《水通道蛋白的发现及应用讲稿》由会员分享，可在线阅读，更多相关《水通道蛋白的发现及应用讲稿（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、彼得阿格雷（Peter Agre）,科学家。1949年生于美国，1974年在巴尔的摩约翰斯霍普 金斯大学医学院获医学博士，现为该学院生物化学教授和医学教授。由于发现了细胞膜水通 道蛋白，在 2003 年获得诺贝尔化学奖。水通道蛋白发现历程19 世纪20 年代以前，人们认为水分子只是以自由扩散形式透过细胞膜，但是后来通过自 由扩散方式水分子通过量很少且活化能很高，难以解释水分子以很快速度大量通过细胞膜， 且通过菲克第一定律测量出细胞膜对水的通透性远高于人造脂质体，并且Posm（渗透水通透 系数）/ Pdw （扩散水通透系数）1。于是当时人们提出细胞膜上很可能存在调控水分子和其 他小的溶质分子进出
2、细胞的某种通道。50年代，许多科学家（Arthur K. Solomon in Boston, Alan Finkelstein in New York, Robert Macey in Berkeley, Gheorghe Benga in Romania, Guillermo Whittembury in Venezuela, Mario Parisi in Argentina）通过大量实验证实水分子能快速，大量 通过选择性通道进入红细胞，而其他分子或离子（H+）通不过，这种现象同样存在于唾液 腺，肾脏和膀胱（99%的水分被肾小管重吸收利用）中。尽管科学家做了努力，但由于这种 分子通道十分
3、简单，因此始终未能分离并鉴定。1988年，Peter Agre和他的团队在研究分离提纯兔子Rh血型抗原蛋白（利用抗体一抗原 结合特性来鉴定一定分子质量的物质并进行过滤）结果发现抗体与质量接近 30kDa 的蛋白 结合，起初以为是32kDa的抗原水解产物，但是由银光标记的琼脂糖凝胶电泳实验（SDS-PAGE） 结果显示有一条 28kDa 的不连续条带。他们发现此蛋白不被考马斯亮蓝等染液染色，排除 了抗原水解产物的可能。这便引起了 Peter Agre的极大兴趣。随后发现28x10的蛋白红细胞 及肾近端小管中该蛋白含量非常富每个细胞内含有大约20万个分子，且与磷脂双分子层 结合紧密。隆了该蛋白的全
4、长cDNA序列。|的功能。John C. Parker教授提示这个蛋 R RspMt-2 丄Ur*1991年测定了 28KDa蛋白N端的35个氨基酸。同一年,该基因编码269个氨基酸，蛋白具有6个跨膜结构域、个位于膜外的N-糖基化位点CHIP28,N-端和C-端所编码的基因有约20%的相同，B环和E环相似度更高且都含有Asp-Pro-AlaI Imisfl rii* Ijii id rmshcs4*q-hinjii|.pglp iKkTFIi-lli irHr时pc.H昔 HF9 cm |-rqlE-|!l特殊结构（NPA序列d。但当时任未知道此蛋白的具体功能。JLOhniC： Parke白和
5、有可能是水的特异性通道蛋白。序列分析表明28KDa蛋白与牛眼晶状体纤维细胞的主 要内在蛋白MIP26（major intrinsic protein, 目前认为该蛋白也属于水通道蛋白）相似性高达42，因此被称为 CHIP28(channel like integral membrane protein of 28x10 )，即质膜内在 通道类似蛋白 28(Channel rming integral mem brane protein, CHIP28)。1993年，Peter Agre又做了爪蟾卵母细胞实验（此细胞对水的扩散作用非常小），选用未 处理的卵母细胞作为对照组组，选用注射2ngCHI
