水分子通道蛋白的结构与功能_隋海心
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水是活细胞的主要组成部分 。 在活细胞中 , 水 的比例占总重量的 70 %左右 。 大多数的细 胞生化 反应都是在水环境中进行的 。 水分子的跨膜输运是 如何实现的是生命科学中一个 非常重要的基 本问 题 。 水分子虽然可以以简单渗透扩散方式通过细胞 膜 , 但是扩散速度非常缓慢 。 科学研究证明 , 水分子 跨越细胞膜的快速输运是通过细胞膜上的一种水通 道蛋白(aquaporin ,AQP)实现的 。 一个 AQP1 水通道 蛋白分子每秒钟可以允许 30 亿个水分子通过 。 水 通道蛋白大量 存在于动物 、植物等 多种生物 中[ 1] 。 在哺乳动物中 , 水通道蛋白大量存在于肾脏 、血细胞 和眼睛等器官中 , 对体液渗透 、泌尿等生理过程非常 重要 。 在植物当中 , 水通道蛋白直接参与根部水分 吸收及整个植物的 水平衡 。 由 于水通道蛋白 的存 在 , 细胞才可以快 速调节自身体积 和内部渗透压 。
摘 要 水分子穿越双磷脂生物膜的输运机理是生理学和细胞生物学中一个长期未能解决的重要问 题 。AQP1 水通道蛋白的发现和鉴定使得人们确认出一个新的蛋白质家族 ———水通道蛋白家族 。 正是这一 蛋白家族的存在 , 使得水分子可以进行快速的跨膜传输 。 由晶体学方法解出的哺乳动物 AQP1 水通道蛋白 的原子结构 , 最终揭示了水通道蛋白只允许水分子快速传输而阻挡其他的小分子和离子(包括质子 H +)的 筛选输运机理 。 本文概述了水通道蛋白的发现和其对水分子的筛选传输机理 。
Key words aquaporin ;water transport ;structure and function ;membrane channel
一 、 水通道蛋白的重要性
活细胞外面有一层由磷脂组成双层膜 , 称为双 磷脂细胞膜 。它将细胞的内环境物质及细胞器等与 外部环境区分开 。 水 、离子以及其他极性分子一般 不能透过这层双磷脂细胞膜 。 但是细胞生命活动经 常需要有选择性地对这些物质进行快速跨膜传输 。 这是通过镶嵌在细胞膜上具有输运化学物质功能的 膜蛋白来实现的 , 不同膜蛋白具有输运不同化学物 质的能力 。
化 学 进 展
第 16 卷
Structure and Mechanism of Water Channels
Sui Haixin ＊
(Life Sciences Division , Lawrence Berkeley National Laboratory , Berkeley , CA 94720 , USA) Ren Gang ＊
水分子通道蛋白的结构与功能
隋海心 ＊
(Life Sciences Division , Lawrence Berkeley National Laboratory , Berkeley , CA 94720 , USA)
任 罡＊
(Department of Cell Biology , The Scripps Research Institute , La Jolla , CA 92037 , USA)
关键词 水通道蛋白 水传输 结构与功能 膜通道 中图分类号 :Q51 文献标识码 :A 文章编号 :1005-281X(2004)02-0145-08
收稿 :2004 年 1 月 ＊通讯联系人 e-mail:hsui @lbl .gov ;gren@bcm.tmc .edu
· 146 ·
三 、 水通道蛋白的结构与机理
蛋白质的功能是ຫໍສະໝຸດ Baidu过其结构来实现的 。要解决
图 1 注入了 AQP1 水通 道蛋白 mRNA 的蛙 卵细胞 在高 渗透压介质环境中迅 速膨胀(上一行图);与之相对 应 , 没有注入 AQP1 蛋白 mRNA 的蛙卵 细胞则 没有 变化(下一行图)[ 8] (本图 经 Peter Agre 教 授同 意使 用)
Fig .1 Xenopus oocytes microinjected with AQP1 mRNA sweld rapidly when placed in a hypo-osmotic medium
些水分子通过 。水通道蛋白家族成员则主要存在于 动物和植物中 , 除一部分水通道蛋白可以允许少量 甘油分子通过外 , 其余的水通道蛋白都能高效地阻 挡其他分子和离子(包括质子)并只允许水分子快速 通过 。AQP1 蛋白就是一个存在于哺乳动物中的只 传输水分子的典型水通道蛋白 。 它在哺乳动物中保 守性＊非常好 。
