水通道蛋白的發現及對人體的作用劉彥成（渭南師范學院 環境與生命科學系 陜西渭南 714000） 摘 要：水通道蛋白(aquaporin，AQP) 是一種對水專一的通道蛋白。具有介導水的跨膜轉運和調節體內水代謝平衡的功能。水通道蛋白調節失控與水平衡紊亂等一系列疾病密切相關。 關鍵詞：細胞膜；水通道蛋白（AQP）；跨膜轉運；疾病；調節 Abstract: The pass of water protein (aquaporin, AQP) is one kind of adding water single-minded channel protein.Has lies between leads the water the cross membrane transportation and the adjustment body domestic waters metabolism balance function.Pass of water protein adjustment out of control and level balance disorder and so on a series of disease close correlation. Key word: Cell membrane pass of water protein (AQP) cross membrane transportation disease adjusts1 水通道蛋白的發現1.1 細胞膜的運輸方式細胞是構成生物的基本單位，細胞與細胞之間則是通過細胞膜來溝通和實現基本的生命活動。細胞膜的主要成分為磷脂和蛋白質，其結構為磷脂雙分子層，磷脂雙分子層上有糖蛋白，糖蛋白所在一側為細胞外側。物質跨膜運輸可分為自 圖1 細胞膜的立體結構由擴散（不需能量、載體），協助擴散（不需要能量、需載體），主動運輸（要能量、需載體）三種。還有一些大分子物質是通過胞吞、胞吐方式通過細胞膜，它們需要能量、不要載體。另外還有一種很主要的方式就是通道蛋白。1.2 生物膜水通道的發現【1】長期以來對于水的運輸方式研究者普遍認為主要有兩種：即簡單的擴散方式和借助離子通道通過磷脂雙分子層。近些年研究者發現某些細胞在低滲溶液中對水的通透性很高, 很難用簡單擴散來解釋。如將紅細胞移入低滲溶液后，很快吸水膨脹而溶血，而水生動物的卵母細胞在低滲溶液不膨脹。因此，人們推測水的跨膜轉運除了簡單擴散外, 還存在某種特殊的機制, 并提出了水通道的概念。20世紀80年代中期，美國科學家彼得阿格雷研究了不同的細胞膜蛋白，經過反復研究，他發現一種被稱為水通道蛋白的細胞膜蛋白就是人們尋找已久的水通道。為了驗證自己的發現，阿格雷把含有水通道蛋白的細胞和去除了這種蛋白的細胞進行了對比試驗，結果前者能夠吸水，后者不能。為進一步驗證，他又制造了兩種人造細胞膜，一種含有水通道蛋白，一種則不含這種蛋白。他將這兩種人造細胞膜分別做成泡狀物，然后放在水中，結果第一種泡狀物吸收了很多水而膨脹，第二種則沒有變化。這些充分說明水通道蛋白具有吸收水分子的功能，就是水通道（圖2）。 圖2 細胞膜上的跨膜通道 圖3 水分子通過水通道蛋白AQP1那么水通道蛋白為什么只允許水分子而禁止其它的分子和離子通過？水通道蛋白AQP1的立體空間結構于2000年被解出后（圖3），科學家得以解釋水通道對水分子的高度選擇性水分子在通道上半與下半部具有相反方向的偶極矩，故可防止質子的通過。從而揭示了水通道蛋白（Aquaporin，AQP）均具有選擇性的讓水分子通過的特性。已知與AQP1相似的水通道在人體內至少有十一種。尤其是AQP1及AQP2兩種水通道蛋白對每天對尿液吸收一百五十至兩百公升水的腎臟最為重要。 由此，我們知道水通過兩種機制穿過膜：一種是通過脂雙層的擴散。