细胞膜水通道

水通道-研究背景
水通道介绍：
包括人类在内的各种生物都是由 细胞组成的，细胞如同一个由"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 在一百多年前，人们就猜测细胞这一 微小城镇的成墙中存在着很多“城门” 他们只允许特定的分子或离子出入。 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，他们在细胞膜通 道中的进进出出，可以实现细胞的很多功能。二十世纪五十年代中 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。
水通道-结构描述
AQP1以四聚体的形式存在于细胞膜中， 每个亚基都能形成功能上独立 的孔道。 序列分析表明， 它是一个6次跨膜的蛋白， N-端和C-端序列 相似， 各具有一个保守的特征性序列Asn-Pro-Ala(NPA)[3](图1)。 AQP1 具有4个半胱氨酸， 但突变研究表明， 仅仅一个(Cys-189)对汞离子敏感， 这个半胱氨酸靠近NPA序列， 位于水通道的孔道内。
《结构生物学》 课程报告
周桂梅 081300533 2016.04.04
水通道-研究背景
研究者介绍：
1949年生于美国明尼苏达州小城诺 斯菲尔德，1974年在巴尔的摩约翰斯·霍普金斯大 学医学院获医学博士，后为该学院生物化学教授 和医学教授。2004年来到杜克大学，担任医学院 副院长。
早在100多年前，人们就猜测细胞中存在特殊的输送水分子的 通道。但直到1988年，阿格雷才成功分离出了一种膜蛋白质，之后 他意识到它就是科学家孜孜以求的水通道。阿格雷于2003年被授予 诺贝尔化学奖。诺贝尔奖评选委员会说，这是个重大发现，开启了 细菌、植物和哺乳动物水通道的生物化学、生理学和遗传学研究之 门。
水通道-作用机制
1、AQP1水孔的直径 2、静电排斥
每个水通道蛋白亚基具有一个砂漏状的 孔道， 长度为20 Å 。整个孔道侧壁主要 由疏水性氨基酸围成， 但也提供了4个亲 水的位点，利于水分子结合，以降低水 分子穿过孔道时的能量障碍。这两种因 素达成一种巧妙的平衡，保证了水通道 对水的极高的通透率和选择性。在孔道 中点上方8 Å 处，直径最为狭窄，此处可 以通过大小限制(size restriction)和静电排 斥作用(electrostatic repulsion)来选择水分 子。 最窄处主要由精氨酸(Arg-195)和组 氨酸(His-180)的侧链围成，直径2.8 Å ， 与水分子的范德华半径相似，可以滤掉 比水分子半径大的分子。由于精氨酸 (Arg-195)和组氨酸(His-180)在生理条件下 都带有正 电荷，可以排斥阳离子，紧密 结合阴离子， 使它们无法穿过水通道。
水通道-结构描述

Agre通过重组技术在AQP1上引入特异性的酶切位点， 并用酶切分析揭示了它的 拓扑学结构， 据此提出“砂漏模型(hourglass model)”。 这个模型认为：两个分 别位于N-端和C-端包含NPA序列的螺旋从膜内外两侧朝膜中央伸展而重叠， 并形 成一个被6次跨膜的螺旋所包围的孔道。 这个模型是生化上对AQP1结构认识的一 个总结。
1、在呼吸道和肺的水代谢方面：肺泡液体转运、水跨上皮转运、参与肺 水清除
2、在消化道的水代谢方面： AQP4参与结肠液体的吸收、AQP1缺乏使近 曲小管渗透性水通透性降低，近 曲小管等渗液体重吸收降低
3、泌尿系统：血管升压素介导的AQP2分子转位模型是肾脏调节水通透 功能的短期调节方式
4、神经系统：在种树神经系统内广泛存在着水通道蛋白分布。目前对脑 内水通道蛋白的研究多集中在AQP4这一亚型上。
水通道-研究意义

关于水通道的研究正由分子克隆转向 关于水通道的研究正由分子克 隆转向生理功能研究。哺乳动物水通道中 AQP一2、AQP4—6、AQP8呈 现选择性水通透，AQP3、AQP7、AQP9在 通透水的同时也通透尿素或 甘油等小分子物质。关于水通道功能的研究有赖于无毒的水通道阻断剂 的开发，选择性敲除某种水通道进行水通道功能研究。
水通道-结构描述