6、P28 cRNA并经过三天培养的细胞做实验组,分别置于低渗环境观察，结果发现对照组细胞体积没有发生改变，实验组细胞迅速膨胀并破 裂。这个实验也证实了之前的猜测，这个蛋白就是水通道。但是依然有人提出质疑：AQP1 并非水通道蛋白本身，可能是调节水通道开闭的蛋白。1994年，为进一步证明CHIP28就是水通道蛋白，排除其为水通道调控蛋白的可能性，他 们又做了脂质体实验，通过对其活化能（小于5kcal/mol）、渗透系数的测定（平均每秒3*10人9 个水分子），以及对HgCl等抑制剂敏感性等研究，最终证明这种CHIP28蛋白的确为专一性 水通道蛋白。此类蛋白质被重新命名为Aquaporin，CHIP
7、28是第1个被鉴定的水通道蛋白， 因而称为Aquaporin1，简称AQP1。牛眼晶状体纤维细胞的主要内在蛋白（MIP26）也对水 有通透作用，因此被称为AQP0.水通道蛋白结构自从 AQP1 被发现并克隆以来，已经发现并克隆了 13 种哺乳动物水通道蛋白（AQP0AQP12），现在，我们着重介绍AQP1的结构。综述AQP1 在细胞膜中以四聚体的形式存在，四聚体复合物的每一个单体在功能上都 作为一个独立的水通道。AQP1 单体结构序列分析表明，AQP1单体的结构是由一条肽链组成，其N-末端及C-末端均位于 细胞膜的胞质侧。肽链中含有6个串联的疏水跨膜区，这些跨膜区富含a螺旋, 缺少0折叠结构，
8、并且由5条环相连。水通道蛋白嵌于脂质双分子层中，A、C、 E环位于胞外区，B、D环位于胞内区。H益丘尺半亂HOOCAQP1单体机理及分布B、 E 两环含有高度保守的氨基酸序列，其中的天冬酰胺-脯氨酸-丙氨酸序列 是大部分水通道蛋白中构成孔道中心的序列，这个特异的序列在三维结构上位于 通道的核心，对水分子通过起主要作用。此外，AQP1第189位的半胱氨酸具有 特异性结合汞的性质，结合后水通道蛋白丧失通透性。如果将半胱氨酸替换为分 子更大的氨基酸，可明显降低水的通透性（189 位的半胱氨酸被替换后水通道对 Hg 不再敏感，这也证明了半胱氨酸的重要作用）。其次，我们也可以通过对氨基酸进行糖基来改变水
9、的通透性。 AQP1 肽链上第 42 位氨基酸是丝氨酸，位于 A 环中间，能够被糖基化修饰（糖基化的 AQP1 蛋白 对水通透性大大减弱。）沙漏模型与水分子通过机理对于水通道蛋白的三维结构及其完成水通透功能的机理的解释存在颇多争议， 其中，“沙漏”模型是一种广为接受的解释：连接跨膜区的B、E两环折返穿入脂 质双分子层，并且分别与邻近的跨膜区形成半个孔道，彼此对称分布，由此构成 一条狭窄的分子通道。左图AQP 1的矢状断面示意图揭示了自由水在胞外、胞内前庭的沙漏。此部位就是阻止水分子由组合方式进入,改为由单一的水分子进入宽20A的通道。右图水分子在截面孔隙空间中“填饱”的表示两种结构都用于阻止质
10、子的进入：静电斥力由位于通道内嵌的精氨酸提供的正 电荷形成，水偶极方向的整来源于氢键结合水分子与两边中的残留NPA侧链的 作用（水若是只是H2O，它就是一种分子，但主体溶液中的水（H20） n作为存在 与相邻的水分子，使它成为一种液体间的氢键。大量的水分子位于胞外大约20 A 的前庭，就在这么狭窄的通道中对于单个质子是起阻碍作用的。在这种跨度的顶 部附近通道达到其最窄的收缩一2.8 A。因此，AQP1是只大得足以容纳单个水 分子。在此结构的完全保守的精氨酸侧链形成固定正电荷，和保守的组氨酸在另 一面墙上形成一个局部的正电荷一他们在一起有助于击退质子。）AQP蛋白家族在研究AQP1的同时，其他相
