细胞膜上的水通道蛋白

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1、细胞膜上的水通道蛋白 作者：Marokko 摘要：物质的跨膜运输是细胞维持正常生命活动的基础之一。主要分为被动运输，主动运输，胞吞作用及胞吐作用。但是事实上细胞的物质转运过程中，透过脂双层的简单扩散现象很少，绝大多数情况下，物质是通过载体或者通道来转运的。离子、葡萄糖、核苷酸等物质有的是通过质膜上的运输蛋白的协助，按浓度梯度扩散进入质膜的，有的则是通过主动运输的方式进行转运。而维持细胞之间的跨膜运输的膜转运蛋白则主要分为载体蛋白与通道蛋白。其中通道蛋白(channel protein)是跨膜的亲水性通道,允许适当大小的离子顺浓度梯度通过,故又称离子通道。有些通道蛋白长期开放,如钾泄漏通道;有些

2、通道蛋白平时处于关闭状态,仅在特定刺激下才打开,又称为门通道(gated channel).而水扩散通过人工膜的速率很低,所以人们推测膜上有水通道.1991年Agre发现第一个水通道蛋白CHIP28 (28 KD )，目前在人类细胞中已发现的此类蛋白至少有11种,被命名为水通道蛋白（Aquaporin,AQP)。水通道蛋白广泛存在于生物体中的各组织部位，影响着生物机体水代谢的过程。随着分子生物学技术的进步，对水通道蛋白的基础研究已经比较深入和成熟。目的可以利用水通道蛋白研究的基础成果，阐释临床水代谢障碍类疾病的发病机理提供可能的解决思路。关键词：跨膜运输，通道蛋白，水通道蛋白正文： 包括人类在

3、内的大多数生物都是由细胞组成的。单个细胞就像一个由城墙围起来的微小城镇，有用的物质不断被运进来，废物被不断运出去。早在100多年前，人们就猜测细胞这一微小城镇的城墙中存在着很多“城门”，它们只允许特定的分子或离子出入。这就是细胞之间的跨膜运输。物质的跨膜运输主要分为被动运输，主动运输，胞吞作用及胞吐作用。而事实上细胞的物质转运过程中，透过脂双层的简单扩散现象很少，绝大多数情况下，物质是通过载体或者通道来转运的。下图分别为载体蛋白与通道蛋白。通道蛋白是一类横跨细胞膜,能使适宜大小的分子及带电荷的分子通过简单的自由扩散运动, 从质膜的一侧转运到另一侧的蛋白质。通道蛋白可以是单体蛋白,也可以是多亚基

4、组成的蛋白,它们都是通过疏水的氨基酸链进行重排,形成水性通道。通道蛋白本身并不直接与小的带电荷的分子相互作用, 这些小的带电荷的分子可以自由的扩散通过由脂双层中膜蛋白带电荷的亲水区所形成的水性通道。而通道蛋白的运输作用具有选择性,所以在细胞膜中有各种不同的通道蛋白。通道蛋白参与的只是被动运输,在运输过程中并不与被运输的分子结合,也不会移动,并且是从高浓度向低浓度运输,所以运输时不消耗能量。1988年，国洛克斐勒大学Howard Hughes医学中心以Roderick MacKinnon为首的研究小组首度发现电位调控型钾离子信道(voltage-dependent Potassium chann

5、el，简称Kv channel)的蛋白质立体结构，并据此提出钾离子信道感应细胞膜电位变化而快速开关的新机制。麦金农的方法是革命性的，它可以让科学家观测离子在进入离子通道前的状态，在通道中的状态，以及穿过通道后的状态。如图：有些通道蛋白长期开放,如钾泄漏通道;有些通道蛋白平时处于关闭状态,仅在特定刺激下才打开,又称为门通道(gated channel)。我们知道，生物体的主要组成部分是水溶液，水溶液占人体重量的70。生物体内的水溶液主要由水分子和各种离子组成。它们在细胞膜通道中的进进出出可以实现细胞的很多功能。而水扩散通过人工膜的速率很低, 科学家们猜测，是否也那么是否存在着一种特定的蛋白是专门

6、供水出入细胞的呢？20世纪50年代中期，科学家发现，细胞膜中存在着某种通道只允许水分子出入，人们称之为水通道。因为水对于生命至关重要，可以说水通道是最重要的一种细胞膜通道。虽然科学家发现了水通道的存在，但水通道到底是什么却一直是个谜。直到20世纪80年代中期，美国科学家彼得阿格雷研究了不同的细胞膜蛋白，经过反复研究，他发现一种被称为水通道蛋白的细胞膜蛋白就是人们寻找已久的水通道。 1991年Agre发现第一个水通道蛋白CHIP28 (28 KD )，他将CHIP28的mRNA注入非洲爪蟾的卵母细胞中,在低渗溶液中,卵母细胞迅速膨胀,5 分钟内破裂.细胞的这种吸水膨胀现象会被Hg2+抑制。为了验

7、证自己的发现，阿格雷把含有水通道蛋白的细胞和去除了这种蛋白的细胞进行了对比试验，结果前者能够吸水，后者不能。为进一步验证，他又制造了两种人造细胞膜，一种含有水通道蛋白，一种则不含这种蛋白。他将这两种人造细胞膜分别做成泡状物，然后放在水中，结果第一种泡状物吸收了很多水而膨胀，第二种则没有变化。这些充分说明水通道蛋白具有吸收水分子的功能，就是水通道。 目前在人类细胞中已发现的此类蛋白至少有11种,被命名为水通道蛋白（Aquaporin,AQP)。2000年，阿格雷与其他研究人员一起公布了世界第一张水通道蛋白的高清晰度立体照片。照片揭示了这种蛋白的特殊结构只允许水分子通过。而水通道蛋白（Aquapo