CHIP两端序列相互关联，B环（细胞内76-78位）和E环（细胞内192-194位）均有 一个NPA模序（asparagine-protein-alanine）。E环的NPA靠近汞抑制点189位的半 胱氨酸。B环和E环的重叠部分显示出他们形成一个单一的水的孔道向下穿过分 子的中心，NPA的主要成分并列在一起成180度相联。APQ1是一个四聚体，每一 个亚基单位有一个中心孔道。
水通道-结构描述
从AQP1的多肽中发现了四个半胱氨酸（87、192、152和189位）。每个半胱氨酸被取代 为丝氨酸。比较卵母细胞的重组体中突变型和野生型AQP1对水的通透性。结果只有E环的 残基没有被汞抑制。在B环的相应位置用一个半胱氨酸取代了丙氨酸，这个蛋白显示出了汞 敏感的水通透性而在APQ1其他位置的置换未能导致这种现象的发生。这提示这一分子B环 和E环的相应部分一定形成了沙漏样的水孔通道。六个跨膜螺旋表明他们围绕形成一个中心 区域，包括B环从细胞质表面进入细胞膜，E环从细胞外进入细胞膜。APQ1的结构可以解释 水通道在水的吸收和分泌两个运动方向上所起的作用。膜上处于反方向相对位置的B环和E 环对构成功能性水选择通透十分重要。
水通道-作用机制
3、NPA的特征性序列
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。 两个NPA序列结构通过范德华 力并排地结合在孔道的中点处，两个 短的α-螺旋与NPA序列相连，且N末端 朝向孔道，使得NPA上的天冬酰氨带 上部分正电荷。目前认为穿过水通道 的水分子在此处与两个天冬酰氨形成 临时氢键，从而发生极性翻转(water dipole reorientation)——水分子进入孔 道的胞外侧时氧原子朝下，在到达胞 质侧时氧原子变成朝上(图2)，其结果 是打破水分子之间形成的连续氢键， 阻断质子运输。
水通道-研究意义
目前研究表明调节水通道的因素包括激素、神经递质及细胞因子。
1、水通透性的迅速调节涉及到细胞内富含水通道的囊泡和顶质 膜的再分布，即穿假说。 2、糖皮质激素 使水通道上调；表皮生长因子 (Keratinocytegrowth factor，KGF) 肿瘤坏死因子α使水通道基因表达 下调。 3、促胰液素能使 AQP1从胆管细胞内到顶质膜；乙酰 胆碱通过 M3 受体使唾液腺上皮的 AQP5在细胞内囊泡与顶质膜间穿梭。
3、假性肌肥大病人骨骼肌细胞 AQP4 表达减少。 在临床疾病中水通道的病理变化正在逐渐被认识，这将促进我们 对某些与水代谢有关的临床疾病的发病机制的了解。
水通道-参考文献
郭昊，李学军. 细胞膜上的水通道-2003年诺
贝尔化学奖工作介绍[J]. 生理科学进展， 2007,38(3): 283-288. 赵文龙. 膜蛋白研究的里程碑-2003年诺贝 尔化学奖[J]. 科学通报，2004,49(5): 403-405 才丽平，赵金茹，林庶茹，等. 水通道蛋白 研究进展[J]. 解剖科学进展，2003,9(2): 167170. 侯彩云，陈超. 水通道蛋白的结构与功能研 究[J]. 生命的化学，2008,28(2): 169-171.
水通道-研究背景
研究者介绍：
二十世纪八十年代中期，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。为了验证自己的发现，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，结果的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。 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能允许水分子通过。 1991年阿格雷发现第一个水通道蛋白chip28（28KD），chip28的m RNA 能引起非洲爪蟾卵母细胞吸水破裂，已知这种吸水膨胀现象会被Hg 2+ 抑制。
水通道-研究背景

水通道介绍：
水通道发现开辟了一个新的研究领域，目前科学家发现水通道蛋 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 十一种。它具有十分重要的作用，比如在人的肾脏中就起着关键的过 滤作用，通常一个成年人每天要产生170升的原尿，这些原尿经肾脏 肾小球中的水通道蛋白的过滤，其中大部分是被人体循环利用，最终 只有约一升的尿液排出人体。 目前在人类细胞中已发现至少11种此类蛋白被命名为水通道蛋白 （aquaporin，AQP）。APQ0,APQ1，APQ2，APQ3，APQ4，APQ5， APQ6，APQ7，APQ8，APQ9，APQ10,类似APQ的蛋白质称为超水通 道蛋白（APQ11，APQ12）.
4、高渗溶液使培养 MDCK细胞 AQP3 mRNA 和蛋白表达增加 pH 和 Ca离子调节 AQP0的水渗透性。
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水通道-研究意义
在临床疾病中水通道的病理变化，正 在逐渐被认识，这将 促
进我们对某些与水代谢有关 的临床疾病的发病机制的了解。
1、血管加压素通过 V2受体使 AQP2在 囊泡与细胞膜间穿梭，先 天性的肾源性尿崩症 (Nephor-genicdiabetesinsipidus，NDI)或是 有 V2受体的异 常或是有 AQP穿梭异常 。相反，在怀孕、充血性 心力衰竭时，AQP2表达增加，AQP5缺乏 引起气道高反应 。 2、腺病毒感染引起 AQP1和 AQP5低表达，提示 AQP1和 AQP5 可能参与肺内炎症时液体转运异常 。