細(xì)胞膜水通道

1、結(jié)構(gòu)生物學(xué)課程報(bào)告細(xì)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(guó)明尼蘇達(dá)州小城諾斯菲爾德，1974年在巴爾的摩約翰斯霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院獲醫(yī)學(xué)博士，后為該學(xué)院生物化學(xué)教授和醫(yī)學(xué)教授。2004年來(lái)到杜克大學(xué)，擔(dān)任醫(yī)學(xué)院副院長(zhǎng)。 早在100多年前，人們就猜測(cè)細(xì)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(zhì)，之后他意識(shí)到它就是科學(xué)家孜孜以求的水通道。阿格雷于2003年被授予諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)說(shuō)，這是個(gè)重大發(fā)現(xiàn)，開啟了細(xì)菌、植物和哺乳動(dòng)物水通道的生物化學(xué)、生理學(xué)和遺傳學(xué)研究之門。

2、水通道-研究背景研究者介紹： 二十世紀(jì)八十年代中期，美國(guó)科學(xué)家彼得阿格雷研究了不同的細(xì)胞膜蛋白。經(jīng)過(guò)反復(fù)研究他發(fā)現(xiàn)一種被稱為水通道蛋白的細(xì)胞膜蛋白，就是人們尋找已久的水通道。為了驗(yàn)證自己的發(fā)現(xiàn)，阿格雷把含有水通道蛋白的細(xì)胞和去除了這種蛋白的細(xì)胞進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果前者能夠吸水，后者不能。為進(jìn)一步驗(yàn)證，他又制造了兩種人造細(xì)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(xì)胞膜分別做成泡狀物，然后放在水中，結(jié)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(shuō)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(jié)構(gòu)只能允許水分子通過(guò)。 1991年阿格雷發(fā)現(xiàn)第一個(gè)水通道蛋白chip28（28KD），chip28的m RNA能引起非洲爪蟾卵母細(xì)胞吸水破裂，已知這種吸水膨脹現(xiàn)象會(huì)被Hg 2+ 抑制。水通道-研究背景水通道介紹： 包括人類在內(nèi)的各種生物都是由細(xì)胞組成的，細(xì)胞如同一個(gè)由城墻圍起來(lái)的微小城鎮(zhèn)，有用的物質(zhì)不斷被運(yùn)進(jìn)來(lái)，廢物被不斷運(yùn)出去。早在一百多年前，人們就猜測(cè)細(xì)胞這一微小城鎮(zhèn)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(nèi)的水溶液主要由水分子和各種離子組成，他們?cè)诩?xì)胞膜通道中的進(jìn)進(jìn)出出，可

4、以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的很多功能。二十世紀(jì)五十年代中期，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)細(xì)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?yàn)樗畬?duì)于生命至關(guān)重要，可以說(shuō)水通道是最重要的一種細(xì)胞膜通道。水通道-研究背景 水通道介紹： 水通道發(fā)現(xiàn)開辟了一個(gè)新的研究領(lǐng)域，目前科學(xué)家發(fā)現(xiàn)水通道蛋白廣泛存在于動(dòng)物、植物和微生物中。它的種類很多，僅人體內(nèi)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(guān)鍵的過(guò)濾作用，通常一個(gè)成年人每天要產(chǎn)生170升的原尿，這些原尿經(jīng)腎臟腎小球中的水通道蛋白的過(guò)濾，其中大部分是被人體循環(huán)利用，最終只有約一升的尿液排出人體。 目前在人類細(xì)胞中已發(fā)現(xiàn)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(zhì)稱為超水通道蛋白（APQ11，APQ12）.水通道-結(jié)構(gòu)描述AQP1以四聚體的形式存在于細(xì)胞膜中， 每個(gè)亞基都能形成功能上獨(dú)立的孔道。 序列分析表明， 它是一個(gè)6次跨膜的蛋白， N-端和C-端序列相似， 各具有一個(gè)保守的特征性序列Asn-Pro-Ala(NPA)3(圖1)。 AQP1具有4個(gè)半胱氨酸， 但突變研究表明， 僅僅一個(gè)(Cys-189)對(duì)汞離子敏感， 這個(gè)半胱氨酸靠近NPA序列， 位于水通道的孔道內(nèi)。 水通道-結(jié)構(gòu)描述 從AQP1的多

