1、细胞膜水通道,Water Channels05级生物技术1班 王冠博,水对生命的意义,生命现象与水脱不了关系。与生命有关的一切生理、生化反应，都是在水中发生的。 当细胞以双层磷脂质组成的细胞膜隔出内外，阻绝了水与离子的通透，如何维持细胞膜内外渗透压的平衡，就变得非常重要了。 如果细胞里的水太多（或离子浓度太低），细胞会被撑破，如果细胞里的水太少（或离子浓度太高），细胞会变得干瘪，生化反应无法顺畅进行。,水的跨膜转运具有重要的生物学和生理学意义,肾对渗透压和水代谢的调节； 胃肠道、呼吸道和生殖道上皮细胞液体的分泌和吸收； 脑脊液的形成； 汗液的分泌. 在参与上述过程细胞的细胞膜上都有水通道的表达
2、。水通道蛋白的发现使人们重新认识水转动的生理和病理生理过程。,水通道是最重要的一种细胞膜通道。,发现史,1920 年代以前,人们认为水分子以扩散机理通过细胞膜,但水凭借扩散方式通过细胞膜的通量很低以及活化能很高,难以解释水分子以很快的速度大量通过细胞膜的现象。 1950年代，人们发现水分子可以很快地通过选择性通道进入红细胞，而其他溶质分子和离子则不能通过红细胞膜。 此后三十年研究表明，细胞膜上的水通道是一种具有高度选择性的过滤器，在渗透梯度的驱动下，允许水分子通过，而质子则不能通过。 1988年，阿格雷从红细胞和肾小管中分离出一种功能为治的新的膜蛋白-CHIP28（AQP1）。 1991年，经
3、过N2段肽链测序和整个cDNA序列测定获得了蛋白质的氨基酸序列结构，证实了这就是一直寻求的水通道。 阿格雷与他的合作者用高分辨成像技术研究AQP水通道膜 蛋白，并在2000年公布了世界第一张分辨率为0.38纳米的高清晰度立 体结构图。,54岁的化学奖得主彼得阿格雷。 年生于美国明尼苏达州小城诺斯菲尔德，年在巴尔的摩约翰斯霍普金斯大学博士，现为该医学院获医学学院生物化学教授和医学教授。,Agre关于AQP蛋白组的意外发现是水通道的研究经历了一场革命，并且为生理学和医学的重要领域奠定了坚实的生物化学基础。诺贝尔化学奖评选委员会对此的评价是：水通道的发现，开启了细菌、植物和哺乳动物水通道的生物化学、
4、生理学和遗传学研究之门，具有重大的科学意义。,水孔蛋白（AQP） 一、概述,AQP 是特异性跨膜转运水的蛋白家族，属主体内在蛋白家族，能显著增加细胞膜水的通透性，参与水的分泌、吸收及细胞内外水的平衡。 迄今为止，已在细菌、酵母、植物、昆虫和脊椎动物中发现至少50余种水通道。它的种类很多，仅人体就有11种，而植物的水通道蛋白质数量更多。,二、结构特征 （一）基因结构,AQP家族由一个基因组进化而来，典型的AQP基因结构含有一个较大的外显子编码AQP的氨基端半侧分子和四个较小的外显子编码AQP的羟基端半侧分子。 AQP是一种糖蛋白，分子量28KD。,（二）分子结构,AQP家族的基本结构是一个单肽链
5、，含有6个跨膜区域及5个环，B、D环及羟基、氨基末端均在细胞内，A、C、E环定位于质膜外侧。B、E环显著疏水，A环有N-连接糖基化部位。 整个分子为两个重复部分，在序列上是相在膜上特此呈180%26ordm;中心对称排列，水通道的这种结构或许可以解释其在水的吸收与分泌两个运动方向上所起的作用。,（二）分子结构,B、E环含有Asn-Pro-Ala(NPA)重复串连序列，这是该蛋白家族成员所共同具有的、高度同源的特征性序列 E、B环的任何变异都会引起水通道活性的下降。 每一个AQP氨基端结构及其相似，而羟基端结构各有特点，氨基端结构决定了AQP功能的共性，而羟基端结构构成了各成员功能的特异性。,（
