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1、水分子通道蛋白的结构与功能的关系姓名：王国栋 院系：基础医学院中西医结合1 班 学号：20141025水分子穿越双磷脂生物膜的输运机理是生理学和细胞生物学中一个长期未能解决的重 要问题。AQP1水通道蛋白的发现和鉴定使得人们确认出一个新的蛋白质家族水通道蛋白家族。正是这一蛋白家族的存在，使得水分子可以进行快速的跨膜传输。由晶体学方法 解出的哺乳动物AQP1水通道蛋白的原子结构，最终揭示了水通道蛋白只允许水分子快速传 输而阻挡其他的小分子和离子（包括质子H+）的筛选输运机理。本文概述了水通道蛋白对 水分子筛选传输的机理。一、水通道蛋白的重要性 活细胞外面有一层由磷脂组成双层膜，称为双磷脂细胞膜。
2、它将细胞的内环境物质及细 胞器等与外部环境区分开。水、离子以及其他极性分子一般不能透过这层双磷脂细胞膜。但 是细胞生命活动经常需要有选择性地对这些物质进行快速跨膜传输。这是通过镶嵌在细胞膜 上具有输运化学物质功能的膜蛋白来实现的，不同膜蛋白具有输运不同化学物质的能力。水是活细胞的主要组成部分。在活细胞中，水的比例占总重量的 70%左右。大多数的 细胞生化反应都是在水环境中进行的。水分子的跨膜输运是如何实现的是生命科学中一个非 常重要的基本问题。水分子虽然可以以简单渗透扩散方式通过细胞膜，但是扩散速度非常缓 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（aguapor
3、in, AQP）实现的。一个AQP1水通道蛋白分子每秒钟可以允许30亿个水分子通 过。水通道蛋白大量存在于动物、植物等多种生物中。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。在植物当中，水 通道蛋白直接参与根部水分吸收及整个植物的水平衡。由于水通道蛋白的存在，细胞才可以 水通道蛋白对于生命活动至关重要。图1水通道蛋白的投影密度图。在双磷脂膜中，4个AOPI水通道蛋白分子 构成一个四聚体。每个水通道分子单体的中 心存在一个只允许水分子通过的通道管。二、水通道蛋白的结构 蛋白质的功能是通过其结构来实现的。要解决一个蛋白的功能机理问题，必须首先
4、 解出它的原子结构。AQP1 在细胞膜中以四聚体形式存在（图1）。每个单聚体（即一个AQP1分子）是一个独立功能单元，中心存在一个通道管。它由6个贯穿膜两面的长a螺旋构成基本骨架， 其中间有两个嵌入但不贯穿膜的短a螺旋几乎顶对顶地放置着（图2）。在两个短a螺旋相对 的顶端各拥有一个在所有水通道家族蛋白中都保守存在的Asn-Pro-Aia （NPA）氨基酸组单 元。它们使得这种顶对顶结构得以稳定存在。从两个螺旋的顶端分别延生出一条氨基酸残基 松散链条分别回绕，走向各自的膜面。后面我们会看到这种短 a 螺旋结合松散链条组成的 结构单元对水通道功能非常重要。事实上，这种结构单元不仅存在于水通道蛋白中
5、，还在其他小分子或离子通道蛋白中起关键作用。例如，KcsA钾离子通道蛋白的过滤管就是由这种 结构单元构成的(见图5 (b)。在水通道蛋白结构解出之后，这种结构单元特征引起了膜 蛋白结构生物学和蛋白质结构推算领域的学者们的极大兴趣。水通道蛋白的通道管部分长约 20A。参与构成通道管的是6个贯穿膜的长a螺旋中靠近四聚体中心的4个螺旋，以及上面 所提到的由两个对顶短a螺旋所延生出的两个松散链条(参见图5 (a)。通道管由4个贯穿 膜的长 a 螺旋参与构成的部分多为非极性氨基酸组成，而由两个松散链条参与构成的部分 多为极性氨基酸组成。如果从中间将之纵劈为两半，通道管可视为一半亲水，而另一半疏水。整体看
6、来，通道管不具有很好的亲水性。图2水通道蛋白的a螺旋结构构造。一个 A0P1分子是由6个贯穿膜两面的长a螺旋 构成基本骨架，其间还有两个嵌入但不贯 穿膜的短a螺旋几乎顶对顶地放置着。图 3 中蓝色斑点所示为水通道蛋白的 通道管部分。与原先的猜测有所不同， 通道管的限制口位置不在靠近两个 NPA 组单元的管道中点，而是位于其 上方大约8A处。狭口 Hisl82, Argl97, Phe58 和 Cysl9l 这 4 个氨基酸残基构 成。这 4 个氨基酸构成的狭口对于水通 道蛋白对水分子筛选机理至关重要。AQPl 水通道的通道管狭口处直径约为 2.8A，有少许“Z”型扭折，除此之外 的大部分管道的
7、宽度为4A左右，走向 与膜面基本垂直。用 于衍射分析的AQPl 蛋白的三维晶体可以给出比 2.2A 还低的衍射斑点，从解出的电子势密度图中可以清楚地看到陷嵌在通道管中的水分子。水分子在通道管中的 位置对于我们理解水通道的筛选机理有重要意义。通道管 中在图 4所示的4个绿色球珠的位置上有了水分子。这 4 个位置分别处于狭口附近内侧，通道中心两边分别靠近两 个短 a 螺旋顶部的 Asnl94 和 Asn78 的位置，以及通道管 下部与狭口相对应的His76附近。尽管这4个水分子呈直 线状排列，但由于水分子的相对取向和距离等因素限制， 它们之间不能形成连续的氢键链。对沿着通道管方向的氨 基酸的亲水性