8、rin），又名水孔蛋白，是一种位于细胞膜上的蛋白质（内在膜蛋白），在细胞膜上组成“孔道”，可控制水在细胞的进出，就像是“细胞的帮浦”一样。水分子经过Aquaporin时会形成单一纵列，进入弯曲狭窄的通道内，内部的偶极力与极性会帮助水分子旋转，以适当角度穿越狭窄的通道，因此Aquaporin的蛋白构形为仅能使水分子通过之原因。水通道蛋白是水通过细胞膜的主要途径。水通道还与人体体液平衡的维持密切相关，例如，肾小球的滤过作用和肾小管的重吸收作用，都与水通道的结构和功能有直接关系。水通道是高效运输水的通道。虽然水分子可以通过膜分子间隙自由扩散，但是这种运输效率不高。打个比方，细胞膜是墙，膜分子间隙是墙

9、上的裂缝，水通道是穿墙的水管。这样就能形象地了解这两者的效率了吧。在细胞代谢活动中需要的水是相当可观的，仅靠墙上的裂缝是不够的。所以大部分的水还是要由水通道来运输的。2003年诺贝尔化学奖授予 美国科学家彼得阿格雷以表彰他发现细胞膜水通道结构和机理研究作出的开创性贡献。诺贝尔化学奖评选委员会主席在新闻发布会上说，阿格雷得奖是由于发现了细胞膜水通道，他的发现阐明了盐分和水如何进出组成活体的细胞。比如，肾脏怎么从原尿中重新吸收水分，以及电信号怎么在细胞中产生并传递等等，这对人类探索肾脏、心脏、肌肉和神经系统等方面的诸多疾病具有极其重要的意义。 通道的发现开辟了一个新的研究领域。目前，科学家发现水通

10、道蛋白广泛存在于动物、植物和微生物中，它的种类很多，仅人体内就有11种。它具有十分重要的功能，比如在人的肾脏中就起着关键的过滤作用。另外，利用不同的细胞膜通道，可以调节细胞的功能，从而达到治疗疾病的目的。中药的一个重要功能是调节人体体液的成分和不同成分的浓度，这些成分可以通过不同细胞膜通道调节细胞的功能。有专家认为，对细胞膜通道的研究可以为揭示中医药的科学原理提供重要的途径。目前已报道了13种哺乳动物的AQP(AQP0一AQP12)，其中分布于呼吸道的AQP主要有AQP1、AQP3、AQP4、AQP5、AQP8、AQP9。近年来，对呼吸道AQP的分子结构、细胞内分布、功能特点及其与疾病的关系进

11、行了大量的研究。越来越多的研究表明，AQP参与了包括呼吸系统疾病在内的多种疾病的发病过程。目前已知，肺癌、肺水肿、哮喘、肺囊性纤维化等与AQP表达及功能异常有关。关于AQP的分子结构、功能及调节的研究进展加深了我们对水通道相关疾病发病机制的认识，从而提供了对其新的诊断和治疗的思路。 而在植物方面，迄今为止，已经在拟南芥、烟草、玉米、番茄、马铃薯、水稻、大麦、花椰菜、橄榄树等多种植物中发现并克隆了水通道蛋白。植物水通道蛋白基因不仅具有丰富的多样性，而且呈现出极高的丰度，有些甚至是细胞膜的一种主成分。大量研究表明，植物通过控制AQPs 通道蛋白的活性来抵御各种逆境胁迫。植物水通道蛋白（AQPs）中

12、有些呈组成型表达，而大多数受环境因子的诱导表达。在逆境条件下，如干旱、冷害、高盐、机械损伤、渗透胁迫、重金属和淹水缺氧等，在转录水平以及蛋白质水平上大多数AQPs 表达下降，导致AQPs 通道活性下降甚至消失，从而限制了植物体内水分流失，维持水分平衡，增加了植物对胁迫因子的耐受能力。所以对水通道蛋白（AQP）的研究有十分重要的意义。目前，人们所发现的水通道蛋白均属晶体纤维中的主要内源性蛋白(major intrinsic protein，MIP)家族，后经证明MIP亦有弱的水通道活性，被命名为AQP0这些相继发现的专一i生运输水的通道蛋白被统称为AQP。结语：水分对于生物的生长发育和繁殖是非常

13、重要的，而水通道蛋白（AQP）是调节水分在细胞间以及植物整个体内水分平衡的重要物质，特定水通道蛋白基因的表达和调控，控制着水分在生物体内的运输和分配。关于AQP的分子结构、功能及调节的研究进展加深了我们对水通道相关疾病发病机制的认识，从而提供了对其新的诊断和治疗的思路。但是对AQPP的研究目前仍处于起步阶段，AQP的表达、翻译后加工、定向转运调节机制及在疾病中的确切作用仍未完全明确。目前还没有开发出调节AQP表达或其活性的高度特异、可以运用于体内的药物，需要大量基础研究和临床实验加以解决。很多内容需要做进一步研究。在肺癌、COPD等各种疾病发病率和病死率逐年上升的今天，对AQP的研究更显紧迫和具有十分重要的现实意义。参考文献： 刘树荣，张少斌水通道蛋白结构与功能研究进展J现代预防医学，2007，34(12)：22602261;谭利平，许峰，匡凤梧水通道5在高氧肺损伤中的表达及调节机制中国危重急救医学，2006，18：462465I4 Towne JE，Krane CM ，Bachurski CJ，et a1Tumor;雷菲，赵小冬，朱建国，等实验性变应性鼻炎大鼠鼻粘膜水通道蛋白5的达及意义中国耳鼻咽、喉头颈外科杂志，2005，40：172175