水通道蛋白结构与功能的关系

1、水通道蛋白的结构与功能水通道蛋白的结构与功能一、水通道蛋白的重要性一、水通道蛋白的重要性二、水通道蛋白的发现二、水通道蛋白的发现三、水通道蛋白的结构三、水通道蛋白的结构四、对水分子的筛选机理四、对水分子的筛选机理一、水通道蛋白的重要性一、水通道蛋白的重要性 水分子以简单渗透扩散方式通过细胞膜，但扩散水分子以简单渗透扩散方式通过细胞膜，但扩散速度非常缓慢，科学研究证明，水分子跨越细胞膜的速度非常缓慢，科学研究证明，水分子跨越细胞膜的快速输运是通过细胞膜上的一种水通道蛋白（快速输运是通过细胞膜上的一种水通道蛋白（ aquaporin, AQP）实现的。）实现的。 在哺乳动物中，水通道蛋白大量存在于

2、肾脏、血在哺乳动物中，水通道蛋白大量存在于肾脏、血细胞和眼睛等器官中，如肾小管的近曲小管对水的重吸收、细胞和眼睛等器官中，如肾小管的近曲小管对水的重吸收、从脑中排除额外的水、唾液和眼泪的形成，对体液渗透、从脑中排除额外的水、唾液和眼泪的形成，对体液渗透、泌尿等生理过程非常重要。泌尿等生理过程非常重要。 在植物中，水通道蛋白直接参与根部水分吸收及在植物中，水通道蛋白直接参与根部水分吸收及整个植物的水平衡。整个植物的水平衡。二、水通道蛋白的发现二、水通道蛋白的发现 19世纪中叶，人们设想生物器官的表面存世纪中叶，人们设想生物器官的表面存在传输水和小分子溶质的通道在传输水和小分子溶质的通道“（cha

3、nnel）”。 20世纪世纪50年代后期到年代后期到80年代中期，一些对年代中期，一些对血红细胞进行研究的学者提出在血红细胞膜上血红细胞进行研究的学者提出在血红细胞膜上可能存在有可以传输水分子的蛋白。可能存在有可以传输水分子的蛋白。 1988年年Agre研究组从血红细胞和肾小管中研究组从血红细胞和肾小管中分离纯化了分离纯化了CHIP28（channel-like integral membrane protein，23kDa），又被命名为），又被命名为AQP1 注入了注入了AQP1水通道蛋白水通道蛋白mRNA的蛙卵细胞在高的蛙卵细胞在高渗透压介质环境中迅速膨胀（上一行图）；与之相对渗透压介质环

4、境中迅速膨胀（上一行图）；与之相对应，没有注入应，没有注入AQP1蛋白蛋白mRNA的蛙卵细胞则没有变的蛙卵细胞则没有变化（下一行图）化（下一行图）三、水通道蛋白的结构三、水通道蛋白的结构 蛋白质的功能是蛋白质的功能是通过其结构来实现的，通过其结构来实现的，要解决功能机理问题，要解决功能机理问题，必须首先解决它的结必须首先解决它的结构问题。构问题。 水通道蛋白的投水通道蛋白的投影密集图显示在双磷脂膜中，影密集图显示在双磷脂膜中，4个个AQP1分子分子构成一个四聚体，每个水通道蛋白分子单体的构成一个四聚体，每个水通道蛋白分子单体的中心存在一个只允许水分子通过的通道管。中心存在一个只允许水分子通过的

5、通道管。 对对AQP1晶体学数据分晶体学数据分析表明，水孔蛋白由析表明，水孔蛋白由4个个亚基组成四聚体，每个亚亚基组成四聚体，每个亚基都由基都由6个跨膜个跨膜螺旋组螺旋组成。每个水孔蛋白亚基单成。每个水孔蛋白亚基单独形成一个供水分子运动独形成一个供水分子运动的中央孔，孔的直径稍大的中央孔，孔的直径稍大于水分子直径，约于水分子直径，约0.28nm，水孔长约水孔长约2nm。四、对水分子的筛选机理四、对水分子的筛选机理1）通道管的空间尺寸限制了比水分子大的小分子通过）通道管的空间尺寸限制了比水分子大的小分子通过 直径约直径约 0.28nm2）高度特异的亲水通道）高度特异的亲水通道 尽管现在还没有完全

6、揭示为何尽管现在还没有完全揭示为何AQP1在对水分子快速在对水分子快速通过的同时能有效阻止质子的通过，表现出对水分子的特通过的同时能有效阻止质子的通过，表现出对水分子的特异通透性，但已有的数据表明，这种特异性与两个半跨膜异通透性，但已有的数据表明，这种特异性与两个半跨膜区的区的Asn-Pro-Ala模式有关。模式有关。AQP1中央孔的孔径无法通过中央孔的孔径无法通过比水分子大的物质，而两个比水分子大的物质，而两个Asn-Pro-Ala中的中的Asn残基所带残基所带的正电荷也排除了质子的通过，因此，的正电荷也排除了质子的通过，因此，AQP1是一个高度特是一个高度特异的亲水通道，只允许水而不允许离子或其他小分子溶质异的亲水通道，只允许水而不允许离子或其他小分子溶质通过。通过。 值得一提的