細胞膜上的水通道蛋白

1、細胞膜上的水通道蛋白 作者：Marokko 摘要：物質(zhì)的跨膜運輸是細胞維持正常生命活動的基礎之一。主要分為被動運輸，主動運輸，胞吞作用及胞吐作用。但是事實上細胞的物質(zhì)轉運過程中，透過脂雙層的簡單擴散現(xiàn)象很少，絕大多數(shù)情況下，物質(zhì)是通過載體或者通道來轉運的。離子、葡萄糖、核苷酸等物質(zhì)有的是通過質(zhì)膜上的運輸?shù)鞍椎膮f(xié)助，按濃度梯度擴散進入質(zhì)膜的，有的則是通過主動運輸?shù)姆绞竭M行轉運。而維持細胞之間的跨膜運輸?shù)哪まD運蛋白則主要分為載體蛋白與通道蛋白。其中通道蛋白(channel protein)是跨膜的親水性通道,允許適當大小的離子順濃度梯度通過,故又稱離子通道。有些通道蛋白長期開放,如鉀泄漏通道;有些

2、通道蛋白平時處于關閉狀態(tài),僅在特定刺激下才打開,又稱為門通道(gated channel).而水擴散通過人工膜的速率很低,所以人們推測膜上有水通道.1991年Agre發(fā)現(xiàn)第一個水通道蛋白CHIP28 (28 KD )，目前在人類細胞中已發(fā)現(xiàn)的此類蛋白至少有11種,被命名為水通道蛋白（Aquaporin,AQP)。水通道蛋白廣泛存在于生物體中的各組織部位，影響著生物機體水代謝的過程。隨著分子生物學技術的進步，對水通道蛋白的基礎研究已經(jīng)比較深入和成熟。目的可以利用水通道蛋白研究的基礎成果，闡釋臨床水代謝障礙類疾病的發(fā)病機理提供可能的解決思路。關鍵詞：跨膜運輸，通道蛋白，水通道蛋白正文： 包括人類在

3、內(nèi)的大多數(shù)生物都是由細胞組成的。單個細胞就像一個由城墻圍起來的微小城鎮(zhèn)，有用的物質(zhì)不斷被運進來，廢物被不斷運出去。早在100多年前，人們就猜測細胞這一微小城鎮(zhèn)的城墻中存在著很多“城門”，它們只允許特定的分子或離子出入。這就是細胞之間的跨膜運輸。物質(zhì)的跨膜運輸主要分為被動運輸，主動運輸，胞吞作用及胞吐作用。而事實上細胞的物質(zhì)轉運過程中，透過脂雙層的簡單擴散現(xiàn)象很少，絕大多數(shù)情況下，物質(zhì)是通過載體或者通道來轉運的。下圖分別為載體蛋白與通道蛋白。通道蛋白是一類橫跨細胞膜,能使適宜大小的分子及帶電荷的分子通過簡單的自由擴散運動, 從質(zhì)膜的一側轉運到另一側的蛋白質(zhì)。通道蛋白可以是單體蛋白,也可以是多亞基

4、組成的蛋白,它們都是通過疏水的氨基酸鏈進行重排,形成水性通道。通道蛋白本身并不直接與小的帶電荷的分子相互作用, 這些小的帶電荷的分子可以自由的擴散通過由脂雙層中膜蛋白帶電荷的親水區(qū)所形成的水性通道。而通道蛋白的運輸作用具有選擇性,所以在細胞膜中有各種不同的通道蛋白。通道蛋白參與的只是被動運輸,在運輸過程中并不與被運輸?shù)姆肿咏Y合,也不會移動,并且是從高濃度向低濃度運輸,所以運輸時不消耗能量。1988年，國洛克斐勒大學Howard Hughes醫(yī)學中心以Roderick MacKinnon為首的研究小組首度發(fā)現(xiàn)電位調(diào)控型鉀離子信道(voltage-dependent Potassium chann

