水通道蛋白結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

水通道蛋白結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系第1頁，課件共13頁，創(chuàng)作于2023年2月一、水通道蛋白的重要性二、水通道蛋白的發(fā)現(xiàn)三、水通道蛋白的結(jié)構(gòu)四、對水分子的篩選機(jī)理第2頁，課件共13頁，創(chuàng)作于2023年2月一、水通道蛋白的重要性水分子以簡單滲透擴(kuò)散方式通過細(xì)胞膜，但擴(kuò)散速度非常緩慢，科學(xué)研究證明，水分子跨越細(xì)胞膜的快速輸運(yùn)是通過細(xì)胞膜上的一種水通道蛋白（aquaporin,AQP）實(shí)現(xiàn)的。在哺乳動(dòng)物中，水通道蛋白大量存在于腎臟、血細(xì)胞和眼睛等器官中，對體液滲透、泌尿等生理過程非常重要。在植物中，水通道蛋白直接參與根部水分吸收及整個(gè)植物的水平衡。第3頁，課件共13頁，創(chuàng)作于2023年2月二、水通道蛋白的發(fā)現(xiàn)19世紀(jì)中葉，人們設(shè)想生物器官的表面存在傳輸水和小分子溶質(zhì)的通道“（channel）”。20世紀(jì)50年代后期到80年代中期，一些對血紅細(xì)胞進(jìn)行研究的學(xué)者提出在血紅細(xì)胞膜上可能存在有可以傳輸水分子的蛋白。1988年Agre研究組從血紅細(xì)胞和腎小管中分離純化了CHIP28（channel-likeintegralmembraneprotein，23kDa），又被命名為AQP1第4頁，課件共13頁，創(chuàng)作于2023年2月注入了AQP1水通道蛋白mRNA的蛙卵細(xì)胞在高滲透壓介質(zhì)環(huán)境中迅速膨脹（上一行圖）；與之相對應(yīng)，沒有注入AQP1蛋白mRNA的蛙卵細(xì)胞則沒有變化（下一行圖）第5頁，課件共13頁，創(chuàng)作于2023年2月三、水通道蛋白的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的功能是通過其結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，要解決功能機(jī)理問題，必須首先解決它的結(jié)構(gòu)問題。水通道蛋白的投影密集圖顯示在雙磷脂膜中，4個(gè)AQP1分子構(gòu)成一個(gè)四聚體，每個(gè)水通道蛋白分子單體的中心存在一個(gè)只允許水分子通過的通道管。第6頁，課件共13頁，創(chuàng)作于2023年2月一個(gè)AQP1分子是由6個(gè)貫穿膜兩面的長α螺旋構(gòu)成基本骨架，其間還有2個(gè)嵌入但不貫穿的短α螺旋，頂對頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)，擁有保守存在的Asn-Pro-Ala（NPA）氨基酸組成單元。從短的α螺旋頂端分別延生出一條氨基酸殘基松散鏈分別繞回，走向各自的膜面。第7頁，課件共13頁，創(chuàng)作于2023年2月AQP1水通道蛋白的通道結(jié)構(gòu)及通道中水分子的位置。藍(lán)色斑點(diǎn)所示為水通道蛋白的通道管部分。通道的限制口位于中點(diǎn)上面8?左右的地方，由His182（H182），Arg197（R197），Phe58（F58）和Cys191（C191）4個(gè)氨基酸殘基構(gòu)成。通道管中的4個(gè)綠色珠球所示為陷嵌其中的水分子位置。這些水分子附近的氨基酸殘基為其提供近似水環(huán)境。這些氨基酸殘基主要來自于從兩個(gè)不穿膜的小螺旋的頂端延生出的松散鏈第8頁，課件共13頁，創(chuàng)作于2023年2月四、對水分子的篩選機(jī)理1）通道管的空間尺寸限制了比水分子大的小分子通過構(gòu)成AQP1水通道限制口的氨基酸殘基（H182，R197，F(xiàn)58，C191）構(gòu)成GlpF甘油通道限制口的氨基酸殘基（G191，R206，W48，F(xiàn)200）比較兩者的側(cè)鏈可以知道，AQP1水通道的限制口比GlpF甘油的小。第9頁，課件共13頁，創(chuàng)作于2023年2月2）通道管的溶質(zhì)結(jié)合位置分布使水分子得以順利通過當(dāng)一個(gè)水分子要通過直徑為2.8?的水通道狹口時(shí)，它必須剝除其周圍與之水合的水分子，而在狹口周圍，極性的H182，R197殘基以及C191，G190，G192主鏈上的羰基氧為其提供了可以形成氫鍵的替代組元。使得這種去水合過程在能量上成為可行。通道管中分布了可結(jié)合水分子的親水位點(diǎn)，使得水分子通過整個(gè)通道的能量大大降低，水分子可以順利通過整個(gè)通道管。第10頁，課件共13頁，創(chuàng)作于2023年2月3）通道管有限度的親和水環(huán)境阻礙水溶液中離子的通過離子與水分子之間的水合作用比水分子之間大得多。AQP1水通道的通道管中，主要來自于兩條松散氨基酸鏈條的水合水分子替代位置不足上述KcsA鉀通道過濾管的一半。對于水分子通道管的狹口及大部分通道管部分而言，只脫去部分水合水分子的