6、肽中發(fā)現(xiàn)了四個(gè)半胱氨酸（87、192、152和189位）。每個(gè)半胱氨酸被取代為絲氨酸。比較卵母細(xì)胞的重組體中突變型和野生型AQP1對(duì)水的通透性。結(jié)果只有E環(huán)的殘基沒有被汞抑制。在B環(huán)的相應(yīng)位置用一個(gè)半胱氨酸取代了丙氨酸，這個(gè)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(dǎo)致這種現(xiàn)象的發(fā)生。這提示這一分子B環(huán)和E環(huán)的相應(yīng)部分一定形成了沙漏樣的水孔通道。六個(gè)跨膜螺旋表明他們圍繞形成一個(gè)中心區(qū)域，包括B環(huán)從細(xì)胞質(zhì)表面進(jìn)入細(xì)胞膜，E環(huán)從細(xì)胞外進(jìn)入細(xì)胞膜。APQ1的結(jié)構(gòu)可以解釋水通道在水的吸收和分泌兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方向上所起的作用。膜上處于反方向相對(duì)位置的B環(huán)和E環(huán)對(duì)構(gòu)成功能性水選擇通透十分重要。水

7、通道-結(jié)構(gòu)描述 CHIP兩端序列相互關(guān)聯(lián)，B環(huán)（細(xì)胞內(nèi)76-78位）和E環(huán)（細(xì)胞內(nèi)192-194位）均有一個(gè)NPA模序（asparagine-protein-alanine）。E環(huán)的NPA靠近汞抑制點(diǎn)189位的半胱氨酸。B環(huán)和E環(huán)的重疊部分顯示出他們形成一個(gè)單一的水的孔道向下穿過(guò)分子的中心，NPA的主要成分并列在一起成180度相聯(lián)。APQ1是一個(gè)四聚體，每一個(gè)亞基單位有一個(gè)中心孔道。水通道-結(jié)構(gòu)描述 Agre通過(guò)重組技術(shù)在AQP1上引入特異性的酶切位點(diǎn)， 并用酶切分析揭示了它的拓?fù)鋵W(xué)結(jié)構(gòu)， 據(jù)此提出“砂漏模型(hourglass model)”。 這個(gè)模型認(rèn)為：兩個(gè)分別位于N-端和C-端包含N

8、PA序列的螺旋從膜內(nèi)外兩側(cè)朝膜中央伸展而重疊， 并形成一個(gè)被6次跨膜的螺旋所包圍的孔道。 這個(gè)模型是生化上對(duì)AQP1結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的一個(gè)總結(jié)。 水通道-作用機(jī)制每個(gè)水通道蛋白亞基具有一個(gè)砂漏狀的孔道， 長(zhǎng)度為20 。整個(gè)孔道側(cè)壁主要由疏水性氨基酸圍成， 但也提供了4個(gè)親水的位點(diǎn)，利于水分子結(jié)合，以降低水分子穿過(guò)孔道時(shí)的能量障礙。這兩種因素達(dá)成一種巧妙的平衡，保證了水通道對(duì)水的極高的通透率和選擇性。在孔道中點(diǎn)上方8 處，直徑最為狹窄，此處可以通過(guò)大小限制(size restriction)和靜電排斥作用(electrostatic repulsion)來(lái)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(cè)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?xiàng)l件下都帶有正 電荷，可以排斥陽(yáng)離子，緊密結(jié)合陰離子， 使它們無(wú)法穿過(guò)水通道。 水通道-作用機(jī)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(gè)NPA序列結(jié)構(gòu)通過(guò)范德華力并排地結(jié)合在孔道的中點(diǎn)處，兩個(gè)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(rèn)為穿過(guò)水通道的水分子在此處與兩個(gè)天冬酰氨形成臨時(shí)氫鍵，從而發(fā)生極性翻轉(zhuǎn)(water dipole reori

