水通道蛋白结构与功能的关系.ppt

水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，如肾小管的近曲小管对水的重吸收、 从脑中排除额外的水、唾液和眼泪的形成，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。 对AQP1晶体学数据分 析表明，水孔蛋白由4个 亚基组成四聚体，每个亚 基都由6个跨膜α螺旋组 成。每个水孔蛋白亚基单 独形成一个供水分子运动 的中央孔，孔的直径稍大 于水分子直径，约0.28nm， 水孔长约2nm。 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 直径约 0.28nm 2）高度特异的亲水通道 尽管现在还没有完全揭示为何AQP1在对水分子快速 通过的同时能有效阻止质子的通过，表现出对水分子的特 异通透性，但已有的数据表明，这种特异性与两个半跨膜 区的Asn-Pro-Ala模式有关。AQP1中央孔的孔径无法通过 比水分子大的物质，而两个Asn-Pro-Ala中的Asn残基所带 的正电荷也排除了质子的通过，因此，AQP1是一个高度特 异的亲水通道，只允许水而不允许离子或其他小分子溶质 通过。 值得一提的是，有些水孔蛋白对溶质的通透不仅局限 于水分子，如AQP8对尿素也有通透性，AQP7对甘油具有 通透性。