ATP運(yùn)輸進(jìn)囊泡中儲(chǔ)存起來。囊泡中積累的ATP在細(xì)胞受刺激時(shí)通過胞吐作用排出,并與靶細(xì)胞表面的嘌呤受體結(jié)合，然后觸發(fā)細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳遞(圖5)。ATP的能量貨幣功能及細(xì)胞內(nèi)各種物質(zhì)代謝之間錯(cuò)綜復(fù)雜的聯(lián)系，使得ATP能在眾多細(xì)胞器之間進(jìn)行跨膜運(yùn)輸。由于細(xì)胞生命現(xiàn)象的復(fù)雜性，人們尚天能完全揭示ATP的各種跨膜運(yùn)輸方式的具體機(jī)制，眾多與之相關(guān)問題都有待進(jìn)一步研究。ATP如何到線粒體外去發(fā)揮作用?在有氧呼吸教學(xué)中，這是深度思考和課后探究的一個(gè)良好的契合點(diǎn)。線粒體內(nèi)產(chǎn)生大量的AT