在上述引文的第一作者中 , Murata 是与 P .Agre 等一道发表论文的日本科学家 , 其它三位都是中国青年学者 :富大雄(Fu , D .), 任罡(Ren , G .)和隋海心(Sui , H .), 他们的论文出处见本文的参考文献[ 33] 、[ 31] 和[ 32] 。 本文作者隋海心是大连理工 大学材料工程系的研究生(1989 —1995)、任罡是北京科技大学材料物理系的研究生 (1993 —1997)。 他们都师从郭可信院士 , 在中国科学院北京电子显微镜实验室从事 电子显微像的图像处理与三维重构的博士论文工作 。 隋海心在博士毕业后还在 1996 年从国家自然科学基金委员会申请到题为“ 电子晶体学图像处理在准晶近似相 结构研究中的应用”的资助 。 任罡在彭练矛研究员的具体指导下的博士论文题目是 “定量电子显微学及其应用” 。 他们在国内已有扎实的电子显微学和晶体学基础 , 在 去美转攻蛋白膜水通道的研究工作后 , 很快作出优异成绩 , 引起世人注意 。
由此可见 , 水通道蛋白对于生命活动至关重要 。
二 、 水通道蛋白的发现与分类
早在 19 世纪中叶 , 人们就设想生物器官的表面 存在传输水和 小分子溶质 的“通道(channel)” 。 从 20 世纪 50 年代后期到 80 年代中期 , 一些对血红细 胞进行研究的学者提出在血红细胞膜上可能存在有 可以传输水分子的蛋白[ 2 —7] 。 例如 Macey 和 Farmer 在 1970 年发现血红细胞的很好的透水性可以被水 银化合物所阻塞[ 4] 。 由此他们推断 , 红细胞膜上应 该存在一种基 本上只允许水分子通过 的水通道蛋 白 。这种蛋白的过滤性质可以 被 pCMBS 等水银化 合物所改变 。这一设想与发现水通道蛋白后的一些 实验结果相符合[ 8 —10] 。但是上述这些工作并没有确 定无疑地找到并表征出水通道蛋白 。同不少科学上 的重要成果一样 , 第一个水分子通道蛋白的发现和 纯化是 一个意 外收获 。 80 年 代中 期 , John Hopkins 大学的 Peter Agre 研究小组设法从血细胞膜上提纯 Rh 血液组抗原的 32 kDa 单元＊＊ 。 他们在提纯过程 中发现有一种分子量为 28kDa 的物质总是会被一同 提纯出来 。 他们 起初以 为这是 Rh 蛋白 的降 解产 物 。后来意识到这是一种以前没有被发现的蛋白 。 于是 Agre 研究组的主要研究方向转而投向这个新 蛋白 。他们于 1988 年从血红细胞和肾小管中分离 纯化了这种蛋白[ 11] , 并根据其分子量命名该蛋白为
(Department of Cell Biology , The Scripps Research Institute , La Jolla , CA 92037 , USA)
Abstract The mechanism of water transport across biological membranes has been a longstanding problem in physiology and cell biology .The discovery and characterization of the AQP1 water channel protein leads to the identification of the aquaporin family of water channels which is responsible for the water permeability of biological membranes .The atomic structure of mammalian AQP1 reveals how this family of proteins transports water molecules , but not other small molecules and ions (including protons), rapidly across cell membranes .This review summarizes the discovery of water channel proteins and their mechanism of water-specific transport .
