水通道蛋白的發(fā)現(xiàn)及對人體的作用.doc

水通道蛋白的發(fā)現(xiàn)及對人體的作用劉彥成（渭南師范學(xué)院 環(huán)境與生命科學(xué)系 陜西渭南 714000） 摘 要：水通道蛋白(aquaporin，AQP) 是一種對水專一的通道蛋白。具有介導(dǎo)水的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)和調(diào)節(jié)體內(nèi)水代謝平衡的功能。水通道蛋白調(diào)節(jié)失控與水平衡紊亂等一系列疾病密切相關(guān)。 關(guān)鍵詞：細(xì)胞膜；水通道蛋白（AQP）；跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)；疾病；調(diào)節(jié) Abstract: The pass of water protein (aquaporin, AQP) is one kind of adding water single-minded channel protein.Has lies between leads the water the cross membrane transportation and the adjustment body domestic waters metabolism balance function.Pass of water protein adjustment out of control and level balance disorder and so on a series of disease close correlation. Key word: Cell membrane pass of water protein (AQP) cross membrane transportation disease adjusts1 水通道蛋白的發(fā)現(xiàn)1.1 細(xì)胞膜的運(yùn)輸方式細(xì)胞是構(gòu)成生物的基本單位，細(xì)胞與細(xì)胞之間則是通過細(xì)胞膜來溝通和實(shí)現(xiàn)基本的生命活動(dòng)。細(xì)胞膜的主要成分為磷脂和蛋白質(zhì)，其結(jié)構(gòu)為磷脂雙分子層，磷脂雙分子層上有糖蛋白，糖蛋白所在一側(cè)為細(xì)胞外側(cè)。物質(zhì)跨膜運(yùn)輸可分為自 圖1 細(xì)胞膜的立體結(jié)構(gòu)由擴(kuò)散（不需能量、載體），協(xié)助擴(kuò)散（不需要能量、需載體），主動(dòng)運(yùn)輸（要能量、需載體）三種。還有一些大分子物質(zhì)是通過胞吞、胞吐方式通過細(xì)胞膜，它們需要能量、不要載體。另外還有一種很主要的方式就是通道蛋白。1.2 生物膜水通道的發(fā)現(xiàn)【1】長期以來對于水的運(yùn)輸方式研究者普遍認(rèn)為主要有兩種：即簡單的擴(kuò)散方式和借助離子通道通過磷脂雙分子層。近些年研究者發(fā)現(xiàn)某些細(xì)胞在低滲溶液中對水的通透性很高, 很難用簡單擴(kuò)散來解釋。如將紅細(xì)胞移入低滲溶液后，很快吸水膨脹而溶血，而水生動(dòng)物的卵母細(xì)胞在低滲溶液不膨脹。因此，人們推測水的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)除了簡單擴(kuò)散外, 還存在某種特殊的機(jī)制, 并提出了水通道的概念。20世紀(jì)80年代中期，美國科學(xué)家彼得阿格雷研究了不同的細(xì)胞膜蛋白，經(jīng)過反復(fù)研究，他發(fā)現(xiàn)一種被稱為水通道蛋白的細(xì)胞膜蛋白就是人們尋找已久的水通道。為了驗(yàn)證自己的發(fā)現(xiàn)，阿格雷把含有水通道蛋白的細(xì)胞和去除了這種蛋白的細(xì)胞進(jìn)行了對比試驗(yàn)，結(jié)果前者能夠吸水，后者不能。