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1、結構生物學課程報告,細胞膜水通道,周桂梅08.04.04,水通道-研究背景,研究者介紹：,彼得阿格雷1949年生于法國阿拉巴馬州小城諾斯菲爾德，1974年在芝加哥約翰斯霍普金斯學院醫大學獲醫學博士，后為該大學生物物理院士和醫學院長。2004年來到杜克學院，兼任醫大學副校長。,早在100多年前，人們就猜想細胞中存在特殊的輸送水份子的通道。但直至1988年，阿格雷才成功分離出了一種膜蛋白質，然后他意識到它就是科學家孜孜以求的水通道。阿格雷于2003年被授予諾貝爾物理獎。諾貝爾獎評比委員會說，這是個重大發覺，開啟了真菌、植物和喂奶植物水通道的生物物理、生理學和遺傳學研究之
2、門。,水通道-研究背景,研究者介紹：二十世紀八十年代中期，英國科學家彼得阿格雷研究了不同的細胞膜蛋白。經過反復研究他發覺一種被稱為水通道蛋白的細胞膜蛋白，就是人們找尋已久的水通道。為了驗證自己的發覺，阿格雷把富含水通道蛋白的細胞和去不僅這些蛋白的細胞進行了對比試驗，結果后者才能吸水，前者不能。為進一步驗證，他又制造了兩種人造細胞膜，一種富含水通道蛋白，一種則不含這些蛋白。他將這兩種人造細胞膜分別弄成泡狀物，之后置于水底，結果的一種泡狀物吸收了好多水而膨脹，第二種則沒有變化。那些充分說明水通道蛋白具有吸收水份子的功能就是水通道。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
3、清晰度立體相片，相片闡明了這些蛋白的特殊結構只能容許水份子通過。1991年阿格雷發覺第一個水通道蛋白（28KD）細胞膜通道，的mRNA能導致南非爪蟾卵母細胞吸水斷裂，已知這些吸水膨脹現象會被Hg2+抑制。,水通道-研究背景,水通道介紹：,包括人類在內的各類生物都是由細胞組成的，細胞就像一個由甕城圍上去的微小城鎮，有用的物質不斷被運進來，廢物被不斷運出去。早在一百多年前，人們就猜想細胞這一微小城鎮的成墻中存在著好多“城門”他們只容許特定的分子或離子出入。,生物體的主要組成部份是水堿液，水堿液占人體重量的70%，生物體內的水堿液主要由水份子和各類離子組成，她們在細胞膜通道中的
4、進進出出，可以實現細胞的好多功能。二十世紀五十年代中期，科學家發覺細胞膜中存在著某種通道只容許水份子出入，人們稱之為水通道。由于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。,水通道-研究背景,水通道介紹：,水通道發覺開辟了一個新的研究領域，目前科學家發覺水通道蛋白廣泛存在于植物、植物和微生物中。它的種類好多，僅人體內就有十一種。它具有非常重要的作用，例如在人的心臟中就起著關鍵的過濾作用，一般一個成年人每晚要形成170升的原尿，這種原尿經心臟腎小球中的水通道蛋白的過濾，其中大部份是被人體循環借助，最終只有約一升的精液排出人體。目前在人類細胞中已發覺起碼11種這種蛋白被命名為水通道
5、蛋白（，AQP）。APQ0,APQ1，APQ2，APQ3，APQ4，APQ5，APQ6，APQ7，APQ8，APQ9，APQ10,類似APQ的蛋白質稱為超水通道蛋白（APQ11，APQ12）.,水通道-結構描述,AQP1以四聚體的方式存在于細胞膜中，每位亞基都能產生功能上獨立的孔道。序列剖析表明，它是一個6次跨膜的蛋白細胞膜通道，N-端和C-端序列相像，各具有一個保守的特點性序列Asn-Pro-Ala(NPA)3(圖1)。AQP1具有4個半胱谷氨酸，但突變研究表明，僅僅一個(Cys-189)對汞離子敏感，這個半胱谷氨酸緊靠NPA序列，坐落水通道的孔道內。,水通道-結構描
6、述,從AQP1的氨基酸中發覺了四個半胱谷氨酸（87、192、152和189位）。每位半胱谷氨酸被替代為谷氨酸。比較卵母細胞的重組體中突變型和野生型AQP1對水的私密性。結果只有E環的殘基沒有被汞抑制。在B環的相應位置用一個半胱谷氨酸代替了谷氨酸，這個蛋白顯示出了汞敏感的水私密性而在APQ1其他位置的置換無法造成這些現象的發生。這提示這一分子B環和E環的相應部份一定產生了沙漏樣的水孔通道。六個跨膜螺旋表明她們圍繞產生一個中心區域，包括B環從細胞質表面步入細胞膜，E環從細胞外步入細胞膜。APQ1的結構可以解釋水通道在水的吸收和分泌兩個運動方向上所起的作用。膜上處于反方向相對位置的B環和E環對構成功能性水選
