1、結構生物學課程報告細胞膜水通道周桂梅周桂梅0813005332016.04.04水通道-研究背景研究者介紹： 彼得阿格雷1949年生于美國明尼蘇達州小城諾斯菲爾德，1974年在巴爾的摩約翰斯霍普金斯大學醫學院獲醫學博士，后為該學院生物化學教授和醫學教授。2004年來到杜克大學，擔任醫學院副院長。 早在100多年前，人們就猜測細胞中存在特殊的輸送水分子的通道。但直到1988年，阿格雷才成功分離出了一種膜蛋白質，之后他意識到它就是科學家孜孜以求的水通道。阿格雷于2003年被授予諾貝爾化學獎。諾貝爾獎評選委員會說，這是個重大發現，開啟了細菌、植物和哺乳動物水通道的生物化學、生理學和遺傳學研究之門。

2、水通道-研究背景研究者介紹： 二十世紀八十年代中期，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，結果的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。 2000年阿格雷與其他研究人員一起公布了世界第一張水通道蛋白的高清晰度立

3、體照片，照片揭示了這種蛋白的特殊結構只能允許水分子通過。 1991年阿格雷發現第一個水通道蛋白chip28（28KD），chip28的m RNA能引起非洲爪蟾卵母細胞吸水破裂，已知這種吸水膨脹現象會被Hg 2+ 抑制。水通道-研究背景水通道介紹： 包括人類在內的各種生物都是由細胞組成的，細胞如同一個由城墻圍起來的微小城鎮，有用的物質不斷被運進來，廢物被不斷運出去。早在一百多年前，人們就猜測細胞這一微小城鎮的成墻中存在著很多“城門”他們只允許特定的分子或離子出入。 生物體的主要組成部分是水溶液，水溶液占人體重量的70%，生物體內的水溶液主要由水分子和各種離子組成，他們在細胞膜通道中的進進出出，可

4、以實現細胞的很多功能。二十世紀五十年代中期，科學家發現細胞膜中存在著某種通道只允許水分子出入，人們稱之為水通道。因為水對于生命至關重要，可以說水通道是最重要的一種細胞膜通道。水通道-研究背景 水通道介紹： 水通道發現開辟了一個新的研究領域，目前科學家發現水通道蛋白廣泛存在于動物、植物和微生物中。它的種類很多，僅人體內就有十一種。它具有十分重要的作用，比如在人的腎臟中就起著關鍵的過濾作用，通常一個成年人每天要產生170升的原尿，這些原尿經腎臟腎小球中的水通道蛋白的過濾，其中大部分是被人體循環利用，最終只有約一升的尿液排出人體。 目前在人類細胞中已發現至少11種此類蛋白被命名為水通道蛋白（aqua

5、porin，AQP）。APQ0,APQ1，APQ2，APQ3，APQ4，APQ5，APQ6，APQ7，APQ8，APQ9，APQ10,類似APQ的蛋白質稱為超水通道蛋白（APQ11，APQ12）.水通道-結構描述AQP1以四聚體的形式存在于細胞膜中， 每個亞基都能形成功能上獨立的孔道。 序列分析表明， 它是一個6次跨膜的蛋白， N-端和C-端序列相似， 各具有一個保守的特征性序列Asn-Pro-Ala(NPA)3(圖1)。 AQP1具有4個半胱氨酸， 但突變研究表明， 僅僅一個(Cys-189)對汞離子敏感， 這個半胱氨酸靠近NPA序列， 位于水通道的孔道內。 水通道-結構描述 從AQP1的多

6、肽中發現了四個半胱氨酸（87、192、152和189位）。每個半胱氨酸被取代為絲氨酸。比較卵母細胞的重組體中突變型和野生型AQP1對水的通透性。結果只有E環的殘基沒有被汞抑制。在B環的相應位置用一個半胱氨酸取代了丙氨酸，這個蛋白顯示出了汞敏感的水通透性而在APQ1其他位置的置換未能導致這種現象的發生。這提示這一分子B環和E環的相應部分一定形成了沙漏樣的水孔通道。六個跨膜螺旋表明他們圍繞形成一個中心區域，包括B環從細胞質表面進入細胞膜，E環從細胞外進入細胞膜。APQ1的結構可以解釋水通道在水的吸收和分泌兩個運動方向上所起的作用。膜上處于反方向相對位置的B環和E環對構成功能性水選擇通透十分重要。水

7、通道-結構描述 CHIP兩端序列相互關聯，B環（細胞內76-78位）和E環（細胞內192-194位）均有一個NPA模序（asparagine-protein-alanine）。E環的NPA靠近汞抑制點189位的半胱氨酸。B環和E環的重疊部分顯示出他們形成一個單一的水的孔道向下穿過分子的中心，NPA的主要成分并列在一起成180度相聯。APQ1是一個四聚體，每一個亞基單位有一個中心孔道。水通道-結構描述 Agre通過重組技術在AQP1上引入特異性的酶切位點， 并用酶切分析揭示了它的拓撲學結構， 據此提出“砂漏模型(hourglass model)”。 這個模型認為：兩個分別位于N-端和C-端包含N