為進(jìn)一步驗(yàn)證，他又制造了兩種人造細(xì)胞膜，一種含有水通道蛋白，一種則不含這種蛋白。他將這兩種人造細(xì)胞膜分別做成泡狀物，然后放在水中，結(jié)果第一種泡狀物吸收了很多水而膨脹，第二種則沒有變化。這些充分說明水通道蛋白具有吸收水分子的功能，就是水通道（圖2）。 圖2 細(xì)胞膜上的跨膜通道 圖3 水分子通過水通道蛋白AQP1那么水通道蛋白為什么只允許水分子而禁止其它的分子和離子通過？水通道蛋白AQP1的立體空間結(jié)構(gòu)于2000年被解出后（圖3），科學(xué)家得以解釋水通道對水分子的高度選擇性水分子在通道上半與下半部具有相反方向的偶極矩，故可防止質(zhì)子的通過。從而揭示了水通道蛋白（Aquaporin，AQP）均具有選擇性的讓水分子通過的特性。已知與AQP1相似的水通道在人體內(nèi)至少有十一種。尤其是AQP1及AQP2兩種水通道蛋白對每天對尿液吸收一百五十至兩百公升水的腎臟最為重要。 由此，我們知道水通過兩種機(jī)制穿過膜：一種是通過脂雙層的擴(kuò)散。因?yàn)橹p層雖是疏水的，其中并非沒有空間，水分子可以通過氫鍵在其中形成類似冰的結(jié)構(gòu)，從而穿過膜；第二種機(jī)制是通過專一的水通道蛋白（AQP），它是一類膜蛋白，相對分子質(zhì)量不大。植物細(xì)胞的質(zhì)膜和液泡膜中各有不同的水通道蛋白。根據(jù)來自動(dòng)物的水通道蛋白的研究，這類蛋白質(zhì)分布很廣泛，意義重大。2 對水通道蛋白的研究進(jìn)展2.1 對水通道蛋白AQP1的研究 水分子穿越雙磷脂生物膜的輸運(yùn)機(jī)理是生理學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)中一個(gè)長期未能解決的重要問題。AQP1的發(fā)現(xiàn)和鑒定使得人們確認(rèn)出一個(gè)新的蛋白質(zhì)家族水通道蛋白家族。正是這一蛋白家族的存在，使得水分子可以進(jìn)行快速的跨膜傳輸【3】。AQP1 在細(xì)胞膜中以四聚體形式存在（圖4），每個(gè)單聚體（即一個(gè)AQP1 分子）是一個(gè)獨(dú)立功能單元，中心存在一個(gè)通道管。它由6個(gè)貫穿膜兩面的長螺旋構(gòu)成基本骨架，其中間有兩個(gè)嵌入但不貫穿膜的短螺旋幾乎頂對頂?shù)胤胖弥▓D5）。在兩個(gè)短螺旋相對的頂端各擁有一個(gè)在所有水通道家蛋白中都保守存在的Asn-Pro-Ala（NPA）氨基酸組單元。它們使得這種頂對頂結(jié)構(gòu)得以穩(wěn)定存在。從兩個(gè)螺旋的頂端分別延生出一條氨基酸殘基松散鏈條分別回繞，走向各自的膜面。 圖4 水通道蛋白的投影密度圖。 圖5 水通道蛋白的螺旋結(jié)構(gòu)構(gòu)造。2.2 水通道蛋白成員在人體組織中的分布情況【4】 泌尿系統(tǒng)已經(jīng)有AQPI, AQP2, AQP3, AQP4, AQP6,AQP7, AQP8等7種水通道蛋白亞型在腎臟內(nèi)被發(fā)現(xiàn)；呼吸系統(tǒng)中共發(fā)現(xiàn)4種水通道蛋白亞型:AQPI, AQP3, AQP4, AQPS；消化系統(tǒng)至少有8種水通道蛋白(AQP I、AQP3、AQP4、AQPS、AQPS、AQPg、AQP10、AQP12)在消化道上皮表達(dá)；神經(jīng)系統(tǒng)中的腦內(nèi)水通道蛋白主要是AQP3、AQPS、AQP8等存在于神經(jīng)元內(nèi)，AQP3、AQP4、AQPS、AQPS和AQPgmRNA則存在于星形膠質(zhì)細(xì)胞中。3 水通道蛋白對人體的功能及作用 AQP作為細(xì)胞膜上的一種對水專一的通道蛋白，普遍存在于動(dòng)植物及微生物細(xì)胞膜上，尤其在動(dòng)物體中的功能和作用日益凸顯。