水通道蛋白的发现及对人体的作用.doc

水通道蛋白的发现及对人体的作用刘彦成（渭南师范学院 环境与生命科学系 陕西渭南 714000） 摘 要：水通道蛋白(aquaporin，AQP) 是一种对水专一的通道蛋白。具有介导水的跨膜转运和调节体内水代谢平衡的功能。水通道蛋白调节失控与水平衡紊乱等一系列疾病密切相关。 关键词：细胞膜；水通道蛋白（AQP）；跨膜转运；疾病；调节 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 水通道蛋白的发现1.1 细胞膜的运输方式细胞是构成生物的基本单位，细胞与细胞之间则是通过细胞膜来沟通和实现基本的生命活动。细胞膜的主要成分为磷脂和蛋白质，其结构为磷脂双分子层，磷脂双分子层上有糖蛋白，糖蛋白所在一侧为细胞外侧。物质跨膜运输可分为自 图1 细胞膜的立体结构由扩散（不需能量、载体），协助扩散（不需要能量、需载体），主动运输（要能量、需载体）三种。还有一些大分子物质是通过胞吞、胞吐方式通过细胞膜，它们需要能量、不要载体。另外还有一种很主要的方式就是通道蛋白。1.2 生物膜水通道的发现【1】长期以来对于水的运输方式研究者普遍认为主要有两种：即简单的扩散方式和借助离子通道通过磷脂双分子层。近些年研究者发现某些细胞在低渗溶液中对水的通透性很高, 很难用简单扩散来解释。如将红细胞移入低渗溶液后，很快吸水膨胀而溶血，而水生动物的卵母细胞在低渗溶液不膨胀。因此，人们推测水的跨膜转运除了简单扩散外, 还存在某种特殊的机制, 并提出了水通道的概念。20世纪80年代中期，美国科学家彼得阿格雷研究了不同的细胞膜蛋白，经过反复研究，他发现一种被称为水通道蛋白的细胞膜蛋白就是人们寻找已久的水通道。为了验证自己的发现，阿格雷把含有水通道蛋白的细胞和去除了这种蛋白的细胞进行了对比试验，结果前者能够吸水，后者不能。为进一步验证，他又制造了两种人造细胞膜，一种含有水通道蛋白，一种则不含这种蛋白。他将这两种人造细胞膜分别做成泡状物，然后放在水中，结果第一种泡状物吸收了很多水而膨胀，第二种则没有变化。这些充分说明水通道蛋白具有吸收水分子的功能，就是水通道（图2）。 图2 细胞膜上的跨膜通道 图3 水分子通过水通道蛋白AQP1那么水通道蛋白为什么只允许水分子而禁止其它的分子和离子通过？水通道蛋白AQP1的立体空间结构于2000年被解出后（图3），科学家得以解释水通道对水分子的高度选择性水分子在通道上半与下半部具有相反方向的偶极矩，故可防止质子的通过。从而揭示了水通道蛋白（Aquaporin，AQP）均具有选择性的让水分子通过的特性。已知与AQP1相似的水通道在人体内至少有十一种。尤其是AQP1及AQP2两种水通道蛋白对每天对尿液吸收一百五十至两百公升水的肾脏最为重要。 由此，我们知道水通过两种机制穿过膜：一种是通过脂双层的扩散。因为脂双层虽是疏水的，其中并非没有空间，水分子可以通过氢键在其中形成类似冰的结构，从而穿过膜；第二种机制是通过专一的水通道蛋白（AQP），它是一类膜蛋白，相对分子质量不大。植物细胞的质膜和液泡膜中各有不同的水通道蛋白。根据来自动物的水通道蛋白的研究，这类蛋白质分布很广泛，意义重大。2 对水通道蛋白的研究进展2.1 对水通道蛋白AQP1的研究 水分子穿越双磷脂生物膜的输运机理是生理学和细胞生物学中一个长期未能解决的重要问题。AQP1的发现和鉴定使得人们确认出一个新的蛋白质家族水通道蛋白家族。