5、el，簡稱Kv channel)的蛋白質(zhì)立體結構，并據(jù)此提出鉀離子信道感應細胞膜電位變化而快速開關的新機制。麥金農(nóng)的方法是革命性的，它可以讓科學家觀測離子在進入離子通道前的狀態(tài)，在通道中的狀態(tài)，以及穿過通道后的狀態(tài)。如圖：有些通道蛋白長期開放,如鉀泄漏通道;有些通道蛋白平時處于關閉狀態(tài),僅在特定刺激下才打開,又稱為門通道(gated channel)。我們知道，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。它們在細胞膜通道中的進進出出可以實現(xiàn)細胞的很多功能。而水擴散通過人工膜的速率很低, 科學家們猜測，是否也那么是否存在著一種特定的蛋白是專門

6、供水出入細胞的呢？20世紀50年代中期，科學家發(fā)現(xiàn)，細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。因為水對于生命至關重要，可以說水通道是最重要的一種細胞膜通道。雖然科學家發(fā)現(xiàn)了水通道的存在，但水通道到底是什么卻一直是個謎。直到20世紀80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。 1991年Agre發(fā)現(xiàn)第一個水通道蛋白CHIP28 (28 KD )，他將CHIP28的mRNA注入非洲爪蟾的卵母細胞中,在低滲溶液中,卵母細胞迅速膨脹,5 分鐘內(nèi)破裂.細胞的這種吸水膨脹現(xiàn)象會被Hg2+

7、抑制。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，結果第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。 目前在人類細胞中已發(fā)現(xiàn)的此類蛋白至少有11種,被命名為水通道蛋白（Aquaporin,AQP)。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允許水分子通過。而水通道蛋白（

8、Aquaporin），又名水孔蛋白，是一種位于細胞膜上的蛋白質(zhì)（內(nèi)在膜蛋白），在細胞膜上組成“孔道”，可控制水在細胞的進出，就像是“細胞的幫浦”一樣。水分子經(jīng)過Aquaporin時會形成單一縱列，進入彎曲狹窄的通道內(nèi)，內(nèi)部的偶極力與極性會幫助水分子旋轉，以適當角度穿越狹窄的通道，因此Aquaporin的蛋白構形為僅能使水分子通過之原因。水通道蛋白是水通過細胞膜的主要途徑。水通道還與人體體液平衡的維持密切相關，例如，腎小球的濾過作用和腎小管的重吸收作用，都與水通道的結構和功能有直接關系。水通道是高效運輸水的通道。雖然水分子可以通過膜分子間隙自由擴散，但是這種運輸效率不高。打個比方，細胞膜是墻，膜

9、分子間隙是墻上的裂縫，水通道是穿墻的水管。這樣就能形象地了解這兩者的效率了吧。在細胞代謝活動中需要的水是相當可觀的，僅靠墻上的裂縫是不夠的。所以大部分的水還是要由水通道來運輸?shù)摹?003年諾貝爾化學獎授予 美國科學家彼得·阿格雷以表彰他發(fā)現(xiàn)細胞膜水通道結構和機理研究作出的開創(chuàng)性貢獻。諾貝爾化學獎評選委員會主席在新聞發(fā)布會上說，阿格雷得獎是由于發(fā)現(xiàn)了細胞膜水通道，他的發(fā)現(xiàn)闡明了鹽分和水如何進出組成活體的細胞。比如，腎臟怎么從原尿中重新吸收水分，以及電信號怎么在細胞中產(chǎn)生并傳遞等等，這對人類探索腎臟、心臟、肌肉和神經(jīng)系統(tǒng)等方面的諸多疾病具有極其重要的意義。 通道的發(fā)現(xiàn)開辟了一個新的研究領