第 16 卷 第 2 期 2004 年 3 月
化 学 进 展
PROGRESS IN CHEMISTRY
Vol .16 No .2 Mar ., 2004
编者按 瑞典皇家科学院在 2003 年 10 月 8 日宣布 , 当年的诺贝尔化学奖颁发给在 水通道和离子通道的基础研究中分别做出突出贡献的 Peter Agre 和 Roderick Mackinnon , 同时指出 :“In 2000 and 2001 , the first high-resolution 3D structures of AQP1 and a related glycerol-selective bacterial channel protein (GlpF)were reported (Fu et al ., 2000;Murata et al ., 2000 ;Ren et al ., 2001 ;Sui et al ., 2001).Based on these structures , detailed models have been put forward to explain the high permeation rate , the strict water selectivity , and the ability of AQP1 to prevent proton leakage (…)”(引自瑞典皇家科学院在 2003 年 10 月 8 日发布的 Advanced information)
找的水通道蛋白 , Agre 小组用一个巧妙的办法进行 了测试 。 他们用微管注入的方法将 CHIP28 的 mR-
NA 注入到蛙卵细胞(xenopus oocytes)内 , 从而将该蛋
白表达到了蛙卵细胞膜上 。在溶液中加入高渗透压
介质后 , 表达了 CHIP28 的蛙卵细胞迅速膨胀直至破 裂 , 而没有表达 CHIP28 的细胞则几乎没有变化(见
图 1)。于是水分子通道蛋白第一次被确定 无疑地 鉴定了出来[ 8] 。 CHIP28 蛋白也 被重新命名为 1 号 水通道蛋白 :aquaporin 1 AQP1[ 13] 。
反而造成了一些分类概念上的混乱 。 在此我们仍然 沿用“主体蛋白家族”的名称 。主体蛋白家族大致可 以分成两个蛋白家族 , 即允许水分子通过的“水通道 蛋白”AQP 和允许甘油分子通过的“甘 油通道蛋白 (glycerol facilitators)”[ 18 , 19] 。 甘油通道蛋白的发现和 鉴定早于水通道蛋白的发现和鉴定[ 20 , 21] , 其家族成 员大多存在于细菌 、真菌等低等生物中 。 绝大多数 甘油通道蛋白在传输甘油分子的同时也可以允许一
＊通讯联系人 ＊＊道尔顿是分子量单位 , 它是 C12 碳原子的 1 12 的质量 , kDa 是千道尔顿
第 2期
隋海心等 水分子通道蛋白的结构与功能
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CHIP28 (channel-like integral membrane protein , 28 kDa)[ 12] 。考虑到 CHIP28 很可能就是大家一直在寻
摘 要 水分子穿越双磷脂生物膜的输运机理是生理学和细胞生物学中一个长期未能解决的重要问 题 。AQP1 水通道蛋白的发现和鉴定使得人们确认出一个新的蛋白质家族 ———水通道蛋白家族 。 正是这一 蛋白家族的存在 , 使得水分子可以进行快速的跨膜传输 。 由晶体学方法解出的哺乳动物 AQP1 水通道蛋白 的原子结构 , 最终揭示了水通道蛋白只允许水分子快速传输而阻挡其他的小分子和离子(包括质子 H +)的 筛选输运机理 。 本文概述了水通道蛋白的发现和其对水分子的筛选传输机理 。
Key words aquaporin ;water transport ;structure and function ;membrane channel
一 、 水通道蛋白的重要性
活细胞外面有一层由磷脂组成双层膜 , 称为双 磷脂细胞膜 。它将细胞的内环境物质及细胞器等与 外部环境区分开 。 水 、离子以及其他极性分子一般 不能透过这层双磷脂细胞膜 。 但是细胞生命活动经 常需要有选择性地对这些物质进行快速跨膜传输 。 这是通过镶嵌在细胞膜上具有输运化学物质功能的 膜蛋白来实现的 , 不同膜蛋白具有输运不同化学物 质的能力 。
化 学 进 展
第 16 卷
Structure and Mechanism of Water Channels
Sui Haixin ＊
(Life Sciences Division , Lawrence Berkeley National Laboratory , Berkeley , CA 94720 , USA) Ren Gang ＊
