水通道蛋白结构与功能的关系优秀教案.ppt

* 水分子通道蛋白的结构与功能 一、水通道蛋白的重要性 二、水通道蛋白的发现 三、水通道蛋白的结构 四、对水分子的筛选机理 一、水通道蛋白的重要性 水分子以简单渗透扩散方式通过细胞膜，但扩散 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。 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。 二、水通道蛋白的发现 19世纪中叶，人们设想生物器官的表面存在传输水和小分子溶质的通道“（channel）”。 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。 1988年Agre研究组从血红细胞和肾小管中分离纯化了CHIP28（channel-like integral membrane protein，23kDa），又被命名为AQP1 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） 三、水通道蛋白的结构 蛋白质的功能是 通过其结构来实现的， 要解决功能机理问题， 必须首先解决它的结 构问题。 水通道蛋白的投 影密集图显示在双磷脂膜中，4个AQP1分子 构成一个四聚体，每个水通道蛋白分子单体的 中心存在一个只允许水分子通过的通道管。 一个AQP1分子是由 6个贯穿膜两面的长α螺 旋构成基本骨架，其间还 有2个嵌入但不贯穿的短 α螺旋，顶对顶的结构， 拥有保守存在的 Asn-Pro-Ala（NPA） 氨基酸组成单元。从短的 α螺旋顶端分别延生出一 条氨基酸残基松散链分别 绕回，走向各自的膜面。 AQP1水通道蛋白的通道 结构及通道中水分子的位置。 蓝色斑点所示为水通道蛋白的 通道管部分。通道的限制口位 于中点上面8?左右的地方，由His182（H182），Arg197（R197），Phe58（F58）和Cys191（C191）4个氨基酸残 基构成。通道管中的4个绿色珠球所示为陷嵌其中的水分子位置。这些水分子附近的氨基酸 残基为其提供近似水环境。这 些氨基酸残基主要来自于从两 个不穿膜的小螺旋的顶端延生 出的松散链 四、对水分子的筛选机理 1）通道管的空间尺寸限制了比水分子大的小分子通过 构成AQP1水通道限 制口的氨基酸残基（H182，R197，F58，C191）构成 GlpF甘油通道限制口的氨 基酸残基（G191，R206，W48，F200）比较两者的 侧链可以知道，AQP1水通 道的限制口比GlpF甘油的 小。 2）通道管的溶质结合位置分布使水分子得以顺利通过 当一个水分子要通过直径为2.8?的水通道 狭口时，它必须剥除其周围与之水合的水分子， 而在狭口周围，极性的H182，R197残基以及 C191，G190，G192主链上的羰基氧为其提供 了可以形成氢键的替代组元。使得这种去水合 过程在能量上成为可行。 通道管中分布了可结合水分子的亲水位点， 使得水分子通过整个通道的能量大大降低，水分 子可以顺利通过整个通道管。 3）通道管有限度的亲和水环境阻碍水溶液中离子的通过 离子与水分子之间的水合作用比水分子之 间大得多。AQP1水通道的通道管中，主要来 自于两条松散氨基酸链条的水合水分子替代位 置不足上述KcsA钾通道过滤管的一半。对于 水分子通道管的狭口及大部分通道管部分而言， 只脱去部分水合水分子的离子水合物尺寸太大， 无法通过通道的2.8?的狭窄口。 *