因為脂雙層雖是疏水的，其中并非沒有空間，水分子可以通過氫鍵在其中形成類似冰的結構，從而穿過膜；第二種機制是通過專一的水通道蛋白（AQP），它是一類膜蛋白，相對分子質量不大。植物細胞的質膜和液泡膜中各有不同的水通道蛋白。根據來自動物的水通道蛋白的研究，這類蛋白質分布很廣泛，意義重大。2 對水通道蛋白的研究進展2.1 對水通道蛋白AQP1的研究 水分子穿越雙磷脂生物膜的輸運機理是生理學和細胞生物學中一個長期未能解決的重要問題。AQP1的發現和鑒定使得人們確認出一個新的蛋白質家族水通道蛋白家族。正是這一蛋白家族的存在，使得水分子可以進行快速的跨膜傳輸【3】。AQP1 在細胞膜中以四聚體形式存在（圖4），每個單聚體（即一個AQP1 分子）是一個獨立功能單元，中心存在一個通道管。它由6個貫穿膜兩面的長螺旋構成基本骨架，其中間有兩個嵌入但不貫穿膜的短螺旋幾乎頂對頂地放置著（圖5）。在兩個短螺旋相對的頂端各擁有一個在所有水通道家蛋白中都保守存在的Asn-Pro-Ala（NPA）氨基酸組單元。它們使得這種頂對頂結構得以穩定存在。從兩個螺旋的頂端分別延生出一條氨基酸殘基松散鏈條分別回繞，走向各自的膜面。 圖4 水通道蛋白的投影密度圖。 圖5 水通道蛋白的螺旋結構構造。2.2 水通道蛋白成員在人體組織中的分布情況【4】 泌尿系統已經有AQPI, AQP2, AQP3, AQP4, AQP6,AQP7, AQP8等7種水通道蛋白亞型在腎臟內被發現；呼吸系統中共發現4種水通道蛋白亞型:AQPI, AQP3, AQP4, AQPS；消化系統至少有8種水通道蛋白(AQP I、AQP3、AQP4、AQPS、AQPS、AQPg、AQP10、AQP12)在消化道上皮表達；神經系統中的腦內水通道蛋白主要是AQP3、AQPS、AQP8等存在于神經元內，AQP3、AQP4、AQPS、AQPS和AQPgmRNA則存在于星形膠質細胞中。3 水通道蛋白對人體的功能及作用 AQP作為細胞膜上的一種對水專一的通道蛋白，普遍存在于動植物及微生物細胞膜上，尤其在動物體中的功能和作用日益凸顯。研究其對人類疾病的治療無疑具有重要的價值，目前已發現人體內至少有11種【5】（AQP0AQP10），其中大部分存在腎臟、大腦、眼睛和心臟中.3.1 AQP與眼眼組織是人體含水最豐富的器官，其多項生理功能的完成依賴于快速、高效的細胞水轉運。而水通道蛋白是遍布于機體內與水的轉運有關的通道蛋白，在眼組織亦有多種類型的水通道蛋白分布。如AQPO存在于晶狀體纖維細胞；AQP1在睫狀體和虹膜上皮、角膜及小梁網、視網膜等處表達；AQP3位于結膜上皮；AQP4在睫狀體非色素上皮細胞和視網膜等多部位表達【6】。水通道蛋白1（Aquaporin- 1，AQP1）在各種類型及不同發展時期原發性青光眼患者的小梁組織中表達的改變，為研究青光眼的發病機理及治療提供一條新的思路。目前已證實：1.持續高眼壓可破壞小梁網正常結構，使小梁細胞數目減少，導致結構和功能異常，并可使小梁網AQP1的表達減少；2. 眼壓急劇升高的早期，機體能夠自主上調小梁網內皮細胞膜AQP1的表達【7】。 3.2 AQP與腎梗阻性黃疸是膽道外科常見疾病,臨床上約8%的患者在手術期出現急性腎功能不全。人們發現水通道蛋白之后,就可以利用其特點在分子水平研究腎損傷。AQP 3是腎臟集合管自由水代謝調節的主要蛋白質。梗阻性黃疸腎集合管損傷的研究對于指導臨床早期治療具有重要意義【8】水通道蛋白基因在胎腎中表達的研究，現已發現共有7種水通道蛋白(AQP)1,2,3,4,6,7,8在腎臟中表達,主要集中在近曲小管、亨勒袢降支、集合管等;AQP1-4參與水的重吸收和尿濃縮,有關AQP6-8的生理與病理意義不明【9】3.3 AQP與肺肺分布于肺組織的AQP有6種(AQP1、AQP3、AQP4、AQP5、AQP8及AQP9),分別表達于肺組織的不同部位,其中AQP1、AQP3、AQP4及AQP5在肺泡毛細血管間水的轉運中發揮重要的作用,可能參與了出生時肺泡液體的吸收、氣道的濕化、肺水容量的調節及肺水腫的形成。