6、二）分子结构,AQP1的E环第189位半胱氨酸是汞抑制位点，汞离子和有机汞可以通过与C189结合而堵塞或破坏这个孔。 编码AQP4的基因含有一个额外的外显子，外显子与其它AQP没有同源性，AQP4在E环第189 位上无半胱氨酸，对汞不敏感，又称汞不敏感水通道蛋白。 在抑制的十一种AQP中，只有AQP4和AQP7对汞不敏感，对AQP9是否对汞敏感持不同意见。,（二）分子结构,AQP2、AQP4、AQP5的B环上含有蛋白激酶A磷酸化同源顺序，现认为磷酸化与AQP的运输和门控有关。 AQP9的B换上有蛋白激酶C磷酸化位点。AQP的活性调节可能存在不同的机制。,（三）晶体结构,AQP在细胞膜中以四聚体
7、形式存在，每一个单体都是一个独立的功能性水通道。 水通道是由4个对称排列的圆筒状亚基包绕而成的四聚体，已证明这4个亚基作为水通道的作用都是独立的，但四聚体的结构对于维持单个亚基的位置是重要的。 利用高分辨率电镜，人们计算出AQP1晶体的三维结构为沙漏（hour glass）模式：分别位于细胞内外的B、E环向上及向下行，使NPA在浆膜处析叠形成一个单水孔道。这一结构模型已被最新的电子晶体学所提供的质膜平面图所证实。,图1 AQP1 的“砂漏”( hourglass) 模型,（三）晶体结构,图3 AQP1 的分子模型示意图( 胞外俯视图) 2 (a) AQP1 单体; (b) AQP1 四聚体。,
8、三、水的转运 （一）转运方式,AQP 所介导的水转运方式与水穿越膜脂质双层的简单扩散方式不同: 前者介导的水转运是水通过水通道沿渗透梯度由低渗向高渗区的移动,水通过质膜时存在较高的渗透水通透系数,较低的活化能,在生理情况下,水通道基本上处于激活状态,水经水通道向高渗方向的转运, 一般不需要“ 门控”或其它调节,比如AQP 不受质膜分子组成及温度等的影响;而简单扩散过程甚慢, 活化能高, 与质膜的成分、温度等有关。,为什么它只让水分子通过，却不允许其他离子或分子通过？或者为什么就连水分子与氢离子形成的水和质子（H3O+）也无法从中通过呢？,（二）转运机理,细胞膜通道有一个很重要的特性，就是具有选
9、择性，而AQP的形状，正是它只能让水分子通过的原因。 水分子成单一纵列进入弯曲狭窄的通道，通道中的极性与偶极力会帮助水分子旋转，以适当的角度通过狭窄的通道，而通道中有一个带正电的区域，会排斥带正电的粒子，便可以避免水和质子的通过。,（二）转运机理,水的输送跨膜与氢键的破坏有关,HB 和HE 两个螺旋以及相邻的NPA 上的Asn 残基对于水的输送过膜起着关键性的作用。由于AQP1 孔螺旋的偶极距产生的正静电场吸引接近膜中心的水分子的氧,使之靠近NPA 基序。AQP1 孔在膜中心收紧,在膜的两侧表面张开。这样的结构提供了一个高的介电障碍层以排斥离子,而同时允许中性溶质通过。,(a) 螺旋的正电荷极
10、性部分约束通过通道的水分子的取向,使质子不能通过;,（二）转运机理,由于与NPA 之间的van der Waals 作用,孔螺旋HB 和HE 被保留在膜的中间;在主链NH 基团和NPA 基序的Asn 羧基之间存在的氢键作用结束于短孔螺旋的N 端。这就导致Asn76 和192 被定位伸向孔中。水分子中的氧与氨基酸基团形成氢键,而代替相互之间形成的氢键。 根据分子轨道排布,两个氢原子与孔的轴心垂直。在水的单列队中,这个水分子无法与相邻的水分子形成氢键;同时由于孔内是疏水的,水分子也无法与孔壁形成氢键,此时水分子过膜的能垒最低。而质子无法与大量水形成氢键,无法被输送过膜。,(b) 和(c) 为水分子