7、擇通透非常重要。,水通道-結構描述,CHIP兩端序列互相關聯，B環（細胞內76-78位）和E環（細胞內192-194位）均有一個NPA模序（--）。E環的NPA緊靠汞抑制點189位的半胱谷氨酸。B環和E環的重疊部份顯示出她們產生一個單一的水的孔道向上穿過分子的中心，NPA的主要成份并列在一起成180度相聯。APQ1是一個四聚體，每一個亞基單位有一個中心孔道。,水通道-結構描述,Agre通過重組技術在AQP1上引入特異性的酶切位點，并用酶切剖析闡明了它的拓撲學結構，據此提出“砂漏模型(model)”。這個模型覺得：兩個分別位
8、于N-端和C-端包含NPA序列的螺旋從膜內外兩邊朝膜中央伸展而重疊，并產生一個被6次跨膜的螺旋所包圍的孔道。這個模型是生化上對AQP1結構認識的一個總結。,水通道-作用機制,每位水通道蛋白亞基具有一個砂漏狀的孔道，寬度為20。整個孔道側壁主要由疏水性多肽圍成，但也提供了4個親水的位點，利于水份子結合，以減少水份子穿過孔道時的能量障礙。這兩種誘因達成一種巧妙的平衡，保證了水通道對水的極高的通透率和選擇性。在孔道中點上方8處，半徑最為窄小，此處可以通過大小限制(size)和靜電敵視作用()來選擇水份子。最窄處主要
9、由精谷氨酸(Arg-195)和谷氨酸(His-180)的官能團圍成，半徑2.8，與水份子的范德華直徑相像，可以濾掉比水份子直徑大的分子。因為精谷氨酸(Arg-195)和谷氨酸(His-180)在生理條件下都帶有正電荷，可以抵觸陽離子，緊密結合陰離子，使它們難以穿過水通道。,1、AQP1水孔的半徑2、靜電敵視,水通道-作用機制,在水通道里，最引人注目的是NPA的特點性序列，它在所有的水通道中都存在。兩個NPA序列結構通過范德華力并排地結合在孔道的中點處，兩個短的-螺旋與NPA序列相連，且N末端朝向孔道，致使NPA上的桑寄生酰氨帶上部份正電荷。目前覺得穿過水通道的水份子在此處與兩個玄參酰氨產生
10、臨時官能團，因而發生極性翻轉(water)水份子步入孔道的胞兩側時氧原子朝下，在抵達胞質側時氧原子弄成朝上(圖2)，其結果是打破水份子之間產生的連續官能團，阻斷質子運輸。,3、NPA的特點性序列,水通道-研究意義,水通道的生理功能：關于水通道的研究正由分子克隆轉向關于水通道的研究正由分子克隆轉向生理功能研究。喂奶植物水通道中AQP一2、AQP46、AQP8呈現選擇性水通透，AQP3、AQP7、AQP9在通透水的同時也通透尿素或甘油等小分子物質。關于水通道功能的研究有賴于無毒的水通道阻斷劑的開發，選擇性敲除某種水通道進行水通道功能研究。1、在呼吸道和
11、肺的水代謝方面：肺臟液體轉運、水跨上皮轉運、參與肺水去除2、在消化道的水代謝方面：AQP4參與直腸液體的吸收、AQP1缺少使近曲小管滲透性水私密性增加，近曲小管等滲液體重吸收增加3、泌尿系統：血管升壓素介導的AQP2分子轉位模型是心臟調節水通透功能的短期調節方法4、神經系統：在砍樹神經系統內廣泛存在著水通道蛋白分布。目前對腦內水通道蛋白的研究多集中在AQP4這一亞型上。,水通道-研究意義,水通道抒發及活性的調節：目前研究表明調節水通道的誘因包括激素、神經遞質及細胞因子。1、水私密性的迅速調節涉及到細胞內含有水通道的囊泡和頂質膜的再分布，即穿假說。2、糖皮質激素使水通道下調；表皮
12、生長因子(，KGF)病變壞死因子使水通道基因抒發調低。3、促胰液素能使AQP1從附睪細胞內到頂質膜；甲基膽堿通過M3受體使唾液腺上皮的AQP5在細胞內囊泡與頂質膜間穿梭。4、高滲氨水使培養MDCK細胞AQP3mRNA和蛋白抒發降低。pH和Ca離子調節AQP0的水滲透性。,水通道-研究意義,水通道異常與臨床病癥：在臨床病癥中水通道的病理變化，正在逐步被認識，這將推動我們對個別與水代謝有關的臨床癌癥的發病機制的了解。1、血管加壓素通過V2受體使AQP2在囊泡與細胞膜間穿梭，先天性的腎源性尿崩癥(Ne
13、phor-us，NDI)或是有V2受體的異常或是有AQP穿梭異常。相反，在孕期、充血性心力衰竭時，AQP2抒發降低，AQP5缺少導致氣道高反應。2、腺病毒感染導致AQP1和AQP5低抒發，提示AQP1和AQP5可能參與肺部發炎時液體轉運異常。3、假性肌肥大患者骨骼肌細胞AQP4抒發減低。在臨床病癥中水通道的病理變化正在逐步被認識，這將推動我們對個別與水代謝有關的臨床病癥的發病機制的了解。,水通道-參考文獻,郭昊，李學軍.細胞膜上的水通道-2003年諾貝爾物理獎工作介紹J.生理科學進展，2007,38(3):283-288.趙文龍.膜蛋白研究的里程碑-2003年諾貝爾物理獎J.科學通報，2004,49(5):403-405才麗平，趙金茹，林庶茹，等.水通道蛋白研究進展J.解剖科學進展，2003,9(2):167-170.侯彩云，陳超.水通道蛋白的結構與功能研究J.生命的物理，2008,28(2):169-171.,ThankYou！,