就水通道蛋白在肺組織的分布、功能及與肺出血的關系作如下綜述【10】：水通道蛋白（AQP）的作用對臨床治療肺水腫有重要意義，AQPs功能均不受溫度和脂質膜成分影響，而且不存在開放和關閉的功能狀態，只要有滲透壓梯度就有水分子順滲透壓梯度通過水孔通道。目前發現有6種AQPs在肺臟表達。實驗證實，急性肺損傷時，都存在肺泡上皮細胞和毛細血管內皮細胞AQPs表達量減少和活性降低；通過提高AQPs含量或者活性，增強肺水腫患者肺水清除率，可能是治療肺水腫的有效途徑【11】。水通道蛋白的發現使肺水腫的研究躍入了一個全新的階段，它的發現使我們能夠在分子水平認識肺水腫發生、發展的全過程。對肺水腫發生后AQPs的變化機制和AQPs家族成員在肺臟的分布、表達、調控和代謝機制以及AQPs在肺水腫發生、發展中的作用的深入研究，將會對研究肺水腫的發病機制有重要意義，從而為臨床對肺水腫的治療提供新思路、新途徑。3.4 AQP與心AQP2是1993年被克隆確認的水通道蛋白家族中的一種,位于腎臟集合管主細胞管腔側和靠近管腔側的囊泡內,是血管加壓素依賴性水通道,是調節腎臟集合管對水通性的關鍵蛋白,在調節腎臟水平衡中起重要作用,并被認為是維持體內水平衡的必需物質;水通道蛋白2是血管加壓素對腎臟集合管調節的重要對象,進而達到改變集合管主細胞水通透性的目的,調節方式有兩種,即短期調節和長期調節; AQP2的調節機制異常與某些心血管系統疾病,如充血性心力衰竭、高血壓的發病和其所致的病理生理學改變密切相關【12】。 3.5 AQP與腦在哺乳動物內已發現有十種水通道蛋白（AQPOAQP9）分布于水代謝活躍的器官。每種水通道蛋白都具有組織分布特異性，不同水通道蛋白之間的結構相似，均以四聚體形式存在，每一單體構成一個功能單位（水通道），具有轉運水的功能。腦組織中的水通道蛋白主要的AQP4和AQP1，其分子結構與功能在基因水平存在動態調節【13】。深入研究它們在腦內的分布與功能，尤其與腦水腫之間的關系，對指導腦水腫治療和開發新藥均具有重要意義。作為具有高度選擇性的水通道特異蛋白家族，其中AQP4則主要分布于腦部。AQP4是膠質細胞與細胞間液、腦脊液以及血管之間的水調節和運輸的重要結構基礎，參與了各種原因如創傷、中風、腦腫瘤等所致的腦水腫的形成以及癲癇的發生，對AQP4在腦水腫中的形成機制的作用研究有望為臨床腦水腫的治療開辟新的途徑【14】。4 總結 水通道蛋白作為細胞膜上的重要水通道之一有著特殊的意義。研究者們通過對水通道蛋白的深入研究，尤其是對人體細胞的11種AQP的功能和作用的全面揭曉，對人類的某些疾病治療有著非常重要的作用。對于目前很難根治的一些疾病或許從水通道蛋白處能夠找到理想答案。 （指導教師：張萬海）參考文獻：【1】/JXZY/JXSC/200510/170.html【2】關桂梅，徐春玲，董震等。水通道蛋白-1在鼻息肉組織中的表達。中華耳鼻咽喉雜志，2001，36（5）：330-332【3】期刊論文 隋海心, 任罡 - 化學進展 2004年2期【4】期刊論文 侯彩云, 陳超 - 生命的化學 2008年2期【5】張勛，袁永一，顧文平等，水通道蛋白-2在鼻息肉組織中的表達。中華耳鼻咽喉雜志，2003，38（4）：272-332【6】陳海 孫善全 現代醫藥衛生, 2005(12): 1518-1520【7】/meeting/ShowArticle.asp?ArticleID=4686【8】/kns50/GetInfoByDOI.aspx?DOI=CNKI:SUN:ZHPZ.0.2007-08-033【9】/pay.php?id=62251912【10】/grid20/GetInfoByDOI.a