正是这一蛋白家族的存在，使得水分子可以进行快速的跨膜传输【3】。AQP1 在细胞膜中以四聚体形式存在（图4），每个单聚体（即一个AQP1 分子）是一个独立功能单元，中心存在一个通道管。它由6个贯穿膜两面的长螺旋构成基本骨架，其中间有两个嵌入但不贯穿膜的短螺旋几乎顶对顶地放置着（图5）。在两个短螺旋相对的顶端各拥有一个在所有水通道家蛋白中都保守存在的Asn-Pro-Ala（NPA）氨基酸组单元。它们使得这种顶对顶结构得以稳定存在。从两个螺旋的顶端分别延生出一条氨基酸残基松散链条分别回绕，走向各自的膜面。 图4 水通道蛋白的投影密度图。 图5 水通道蛋白的螺旋结构构造。2.2 水通道蛋白成员在人体组织中的分布情况【4】 泌尿系统已经有AQPI, AQP2, AQP3, AQP4, AQP6,AQP7, AQP8等7种水通道蛋白亚型在肾脏内被发现；呼吸系统中共发现4种水通道蛋白亚型:AQPI, AQP3, AQP4, AQPS；消化系统至少有8种水通道蛋白(AQP I、AQP3、AQP4、AQPS、AQPS、AQPg、AQP10、AQP12)在消化道上皮表达；神经系统中的脑内水通道蛋白主要是AQP3、AQPS、AQP8等存在于神经元内，AQP3、AQP4、AQPS、AQPS和AQPgmRNA则存在于星形胶质细胞中。3 水通道蛋白对人体的功能及作用 AQP作为细胞膜上的一种对水专一的通道蛋白，普遍存在于动植物及微生物细胞膜上，尤其在动物体中的功能和作用日益凸显。研究其对人类疾病的治疗无疑具有重要的价值，目前已发现人体内至少有11种【5】（AQP0AQP10），其中大部分存在肾脏、大脑、眼睛和心脏中.3.1 AQP与眼眼组织是人体含水最丰富的器官，其多项生理功能的完成依赖于快速、高效的细胞水转运。而水通道蛋白是遍布于机体内与水的转运有关的通道蛋白，在眼组织亦有多种类型的水通道蛋白分布。如AQPO存在于晶状体纤维细胞；AQP1在睫状体和虹膜上皮、角膜及小梁网、视网膜等处表达；AQP3位于结膜上皮；AQP4在睫状体非色素上皮细胞和视网膜等多部位表达【6】。水通道蛋白1（Aquaporin- 1，AQP1）在各种类型及不同发展时期原发性青光眼患者的小梁组织中表达的改变，为研究青光眼的发病机理及治疗提供一条新的思路。目前已证实：1.持续高眼压可破坏小梁网正常结构，使小梁细胞数目减少，导致结构和功能异常，并可使小梁网AQP1的表达减少；2. 眼压急剧升高的早期，机体能够自主上调小梁网内皮细胞膜AQP1的表达【7】。 3.2 AQP与肾梗阻性黄疸是胆道外科常见疾病,临床上约8%的患者在手术期出现急性肾功能不全。人们发现水通道蛋白之后,就可以利用其特点在分子水平研究肾损伤。AQP 3是肾脏集合管自由水代谢调节的主要蛋白质。梗阻性黄疸肾集合管损伤的研究对于指导临床早期治疗具有重要意义【8】水通道蛋白基因在胎肾中表达的研究，现已发现共有7种水通道蛋白(AQP)1,2,3,4,6,7,8在肾脏中表达,主要集中在近曲小管、亨勒袢降支、集合管等;AQP1-4参与水的重吸收和尿浓缩,有关AQP6-8的生理与病理意义不明【9】3.3 AQP与肺肺分布于肺组织的AQP有6种(AQP1、AQP3、AQP4、AQP5、AQP8及AQP9),分别表达于肺组织的不同部位,其中AQP1、AQP3、AQP4及AQP5在肺泡毛细血管间水的转运中发挥重要的作用,可能参与了出生时肺泡液体的吸收、气道的湿化、肺水容量的调节及肺水肿的形成。