水分子通道蛋白的结构与功能
隋海心 ＊
(Life Sciences Division , Lawrence Berkeley National Laboratory , Berkeley , CA 94720 , USA)
任 罡＊
(Department of Cell Biology , The Scripps Research Institute , La Jolla , CA 92037 , USA)
关键词 水通道蛋白 水传输 结构与功能 膜通道 中图分类号 :Q51 文献标识码 :A 文章编号 :1005-281X(2004)02-0145-08
收稿 :2004 年 1 月 ＊通讯联系人 e-mail:hsui @lbl .gov ;gren@bcm.tmc .edu
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三 、 水通道蛋白的结构与机理
蛋白质的功能是ຫໍສະໝຸດ Baidu过其结构来实现的 。要解决
图 1 注入了 AQP1 水通 道蛋白 mRNA 的蛙 卵细胞 在高 渗透压介质环境中迅 速膨胀(上一行图);与之相对 应 , 没有注入 AQP1 蛋白 mRNA 的蛙卵 细胞则 没有 变化(下一行图)[ 8] (本图 经 Peter Agre 教 授同 意使 用)
Fig .1 Xenopus oocytes microinjected with AQP1 mRNA sweld rapidly when placed in a hypo-osmotic medium
些水分子通过 。水通道蛋白家族成员则主要存在于 动物和植物中 , 除一部分水通道蛋白可以允许少量 甘油分子通过外 , 其余的水通道蛋白都能高效地阻 挡其他分子和离子(包括质子)并只允许水分子快速 通过 。AQP1 蛋白就是一个存在于哺乳动物中的只 传输水分子的典型水通道蛋白 。 它在哺乳动物中保 守性＊非常好 。
在上述引文的第一作者中 , Murata 是与 P .Agre 等一道发表论文的日本科学家 , 其它三位都是中国青年学者 :富大雄(Fu , D .), 任罡(Ren , G .)和隋海心(Sui , H .), 他们的论文出处见本文的参考文献[ 33] 、[ 31] 和[ 32] 。 本文作者隋海心是大连理工 大学材料工程系的研究生(1989 —1995)、任罡是北京科技大学材料物理系的研究生 (1993 —1997)。 他们都师从郭可信院士 , 在中国科学院北京电子显微镜实验室从事 电子显微像的图像处理与三维重构的博士论文工作 。 隋海心在博士毕业后还在 1996 年从国家自然科学基金委员会申请到题为“ 电子晶体学图像处理在准晶近似相 结构研究中的应用”的资助 。 任罡在彭练矛研究员的具体指导下的博士论文题目是 “定量电子显微学及其应用” 。 他们在国内已有扎实的电子显微学和晶体学基础 , 在 去美转攻蛋白膜水通道的研究工作后 , 很快作出优异成绩 , 引起世人注意 。
由此可见 , 水通道蛋白对于生命活动至关重要 。
二 、 水通道蛋白的发现与分类
早在 19 世纪中叶 , 人们就设想生物器官的表面 存在传输水和 小分子溶质 的“通道(channel)” 。 从 20 世纪 50 年代后期到 80 年代中期 , 一些对血红细 胞进行研究的学者提出在血红细胞膜上可能存在有 可以传输水分子的蛋白[ 2 —7] 。 例如 Macey 和 Farmer 在 1970 年发现血红细胞的很好的透水性可以被水 银化合物所阻塞[ 4] 。 由此他们推断 , 红细胞膜上应 该存在一种基 本上只允许水分子通过 的水通道蛋 白 。这种蛋白的过滤性质可以 被 pCMBS 等水银化 合物所改变 。这一设想与发现水通道蛋白后的一些 实验结果相符合[ 8 —10] 。但是上述这些工作并没有确 定无疑地找到并表征出水通道蛋白 。同不少科学上 的重要成果一样 , 第一个水分子通道蛋白的发现和 纯化是 一个意 外收获 。 80 年 代中 期 , John Hopkins 大学的 Peter Agre 研究小组设法从血细胞膜上提纯 Rh 血液组抗原的 32 kDa 单元＊＊ 。 他们在提纯过程 中发现有一种分子量为 28kDa 的物质总是会被一同 提纯出来 。 他们 起初以 为这是 Rh 蛋白 的降 解产 物 。后来意识到这是一种以前没有被发现的蛋白 。 于是 Agre 研究组的主要研究方向转而投向这个新 蛋白 。他们于 1988 年从血红细胞和肾小管中分离 纯化了这种蛋白[ 11] , 并根据其分子量命名该蛋白为
(Department of Cell Biology , The Scripps Research Institute , La Jolla , CA 92037 , USA)