10、entation)水分子進(jìn)入孔道的胞外側(cè)時(shí)氧原子朝下，在到達(dá)胞質(zhì)側(cè)時(shí)氧原子變成朝上(圖2)，其結(jié)果是打破水分子之間形成的連續(xù)氫鍵，阻斷質(zhì)子運(yùn)輸。 水通道-研究意義水通道的生理功能：關(guān)于水通道的研究正由分子克隆轉(zhuǎn)向關(guān)于水通道的研究正由分子克隆轉(zhuǎn)向生理功能研究。哺乳動(dòng)物水通道中 AQP一2、AQP46、AQP8呈現(xiàn)選擇性水通透，AQP3、AQP7、AQP9在 通透水的同時(shí)也通透尿素或甘油等小分子物質(zhì)。關(guān)于水通道功能的研究有賴于無(wú)毒的水通道阻斷劑的開發(fā)，選擇性敲除某種水通道進(jìn)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(zhuǎn)運(yùn)、水跨上皮轉(zhuǎn)運(yùn)、參與肺水清除 2、在消化道的水代謝方面： AQP

11、4參與結(jié)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(tǒng)：血管升壓素介導(dǎo)的AQP2分子轉(zhuǎn)位模型是腎臟調(diào)節(jié)水通透功能的短期調(diào)節(jié)方式 4、神經(jīng)系統(tǒng)：在種樹神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)廣泛存在著水通道蛋白分布。目前對(duì)腦內(nèi)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(dá)及活性的調(diào)節(jié)：n目前研究表明調(diào)節(jié)水通道的因素包括激素、神經(jīng)遞質(zhì)及細(xì)胞因子。 1、水通透性的迅速調(diào)節(jié)涉及到細(xì)胞內(nèi)富含水通道的囊泡和頂質(zhì)膜的再分布，即穿假說(shuō)。 2、糖皮質(zhì)激素使水通道上調(diào)；表皮生長(zhǎng)因子 (Keratinocytegrowth factor，KGF) 腫瘤壞死因子使水通道

12、基因表達(dá)下調(diào)。 3、促胰液素能使 AQP1從膽管細(xì)胞內(nèi)到頂質(zhì)膜；乙酰 膽堿通過(guò) M3受體使唾液腺上皮的 AQP5在細(xì)胞內(nèi)囊泡與頂質(zhì)膜間穿梭。 4、高滲溶液使培養(yǎng) MDCK細(xì)胞 AQP3 mRNA 和蛋白表達(dá)增加。pH 和 Ca離子調(diào)節(jié) 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(rèn)識(shí)，這將 促進(jìn)我們對(duì)某些與水代謝有關(guān) 的臨床疾病的發(fā)病機(jī)制的了解。 1、血管加壓素通過(guò) V2受體使 AQP2在 囊泡與細(xì)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(shí)，AQP2表達(dá)增加，AQP5缺乏 引起氣道高反應(yīng) 。 2、腺病毒感染引起 AQP1和 AQP5低表達(dá)，提示 AQP1和 AQP5可能參與肺內(nèi)炎癥時(shí)液體轉(zhuǎn)運(yùn)異常 。 3、假性肌肥大病人骨骼肌細(xì)胞 AQP4 表達(dá)減少。在臨床疾病中水通道的病理變化正在逐漸被認(rèn)識(shí)，這將促進(jìn)我們對(duì)某些與水代謝有關(guān)的臨床疾病的發(fā)病機(jī)制的了解。水通道-參考文獻(xiàn)郭昊，李學(xué)軍. 細(xì)胞膜上的水通道-2003年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)