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1、结构生物学课程报告,细胞膜水通道,周桂梅08.04.04,水通道-研究背景,研究者介绍：,彼得阿格雷1949年生于法国阿拉巴马州小城诺斯菲尔德，1974年在芝加哥约翰斯霍普金斯学院医大学获医学博士，后为该大学生物物理院士和医学院长。2004年来到杜克学院，兼任医大学副校长。,早在100多年前，人们就猜想细胞中存在特殊的输送水份子的通道。但直至1988年，阿格雷才成功分离出了一种膜蛋白质，然后他意识到它就是科学家孜孜以求的水通道。阿格雷于2003年被授予诺贝尔物理奖。诺贝尔奖评比委员会说，这是个重大发觉，开启了真菌、植物和喂奶植物水通道的生物物理、生理学和遗传学研究之
2、门。,水通道-研究背景,研究者介绍：二十世纪八十年代中期，英国科学家彼得阿格雷研究了不同的细胞膜蛋白。经过反复研究他发觉一种被称为水通道蛋白的细胞膜蛋白，就是人们找寻已久的水通道。为了验证自己的发觉，阿格雷把富含水通道蛋白的细胞和去不仅这些蛋白的细胞进行了对比试验，结果后者才能吸水，前者不能。为进一步验证，他又制造了两种人造细胞膜，一种富含水通道蛋白，一种则不含这些蛋白。他将这两种人造细胞膜分别弄成泡状物，之后置于水底，结果的一种泡状物吸收了好多水而膨胀，第二种则没有变化。那些充分说明水通道蛋白具有吸收水份子的功能就是水通道。2000年阿格雷与其他研究人员一起公布了世界第一张水通道蛋白的高
3、清晰度立体相片，相片阐明了这些蛋白的特殊结构只能容许水份子通过。1991年阿格雷发觉第一个水通道蛋白（28KD）细胞膜通道，的mRNA能导致南非爪蟾卵母细胞吸水断裂，已知这些吸水膨胀现象会被Hg2+抑制。,水通道-研究背景,水通道介绍：,包括人类在内的各类生物都是由细胞组成的，细胞就像一个由瓮城围上去的微小城镇，有用的物质不断被运进来，废物被不断运出去。早在一百多年前，人们就猜想细胞这一微小城镇的成墙中存在着好多“城门”他们只容许特定的分子或离子出入。,生物体的主要组成部份是水碱液，水碱液占人体重量的70%，生物体内的水碱液主要由水份子和各类离子组成，她们在细胞膜通道中的
4、进进出出，可以实现细胞的好多功能。二十世纪五十年代中期，科学家发觉细胞膜中存在着某种通道只容许水份子出入，人们称之为水通道。由于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。,水通道-研究背景,水通道介绍：,水通道发觉开辟了一个新的研究领域，目前科学家发觉水通道蛋白广泛存在于植物、植物和微生物中。它的种类好多，仅人体内就有十一种。它具有非常重要的作用，例如在人的心脏中就起着关键的过滤作用，一般一个成年人每晚要形成170升的原尿，这种原尿经心脏肾小球中的水通道蛋白的过滤，其中大部份是被人体循环借助，最终只有约一升的精液排出人体。目前在人类细胞中已发觉起码11种这种蛋白被命名为水通道
5、蛋白（，AQP）。APQ0,APQ1，APQ2，APQ3，APQ4，APQ5，APQ6，APQ7，APQ8，APQ9，APQ10,类似APQ的蛋白质称为超水通道蛋白（APQ11，APQ12）.,水通道-结构描述,AQP1以四聚体的方式存在于细胞膜中，每位亚基都能产生功能上独立的孔道。序列剖析表明，它是一个6次跨膜的蛋白细胞膜通道，N-端和C-端序列相像，各具有一个保守的特点性序列Asn-Pro-Ala(NPA)3(图1)。AQP1具有4个半胱谷氨酸，但突变研究表明，仅仅一个(Cys-189)对汞离子敏感，这个半胱谷氨酸紧靠NPA序列，坐落水通道的孔道内。,水通道-结构描
6、述,从AQP1的氨基酸中发觉了四个半胱谷氨酸（87、192、152和189位）。每位半胱谷氨酸被替代为谷氨酸。比较卵母细胞的重组体中突变型和野生型AQP1对水的私密性。结果只有E环的残基没有被汞抑制。在B环的相应位置用一个半胱谷氨酸代替了谷氨酸，这个蛋白显示出了汞敏感的水私密性而在APQ1其他位置的置换无法造成这些现象的发生。这提示这一分子B环和E环的相应部份一定产生了沙漏样的水孔通道。六个跨膜螺旋表明她们围绕产生一个中心区域，包括B环从细胞质表面步入细胞膜，E环从细胞外步入细胞膜。APQ1的结构可以解释水通道在水的吸收和分泌两个运动方向上所起的作用。膜上处于反方向相对位置的B环和E环对构成功能性水选