8、PA序列的螺旋從膜內外兩側朝膜中央伸展而重疊， 并形成一個被6次跨膜的螺旋所包圍的孔道。 這個模型是生化上對AQP1結構認識的一個總結。 水通道-作用機制每個水通道蛋白亞基具有一個砂漏狀的孔道， 長度為20 。整個孔道側壁主要由疏水性氨基酸圍成， 但也提供了4個親水的位點，利于水分子結合，以降低水分子穿過孔道時的能量障礙。這兩種因素達成一種巧妙的平衡，保證了水通道對水的極高的通透率和選擇性。在孔道中點上方8 處，直徑最為狹窄，此處可以通過大小限制(size restriction)和靜電排斥作用(electrostatic repulsion)來選擇水分子。 最窄處主要由精氨酸(Arg-195

9、)和組氨酸(His-180)的側鏈圍成，直徑2.8 ， 與水分子的范德華半徑相似，可以濾掉比水分子半徑大的分子。由于精氨酸(Arg-195)和組氨酸(His-180)在生理條件下都帶有正 電荷，可以排斥陽離子，緊密結合陰離子， 使它們無法穿過水通道。 水通道-作用機制在水通道里，最引人注目的是NPA的特征性序列，它在所有的水通道中都存在。 兩個NPA序列結構通過范德華力并排地結合在孔道的中點處，兩個短的-螺旋與NPA序列相連，且N末端朝向孔道，使得NPA上的天冬酰氨帶上部分正電荷。目前認為穿過水通道的水分子在此處與兩個天冬酰氨形成臨時氫鍵，從而發生極性翻轉(water dipole reori

10、entation)水分子進入孔道的胞外側時氧原子朝下，在到達胞質側時氧原子變成朝上(圖2)，其結果是打破水分子之間形成的連續氫鍵，阻斷質子運輸。 水通道-研究意義水通道的生理功能：關于水通道的研究正由分子克隆轉向關于水通道的研究正由分子克隆轉向生理功能研究。哺乳動物水通道中 AQP一2、AQP46、AQP8呈現選擇性水通透，AQP3、AQP7、AQP9在 通透水的同時也通透尿素或甘油等小分子物質。關于水通道功能的研究有賴于無毒的水通道阻斷劑的開發，選擇性敲除某種水通道進行水通道功能研究。 1、在呼吸道和肺的水代謝方面：肺泡液體轉運、水跨上皮轉運、參與肺水清除 2、在消化道的水代謝方面： AQP

11、4參與結腸液體的吸收、AQP1缺乏使近曲小管滲透性水通透性降低，近 曲小管等滲液體重吸收降低 3、泌尿系統：血管升壓素介導的AQP2分子轉位模型是腎臟調節水通透功能的短期調節方式 4、神經系統：在種樹神經系統內廣泛存在著水通道蛋白分布。目前對腦內水通道蛋白的研究多集中在AQP4這一亞型上。水通道-研究意義n水通道表達及活性的調節：n目前研究表明調節水通道的因素包括激素、神經遞質及細胞因子。 1、水通透性的迅速調節涉及到細胞內富含水通道的囊泡和頂質膜的再分布，即穿假說。 2、糖皮質激素使水通道上調；表皮生長因子 (Keratinocytegrowth factor，KGF) 腫瘤壞死因子使水通道

12、基因表達下調。 3、促胰液素能使 AQP1從膽管細胞內到頂質膜；乙酰 膽堿通過 M3受體使唾液腺上皮的 AQP5在細胞內囊泡與頂質膜間穿梭。 4、高滲溶液使培養 MDCK細胞 AQP3 mRNA 和蛋白表達增加。pH 和 Ca離子調節 AQP0的水滲透性。水通道-研究意義n水通道異常與臨床疾病：n在臨床疾病中水通道的病理變化，正 在逐漸被認識，這將 促進我們對某些與水代謝有關 的臨床疾病的發病機制的了解。 1、血管加壓素通過 V2受體使 AQP2在 囊泡與細胞膜間穿梭，先 天性的腎源性尿崩癥 (Nephor-genicdiabetesinsipidus，NDI)或是有 V2受體的異 常或是有 AQP穿梭異常 。相反，在懷孕、充血性 心力衰竭時，AQP2表達增加，AQP5缺乏 引起氣道高反應 。 2、腺病毒感染引起 AQP1和 AQP5低表達，提示 AQP1和 AQP5可能參與肺內炎癥時液體轉運異常 。 3、假性肌肥大病人骨骼肌細胞 AQP4 表達減少。在臨床疾病中水通道的病理變化正在逐漸被認識，這將促進我們對某些與水代謝有關的臨床疾病的發病機制的了解。水通道-參考文獻郭昊，李學軍. 細胞膜上的水通道-2003年諾貝爾化學獎