细胞膜上的水通道蛋白

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 channel，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（Aquaporin），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