7、择通透非常重要。,水通道-结构描述,CHIP两端序列互相关联，B环（细胞内76-78位）和E环（细胞内192-194位）均有一个NPA模序（--）。E环的NPA紧靠汞抑制点189位的半胱谷氨酸。B环和E环的重叠部份显示出她们产生一个单一的水的孔道向上穿过分子的中心，NPA的主要成份并列在一起成180度相联。APQ1是一个四聚体，每一个亚基单位有一个中心孔道。,水通道-结构描述,Agre通过重组技术在AQP1上引入特异性的酶切位点，并用酶切剖析阐明了它的拓扑学结构，据此提出“砂漏模型(model)”。这个模型觉得：两个分别位
8、于N-端和C-端包含NPA序列的螺旋从膜内外两边朝膜中央伸展而重叠，并产生一个被6次跨膜的螺旋所包围的孔道。这个模型是生化上对AQP1结构认识的一个总结。,水通道-作用机制,每位水通道蛋白亚基具有一个砂漏状的孔道，宽度为20。整个孔道侧壁主要由疏水性多肽围成，但也提供了4个亲水的位点，利于水份子结合，以减少水份子穿过孔道时的能量障碍。这两种诱因达成一种巧妙的平衡，保证了水通道对水的极高的通透率和选择性。在孔道中点上方8处，半径最为窄小，此处可以通过大小限制(size)和静电敌视作用()来选择水份子。最窄处主要
9、由精谷氨酸(Arg-195)和谷氨酸(His-180)的官能团围成，半径2.8，与水份子的范德华直径相像，可以滤掉比水份子直径大的分子。因为精谷氨酸(Arg-195)和谷氨酸(His-180)在生理条件下都带有正电荷，可以抵触阳离子，紧密结合阴离子，使它们难以穿过水通道。,1、AQP1水孔的半径2、静电敌视,水通道-作用机制,在水通道里，最引人注目的是NPA的特点性序列，它在所有的水通道中都存在。两个NPA序列结构通过范德华力并排地结合在孔道的中点处，两个短的-螺旋与NPA序列相连，且N末端朝向孔道，致使NPA上的桑寄生酰氨带上部份正电荷。目前觉得穿过水通道的水份子在此处与两个玄参酰氨产生
10、临时官能团，因而发生极性翻转(water)水份子步入孔道的胞两侧时氧原子朝下，在抵达胞质侧时氧原子弄成朝上(图2)，其结果是打破水份子之间产生的连续官能团，阻断质子运输。,3、NPA的特点性序列,水通道-研究意义,水通道的生理功能：关于水通道的研究正由分子克隆转向关于水通道的研究正由分子克隆转向生理功能研究。喂奶植物水通道中AQP一2、AQP46、AQP8呈现选择性水通透，AQP3、AQP7、AQP9在通透水的同时也通透尿素或甘油等小分子物质。关于水通道功能的研究有赖于无毒的水通道阻断剂的开发，选择性敲除某种水通道进行水通道功能研究。1、在呼吸道和
11、肺的水代谢方面：肺脏液体转运、水跨上皮转运、参与肺水去除2、在消化道的水代谢方面：AQP4参与直肠液体的吸收、AQP1缺少使近曲小管渗透性水私密性增加，近曲小管等渗液体重吸收增加3、泌尿系统：血管升压素介导的AQP2分子转位模型是心脏调节水通透功能的短期调节方法4、神经系统：在砍树神经系统内广泛存在着水通道蛋白分布。目前对脑内水通道蛋白的研究多集中在AQP4这一亚型上。,水通道-研究意义,水通道抒发及活性的调节：目前研究表明调节水通道的诱因包括激素、神经递质及细胞因子。1、水私密性的迅速调节涉及到细胞内含有水通道的囊泡和顶质膜的再分布，即穿假说。2、糖皮质激素使水通道下调；表皮
12、生长因子(，KGF)病变坏死因子使水通道基因抒发调低。3、促胰液素能使AQP1从附睾细胞内到顶质膜；甲基胆碱通过M3受体使唾液腺上皮的AQP5在细胞内囊泡与顶质膜间穿梭。4、高渗氨水使培养MDCK细胞AQP3mRNA和蛋白抒发降低。pH和Ca离子调节AQP0的水渗透性。,水通道-研究意义,水通道异常与临床病症：在临床病症中水通道的病理变化，正在逐步被认识，这将推动我们对个别与水代谢有关的临床癌症的发病机制的了解。1、血管加压素通过V2受体使AQP2在囊泡与细胞膜间穿梭，先天性的肾源性尿崩症(Ne
13、phor-us，NDI)或是有V2受体的异常或是有AQP穿梭异常。相反，在孕期、充血性心力衰竭时，AQP2抒发降低，AQP5缺少导致气道高反应。2、腺病毒感染导致AQP1和AQP5低抒发，提示AQP1和AQP5可能参与肺部发炎时液体转运异常。3、假性肌肥大患者骨骼肌细胞AQP4抒发减低。在临床病症中水通道的病理变化正在逐步被认识，这将推动我们对个别与水代谢有关的临床病症的发病机制的了解。,水通道-参考文献,郭昊，李学军.细胞膜上的水通道-2003年诺贝尔物理奖工作介绍J.生理科学进展，2007,38(3):283-288.赵文龙.膜蛋白研究的里程碑-2003年诺贝尔物理奖J.科学通报，2004,49(5):403-405才丽平，赵金茹，林庶茹，等.水通道蛋白研究进展J.解剖科学进展，2003,9(2):167-170.侯彩云，陈超.水通道蛋白的结构与功能研究J.生命的物理，2008,28(2):169-171.,ThankYou！,