11、关蛋白也逐步被研究发现，大约几百种相关的蛋 白已被公认为脊椎动物和无脊椎动物、植物，以及单细胞微生物所拥有。他们 分为两个子集。第一批称为古典水通道蛋白，因为他们最初被认为是专属水毛 孔。第二种是兼有性的蛋白，因为他们都允许水和甘油的通过。目前，已知的哺 乳动物拥有AQP家族蛋白12种。1、AQP1在肾小球疾病肾组织中的表达及结果:应用AQP1单克隆抗体，采用SP方法对肾小 球疾病的肾活检组织行进行组织化学染色，检验肾活检组织中AQP1蛋白的表达。结果:AQP1 在各型肾小球疾病肾活检组织中肾皮质内的近端小管和髓袢降支细段的细胞顶膜均有表达， 肾小球内无表达。2、应用免疫组织化学方法检测人脑组
12、织中 AQP-4 的表达。创伤组标本取自 28 例急性颅脑 损伤患者急诊开颅血肿清除时所获挫伤灶周围脑组织 AQP-4 在急性颅脑损伤早期脑水肿发 生中的作用。AQP-4的表达在对照组的脑组织中AQP-4仅见少量表达(图3)图3对歸艰阳性产搦图4搏扬灶拘Ftl他俎职AQZ 阳性产物3200AQP 在植物体的分布和作用： 植物体内的水通道蛋白植物水通道蛋白在植物细胞伸长、气孔运动、种子发育、 开花繁殖和逆境胁迫等生长发育过程中具有重要作用。与动物和微生物相比，植 物 AQPs 的类型显得更为丰富，并且其转运对象十分广泛，除了运送水分外还转 运其他甘油、尿素、CO、砷等种类繁多的物质。植物水通道蛋
13、白分为4大类： 质膜内膜蛋白(plasma membrane intrinsic proteins, PIP)，液泡膜内膜蛋白(The ton oplast i ntr in sic protei ns，TIP)，膜内在蛋白 Nodui n-26 类似蛋白(Noduli n26 一 like in tr in sic membra ne prote ins, NIP)及 SIP 内膜蛋白 fsmall basic in tr in sic prote insFigurg 2 AIhaikma uuollei tuquiiJipoiiiifi Liadluiur. Anlistiisv RNj*
14、 iTtnipuilion reduces CKprsion 4 粗|呻porhi PHMh pmicin hy KO%, lb mahi谢n slim lUQfor m hwrl% ihr? Aqp PI PI b dMlic kMitiin匚左快:鴨tujirfo1-乳C3 by ripriKaEion.Riprimlcd wbh |MTmissiun （born The/r/jumai （KaMirmhcfi軽血匚 I坐IK）.常见水通道蛋白及其在人体的分布和作用名称组织分布功能AQPO晶状体囊内纤维细胞膜较弱的水通透性、细胞间黏着AQP1红细胞膜、肾的近端小管、胆管、肺泡和气管、脑脉络
15、丛、眼睛等组织水通透性、细胞迁移AQP2肾集合管受激素调控、增加质膜水通透性AQP3红细胞、肾集合管、气管上皮、分泌腺和皮肤表皮等对水、尿素和甘油都具有通透性AQP4肾集合管、中枢神经系统、气管等水通透性、与神经胶质的迁移 以及神经元的兴奋有关AQP5胰腺、泪腺和唾液腺的外分泌部以及眼 和肺对水和甘油具有通透性、对一些外分泌腺的分泌起作用AQP6肾间质细胞的包内囊泡对水具有较小通透性、能通透阴离子AQP7脂肪组织、肾脏、睾丸、心脏对水和甘油具有通透性AQP8胰腺腺泡、肝脏及消化道的其它气管水通透性AQP9肝脏、脑部水、甘油通透性AQP10小肠的十二指肠和空空肠水、甘油、尿素通透性AQP11睾丸、肾脏和肝脏水通透性AQP12胰腺腺泡、细胞器水通透性，SIP)
