細胞膜水通道課件

《結構生物學》

課程報告細胞膜水通道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(yī)學院獲醫(yī)學博士，后為該學院生物化學教授和醫(yī)學教授。2004年來到杜克大學，擔任醫(yī)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(zhì)，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(fā)現(xiàn)，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。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(jīng)過反復研究他發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)第一個水通道蛋白chip28（28KD），chip28的mRNA能引起非洲爪蟾卵母細胞吸水破裂，已知這種吸水膨脹現(xiàn)象會被Hg2+抑制。水通道-研究背景

水通道介紹：

水通道發(fā)現(xiàn)開辟了一個新的研究領域，目前科學家發(fā)現(xiàn)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(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鍵的過濾作用，通常一個成年人每天要產(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。目前在人類細胞中已發(fā)現(xiàn)至少11種此類蛋白被命名為水通道蛋白（aquaporin，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(nèi)。水通道-結構描述

從AQP1的多肽中發(fā)現(xiàn)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(huán)的殘基沒有被汞抑制。在B環(huán)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(xiàn)象的發(fā)生。這提示這一分子B環(huán)和E環(huán)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(qū)域，包括B環(huán)從細胞質(zhì)表面進入細胞膜，E環(huán)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(huán)和E環(huán)對構成功能性水選擇通透十分重要。水通道-結構描述

CHIP兩端序列相互關聯(lián)，B環(huán)（細胞內(nèi)76-78位）和E環(huán)（細胞內(nèi)192-194位）均有一個NPA模序（asparagine-protein-alanine）。E環(huán)的NPA靠近汞抑制點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(lián)。APQ1是一個四聚體，每一個亞基單位有一個中心孔道。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(sizerestriction)和靜電排斥作用(electrostaticrepulsion)來選擇水分子。最窄處主要由精氨酸(Arg-195)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。1、AQP1水孔的直徑2、靜電排斥水通道-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、AQP4—6、AQP8呈現(xiàn)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(zhì)。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(fā)，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：AQP4參與結腸液體的吸收、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(tǒng)：血管升壓素介導的AQP2分子轉位模型是腎臟調(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

水通道異常與臨床疾病：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(fā)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?；蚴怯蠥QP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(nèi)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(fā)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年諾貝爾化學獎工作介紹[J].生理科學進展，2007,38(3):283-288.趙文龍.膜蛋白研究的里程碑-2003年諾貝爾化學獎