10、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11種。它具有十分重要的功能，比如在人的腎臟中就起著關鍵的過濾作用。另外，利用不同的細胞膜通道，可以調(diào)節(jié)細胞的功能，從而達到治療疾病的目的。中藥的一個重要功能是調(diào)節(jié)人體體液的成分和不同成分的濃度，這些成分可以通過不同細胞膜通道調(diào)節(jié)細胞的功能。有專家認為，對細胞膜通道的研究可以為揭示中醫(yī)藥的科學原理提供重要的途徑。目前已報道了13種哺乳動物的AQP(AQP0一AQP12)，其中分布于呼吸道的AQP主要有AQP1、AQP3、AQP4、AQP5、AQP8、AQP9。近年來，對呼吸道AQP的分子結構、細胞內(nèi)分布、功

11、能特點及其與疾病的關系進行了大量的研究。越來越多的研究表明，AQP參與了包括呼吸系統(tǒng)疾病在內(nèi)的多種疾病的發(fā)病過程。目前已知，肺癌、肺水腫、哮喘、肺囊性纖維化等與AQP表達及功能異常有關。關于AQP的分子結構、功能及調(diào)節(jié)的研究進展加深了我們對水通道相關疾病發(fā)病機制的認識，從而提供了對其新的診斷和治療的思路。 而在植物方面，迄今為止，已經(jīng)在擬南芥、煙草、玉米、番茄、馬鈴薯、水稻、大麥、花椰菜、橄欖樹等多種植物中發(fā)現(xiàn)并克隆了水通道蛋白。植物水通道蛋白基因不僅具有豐富的多樣性，而且呈現(xiàn)出極高的豐度，有些甚至是細胞膜的一種主成分。大量研究表明，植物通過控制AQPs 通道蛋白的活性來抵御各種逆境脅迫。植物

12、水通道蛋白（AQPs）中有些呈組成型表達，而大多數(shù)受環(huán)境因子的誘導表達。在逆境條件下，如干旱、冷害、高鹽、機械損傷、滲透脅迫、重金屬和淹水缺氧等，在轉錄水平以及蛋白質(zhì)水平上大多數(shù)AQPs 表達下降，導致AQPs 通道活性下降甚至消失，從而限制了植物體內(nèi)水分流失，維持水分平衡，增加了植物對脅迫因子的耐受能力。所以對水通道蛋白（AQP）的研究有十分重要的意義。目前，人們所發(fā)現(xiàn)的水通道蛋白均屬晶體纖維中的主要內(nèi)源性蛋白(major intrinsic protein，MIP)家族，后經(jīng)證明MIP亦有弱的水通道活性，被命名為AQP0這些相繼發(fā)現(xiàn)的專一i生運輸水的通道蛋白被統(tǒng)稱為AQP。結語：水分對于生

13、物的生長發(fā)育和繁殖是非常重要的，而水通道蛋白（AQP）是調(diào)節(jié)水分在細胞間以及植物整個體內(nèi)水分平衡的重要物質(zhì)，特定水通道蛋白基因的表達和調(diào)控，控制著水分在生物體內(nèi)的運輸和分配。關于AQP的分子結構、功能及調(diào)節(jié)的研究進展加深了我們對水通道相關疾病發(fā)病機制的認識，從而提供了對其新的診斷和治療的思路。但是對AQPP的研究目前仍處于起步階段，AQP的表達、翻譯后加工、定向轉運調(diào)節(jié)機制及在疾病中的確切作用仍未完全明確。目前還沒有開發(fā)出調(diào)節(jié)AQP表達或其活性的高度特異、可以運用于體內(nèi)的藥物，需要大量基礎研究和臨床實驗加以解決。很多內(nèi)容需要做進一步研究。在肺癌、COPD等各種疾病發(fā)病率和病死率逐年上升的今天，對AQP的研究更顯緊迫和具有十分重要的現(xiàn)實意義。參考文獻：<1> 劉樹榮，張少斌水通道蛋白結構與功能研究進展J