就水通道蛋白在肺组织的分布、功能及与肺出血的关系作如下综述【10】：水通道蛋白（AQP）的作用对临床治疗肺水肿有重要意义，AQPs功能均不受温度和脂质膜成分影响，而且不存在开放和关闭的功能状态，只要有渗透压梯度就有水分子顺渗透压梯度通过水孔通道。目前发现有6种AQPs在肺脏表达。实验证实，急性肺损伤时，都存在肺泡上皮细胞和毛细血管内皮细胞AQPs表达量减少和活性降低；通过提高AQPs含量或者活性，增强肺水肿患者肺水清除率，可能是治疗肺水肿的有效途径【11】。水通道蛋白的发现使肺水肿的研究跃入了一个全新的阶段，它的发现使我们能够在分子水平认识肺水肿发生、发展的全过程。对肺水肿发生后AQPs的变化机制和AQPs家族成员在肺脏的分布、表达、调控和代谢机制以及AQPs在肺水肿发生、发展中的作用的深入研究，将会对研究肺水肿的发病机制有重要意义，从而为临床对肺水肿的治疗提供新思路、新途径。3.4 AQP与心AQP2是1993年被克隆确认的水通道蛋白家族中的一种,位于肾脏集合管主细胞管腔侧和靠近管腔侧的囊泡内,是血管加压素依赖性水通道,是调节肾脏集合管对水通性的关键蛋白,在调节肾脏水平衡中起重要作用,并被认为是维持体内水平衡的必需物质;水通道蛋白2是血管加压素对肾脏集合管调节的重要对象,进而达到改变集合管主细胞水通透性的目的,调节方式有两种,即短期调节和长期调节; AQP2的调节机制异常与某些心血管系统疾病,如充血性心力衰竭、高血压的发病和其所致的病理生理学改变密切相关【12】。 3.5 AQP与脑在哺乳动物内已发现有十种水通道蛋白（AQPOAQP9）分布于水代谢活跃的器官。每种水通道蛋白都具有组织分布特异性，不同水通道蛋白之间的结构相似，均以四聚体形式存在，每一单体构成一个功能单位（水通道），具有转运水的功能。脑组织中的水通道蛋白主要的AQP4和AQP1，其分子结构与功能在基因水平存在动态调节【13】。深入研究它们在脑内的分布与功能，尤其与脑水肿之间的关系，对指导脑水肿治疗和开发新药均具有重要意义。作为具有高度选择性的水通道特异蛋白家族，其中AQP4则主要分布于脑部。AQP4是胶质细胞与细胞间液、脑脊液以及血管之间的水调节和运输的重要结构基础，参与了各种原因如创伤、中风、脑肿瘤等所致的脑水肿的形成以及癫痫的发生，对AQP4在脑水肿中的形成机制的作用研究有望为临床脑水肿的治疗开辟新的途径【14】。4 总结 水通道蛋白作为细胞膜上的重要水通道之一有着特殊的意义。研究者们通过对水通道蛋白的深入研究，尤其是对人体细胞的11种AQP的功能和作用的全面揭晓，对人类的某些疾病治疗有着非常重要的作用。对于目前很难根治的一些疾病或许从水通道蛋白处能够找到理想答案。 （指导教师：张万海）参考文献：【1】/JXZY/JXSC/200510/170.html【2】关桂梅，徐春玲，董震等。水通道蛋白-1在鼻息肉组织中的表达。中华耳鼻咽喉杂志，2001，36（5）：330-332【3】期刊论文 隋海心, 任罡 - 化学进展 2004年2期【4】期刊论文 侯彩云, 陈超 - 生命的化学 2008年2期【5】张勋，袁永一，顾文平等，水通道蛋白-2在鼻息肉组织中的表达。中华耳鼻咽喉杂志，2003，38（4）：272-332【6】陈海 孙善全 现代医药卫生, 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