Abstract The mechanism of water transport across biological membranes has been a longstanding problem in physiology and cell biology .The discovery and characterization of the AQP1 water channel protein leads to the identification of the aquaporin family of water channels which is responsible for the water permeability of biological membranes .The atomic structure of mammalian AQP1 reveals how this family of proteins transports water molecules , but not other small molecules and ions (including protons), rapidly across cell membranes .This review summarizes the discovery of water channel proteins and their mechanism of water-specific transport .
第 16 卷 第 2 期 2004 年 3 月
化 学 进 展
PROGRESS IN CHEMISTRY
Vol .16 No .2 Mar ., 2004
编者按 瑞典皇家科学院在 2003 年 10 月 8 日宣布 , 当年的诺贝尔化学奖颁发给在 水通道和离子通道的基础研究中分别做出突出贡献的 Peter Agre 和 Roderick Mackinnon , 同时指出 :“In 2000 and 2001 , the first high-resolution 3D structures of AQP1 and a related glycerol-selective bacterial channel protein (GlpF)were reported (Fu et al ., 2000;Murata et al ., 2000 ;Ren et al ., 2001 ;Sui et al ., 2001).Based on these structures , detailed models have been put forward to explain the high permeation rate , the strict water selectivity , and the ability of AQP1 to prevent proton leakage (…)”(引自瑞典皇家科学院在 2003 年 10 月 8 日发布的 Advanced information)
找的水通道蛋白 , Agre 小组用一个巧妙的办法进行 了测试 。 他们用微管注入的方法将 CHIP28 的 mR-
NA 注入到蛙卵细胞(xenopus oocytes)内 , 从而将该蛋
白表达到了蛙卵细胞膜上 。在溶液中加入高渗透压
介质后 , 表达了 CHIP28 的蛙卵细胞迅速膨胀直至破 裂 , 而没有表达 CHIP28 的细胞则几乎没有变化(见
图 1)。于是水分子通道蛋白第一次被确定 无疑地 鉴定了出来[ 8] 。 CHIP28 蛋白也 被重新命名为 1 号 水通道蛋白 :aquaporin 1 AQP1[ 13] 。
反而造成了一些分类概念上的混乱 。 在此我们仍然 沿用“主体蛋白家族”的名称 。主体蛋白家族大致可 以分成两个蛋白家族 , 即允许水分子通过的“水通道 蛋白”AQP 和允许甘油分子通过的“甘 油通道蛋白 (glycerol facilitators)”[ 18 , 19] 。 甘油通道蛋白的发现和 鉴定早于水通道蛋白的发现和鉴定[ 20 , 21] , 其家族成 员大多存在于细菌 、真菌等低等生物中 。 绝大多数 甘油通道蛋白在传输甘油分子的同时也可以允许一
＊通讯联系人 ＊＊道尔顿是分子量单位 , 它是 C12 碳原子的 1 12 的质量 , kDa 是千道尔顿
第 2期
隋海心等 水分子通道蛋白的结构与功能
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CHIP28 (channel-like integral membrane protein , 28 kDa)[ 12] 。考虑到 CHIP28 很可能就是大家一直在寻