研究其對人類疾病的治療無疑具有重要的價(jià)值，目前已發(fā)現(xiàn)人體內(nèi)至少有11種【5】（AQP0AQP10），其中大部分存在腎臟、大腦、眼睛和心臟中.3.1 AQP與眼眼組織是人體含水最豐富的器官，其多項(xiàng)生理功能的完成依賴于快速、高效的細(xì)胞水轉(zhuǎn)運(yùn)。而水通道蛋白是遍布于機(jī)體內(nèi)與水的轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)的通道蛋白，在眼組織亦有多種類型的水通道蛋白分布。如AQPO存在于晶狀體纖維細(xì)胞；AQP1在睫狀體和虹膜上皮、角膜及小梁網(wǎng)、視網(wǎng)膜等處表達(dá)；AQP3位于結(jié)膜上皮；AQP4在睫狀體非色素上皮細(xì)胞和視網(wǎng)膜等多部位表達(dá)【6】。水通道蛋白1（Aquaporin- 1，AQP1）在各種類型及不同發(fā)展時(shí)期原發(fā)性青光眼患者的小梁組織中表達(dá)的改變，為研究青光眼的發(fā)病機(jī)理及治療提供一條新的思路。目前已證實(shí)：1.持續(xù)高眼壓可破壞小梁網(wǎng)正常結(jié)構(gòu)，使小梁細(xì)胞數(shù)目減少，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和功能異常，并可使小梁網(wǎng)AQP1的表達(dá)減少；2. 眼壓急劇升高的早期，機(jī)體能夠自主上調(diào)小梁網(wǎng)內(nèi)皮細(xì)胞膜AQP1的表達(dá)【7】。 3.2 AQP與腎梗阻性黃疸是膽道外科常見疾病,臨床上約8%的患者在手術(shù)期出現(xiàn)急性腎功能不全。人們發(fā)現(xiàn)水通道蛋白之后,就可以利用其特點(diǎn)在分子水平研究腎損傷。AQP 3是腎臟集合管自由水代謝調(diào)節(jié)的主要蛋白質(zhì)。梗阻性黃疸腎集合管損傷的研究對于指導(dǎo)臨床早期治療具有重要意義【8】水通道蛋白基因在胎腎中表達(dá)的研究，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)共有7種水通道蛋白(AQP)1,2,3,4,6,7,8在腎臟中表達(dá),主要集中在近曲小管、亨勒袢降支、集合管等;AQP1-4參與水的重吸收和尿濃縮,有關(guān)AQP6-8的生理與病理意義不明【9】3.3 AQP與肺肺分布于肺組織的AQP有6種(AQP1、AQP3、AQP4、AQP5、AQP8及AQP9),分別表達(dá)于肺組織的不同部位,其中AQP1、AQP3、AQP4及AQP5在肺泡毛細(xì)血管間水的轉(zhuǎn)運(yùn)中發(fā)揮重要的作用,可能參與了出生時(shí)肺泡液體的吸收、氣道的濕化、肺水容量的調(diào)節(jié)及肺水腫的形成。就水通道蛋白在肺組織的分布、功能及與肺出血的關(guān)系作如下綜述【10】：水通道蛋白（AQP）的作用對臨床治療肺水腫有重要意義，AQPs功能均不受溫度和脂質(zhì)膜成分影響，而且不存在開放和關(guān)閉的功能狀態(tài)，只要有滲透壓梯度就有水分子順滲透壓梯度通過水孔通道。目前發(fā)現(xiàn)有6種AQPs在肺臟表達(dá)。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，急性肺損傷時(shí)，都存在肺泡上皮細(xì)胞和毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞AQPs表達(dá)量減少和活性降低；通過提高AQPs含量或者活性，增強(qiáng)肺水腫患者肺水清除率，可能是治療肺水腫的有效途徑【11】。水通道蛋白的發(fā)現(xiàn)使肺水腫的研究躍入了一個(gè)全新的階段，它的發(fā)現(xiàn)使我們能夠在分子水平認(rèn)識肺水腫發(fā)生、發(fā)展的全過程。