11、与通道的Asn76 和Asn192 形成的氢键示意图。,（三）分类,AQP的主要功能是选择性转运水。根据AQP 对水和其它溶质的通透性, Ishibashi 将AQP 家族分为两类： 一类为对水有高度选择通透性, 即除水之外, 不转运其它小分子溶质,它们是: AQP0 、AQP1 、AQP2 、AQP4 、AQP5 、AQP6 、AQP8 ; 另一类为对水有相对选择通透性,即对水和其它小分子溶质均有通透性,它们是:AQP3 、AQP7 、AQP9 , 其中, AQP3 和AQP7 对水、尿素和甘油均有较高通透性,但AQP9 仅对水和尿素有通透性。,四、分布及功能,AQP0（MIP26）主要表达
12、在眼晶状体，其基因变异可导致白内障。 AQP1（CHIP28）分布极其广泛，在肾、肺、眼、血管、生殖道、消化道等上皮都有表达。 AQP2只局限于肾集合管主细胞内，并受血管加压素的调节。 AQP3在肾等多种组织有表达，其特点是不仅能够转运水，也能转运甘油。 AQP4主要表达在脑，但在肾及呼吸道等多种组织亦有表达。 AQP5只见于唾液腺、泪腺等腺体组织。 AQP6其水通道活性类似AQP0，但选择性表达在肾。 AQP7和AQP8主要见于睾丸中处于不同生长阶段的精子细胞中。 AQP9见于人外周血白细胞、肝脏、肺脏和脾脏等，但未见于胸腺。,四、分布及功能,AQP2(又称collecting duct a
13、quaporin,AQP-CD)是1993年被克隆确认的水通道蛋白(aquaporin,AQP)家族中的一种,位于肾集合管主细胞管腔侧和靠近管腔侧的囊泡内,是加压素(vasopressin)依赖性水通道.调节方式分为短期调节和长期调节两种,其调控机制的异常与先天性尿崩症、继发性尿崩症、中枢性尿崩症以及其它一些容易发生细胞外液增加的疾病有关.,四、分布及功能,头颅创伤、脑卒中、脑肿瘤、颅内感染以及各种原因所致呼吸、心跳骤停均可伴有脑水肿的发生，严重者可危及生命，水通道蛋白4（AQP4）作为主要在脑组织中表达的水通道蛋白，其着调节脑内水转运的重要功能，参与脑水肿的病理生理过程，调节水通道蛋白4表达
14、水平可能为减轻各类中枢神经系统损伤后脑水肿提供新的治疗途径。,四、分布及功能,植物水孔蛋白在植物体内形成水选择性运输通道,在植物种子萌发、细胞伸长、气孔运动、受精等过程中调节水分的快速跨膜运输.有些水孔蛋白还在植物逆境应答中起着重要作用,因此研究水孔蛋白与植物抗旱性的关系引起了广泛关注.对水孔蛋白的发现、结构、分类、分布、调控及研究方法等方面进行了综述.,四、分布及功能,.近年来,AQPs在细胞转运水和冷冻保护剂中的作用倍受关注,AQPs能提高某些细胞和组织的冻融存活率,在低温保存中具有一定的应用前景.,四、分布及功能,同一细胞可以存在多种AQP , 如AQP3 、AQP5 、AQP8 同时存在于神经元, AQP3 、AQP4 、AQP5 、AQP8 、AQP9 同时存在于星形胶质细胞,而且一种AQP 可同时位于两种细胞。,THE END,