對肺水腫發(fā)生后AQPs的變化機(jī)制和AQPs家族成員在肺臟的分布、表達(dá)、調(diào)控和代謝機(jī)制以及AQPs在肺水腫發(fā)生、發(fā)展中的作用的深入研究，將會對研究肺水腫的發(fā)病機(jī)制有重要意義，從而為臨床對肺水腫的治療提供新思路、新途徑。3.4 AQP與心AQP2是1993年被克隆確認(rèn)的水通道蛋白家族中的一種,位于腎臟集合管主細(xì)胞管腔側(cè)和靠近管腔側(cè)的囊泡內(nèi),是血管加壓素依賴性水通道,是調(diào)節(jié)腎臟集合管對水通性的關(guān)鍵蛋白,在調(diào)節(jié)腎臟水平衡中起重要作用,并被認(rèn)為是維持體內(nèi)水平衡的必需物質(zhì);水通道蛋白2是血管加壓素對腎臟集合管調(diào)節(jié)的重要對象,進(jìn)而達(dá)到改變集合管主細(xì)胞水通透性的目的,調(diào)節(jié)方式有兩種,即短期調(diào)節(jié)和長期調(diào)節(jié); AQP2的調(diào)節(jié)機(jī)制異常與某些心血管系統(tǒng)疾病,如充血性心力衰竭、高血壓的發(fā)病和其所致的病理生理學(xué)改變密切相關(guān)【12】。 3.5 AQP與腦在哺乳動(dòng)物內(nèi)已發(fā)現(xiàn)有十種水通道蛋白（AQPOAQP9）分布于水代謝活躍的器官。每種水通道蛋白都具有組織分布特異性，不同水通道蛋白之間的結(jié)構(gòu)相似，均以四聚體形式存在，每一單體構(gòu)成一個(gè)功能單位（水通道），具有轉(zhuǎn)運(yùn)水的功能。腦組織中的水通道蛋白主要的AQP4和AQP1，其分子結(jié)構(gòu)與功能在基因水平存在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)【13】。深入研究它們在腦內(nèi)的分布與功能，尤其與腦水腫之間的關(guān)系，對指導(dǎo)腦水腫治療和開發(fā)新藥均具有重要意義。作為具有高度選擇性的水通道特異蛋白家族，其中AQP4則主要分布于腦部。AQP4是膠質(zhì)細(xì)胞與細(xì)胞間液、腦脊液以及血管之間的水調(diào)節(jié)和運(yùn)輸?shù)闹匾Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，參與了各種原因如創(chuàng)傷、中風(fēng)、腦腫瘤等所致的腦水腫的形成以及癲癇的發(fā)生，對AQP4在腦水腫中的形成機(jī)制的作用研究有望為臨床腦水腫的治療開辟新的途徑【14】。4 總結(jié) 水通道蛋白作為細(xì)胞膜上的重要水通道之一有著特殊的意義。研究者們通過對水通道蛋白的深入研究，尤其是對人體細(xì)胞的11種AQP的功能和作用的全面揭曉，對人類的某些疾病治療有著非常重要的作用。對于目前很難根治的一些疾病或許從水通道蛋白處能夠找到理想答案。 （指導(dǎo)教師：張萬海）參考文獻(xiàn)：【1】/JXZY/JXSC/200510/170.html【2】關(guān)桂梅，徐春玲，董震等。水通道蛋白-1在鼻息肉組織中的表達(dá)。中華耳鼻咽喉雜志，2001，36（5）：330-332【3】期刊論文 隋海心, 任罡 - 化學(xué)進(jìn)展 2004年2期【4】期刊論文 侯彩云, 陳超 - 生命的化學(xué) 2008年2期【5】張勛，袁永一，顧文平等，水通道蛋白-2在鼻息肉組織中的表達(dá)。中華耳鼻咽喉雜志，2003，38（4）：272-332【6】陳海 孫善全 現(xiàn)代醫(yī)藥衛(wèi)生, 2005(12): 1518-1520【7】/meeting/ShowArticle.asp?ArticleID=4686【8】/kns50/GetInfoByDOI.aspx?DOI=CNKI:SUN:ZHPZ.0.2007-08-033【9】/pay.php?id=62251912【10】/grid20/GetInfoByDOI.a