8、分析表明，嵌镶在通道管中的水分子正好处 于亲水性较好的峰点附近。图3 AOP1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 8A 左右的地方，由 Hisl82 (Hl82)，Argl97(R197), Phe58 (F58) 和Cysl9l (Cl9l) 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条(参见图5 (a)三、水通道蛋白对水分子的筛选机理水分子可以通过AQP1水通道快速传输，而其
9、他小分子和离子则无法通过。这种选择性 过滤功能是通过控制AQP1的通道管空间尺寸及溶质结合位置而实现的。（1）通道管的空间尺寸限制了比水分子大的小分子的通过AQP1通道管上由His182, Arg197，Phe58和Cys191这4个氨基酸残基构成的狭口直径 约为2.8A。这恰好是一个水分子的大小，使得任何尺寸大于水分子的“小分子”如甘油等, 都无法通过通道。在这 4 个氨基酸残基处发生任何变化，对水通道的水分子选择性快速通过 将有重大影响。例如，对于与AQP1水通道蛋白相关的GipF甘油通道蛋白，其通道管狭口 是由与上面4个氨基酸残基相对应的Giy191, Arg2O6, Trp48和Phe
10、2OO构成（参见图4）。 这样的变化使得GipF的狭口尺寸比AQP1略大，亲水性也降低。这使得GipF成为一个甘 油分子通道蛋白。图4 AOP1水通道蛋白和GipF甘油通道 蛋白构成限制口的氨基酸残基比较。构成 AOP1水通道限制口的氨基酸残基（H182, R197，F58,和C191）由黑体字表示，构成 GipF甘油通道限制口的氨基酸残基（G191, R206, W48，和F200）由空心字表示。比 较两者的侧链可以看到，AOP1水通道 的限制口比GipF甘油通道小，而且亲水性 更好（2）通道管的溶质结合位置分布使水分子得以顺利通过 我们知道，任何可溶于水溶液中的溶质，包括水分子本身，都是极
11、性的。在水溶液中，溶质分子或离子都不是一个孤立的个体，而是引附着周围的水分子和其它极性分子或离子的 水合物。当一个水分子要通过直径是2.8A的水通道狭口时，它必须要剥除其周围与之水合 的水分子。而在狭口周围，极性的Hisl82, Argl97残基以及Cysl9l, Giyl9O,和Giyl92主 链上的羰基氧都为其提供了可形成氢键的替代组元。这使得这种去水合过程在能量上成为可 行。如图5所示，除了靠近狭口附近，在通道管中另外还分布了3个水分子结合位置。如前 所述，这个直径约为4A的通道管中是一个亲水性不好的环境。但是通道管中分布了可结合 水分子的亲水位点，这使得水分子通过整个通道管的能量壁垒大
12、大降低了，水分子可以顺利 通过整个通道管。前面已经指出，对通道管的亲水性的贡献主要来自由短a螺旋顶端延生 出的两条松散氨基酸链。（3）通道管有限度的亲水环境阻碍水溶液中离子的通过要理解AQP1水通道阻挡溶液中离子通过的机理，我们先来看一下KcsA钾离子通道蛋 白是如何传输钾离子的。KcsA钾离子通道蛋白的结构如图5 （b）所示。其最重要的筛选过 滤管是由4个短a螺旋结合松散链构成的结构单元构成。4个短a螺旋耦极的阴极全部指 向位于通道中心的空腔部分，使得钾离子得以以较高浓度在此聚集。 4条散链上拥有在整个 钾离子通道家族中都保守存在的 Giy-Tyr-Giy-Asp 氨基酸组单元，它们围绕着一
13、个4 次旋转 轴 构成一个狭窄的过滤管。这里是钾离子通道蛋白选择性过滤机制的关键所在。在这个长度只 有约12A的过滤管中，共有16个羰基氧原子以每4个一环自上而下堆垛搭排。这样提供的 管内环境使得钾离子得以剥离周边所有与之紧附的水合水分子，进入并通过过滤管。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2.8A的狭窄口。同其他离子一样，质子（在水溶液中为H30-而不是H+）也无法
14、以通常方式通过水通道。 如果排列成一条直线的水分子形成连续的氢键链，质子可以通过所谓“Grotthus效应”进行 快速传输。虽然我们在AQP1水通道管中观察到了 4个水分子，其中只有中间两个水分子距 离近到可以形成氢键。在水通道结构中顶对顶搁置的两个短a螺旋耦极的阳极指向管道中 心（参见图5 （a），这使得位于通道中的水分子在取向上不利于形成氢键链。由此，质子 通过“Grotthus效应”在水通道中连续传输在能量上是不可行的。图5短a螺旋结合松散链构成的结构单元在（a） AOP1水通道蛋白中和（b） KcsA钾离子通道蛋白的 中构造。这种结构单元的空间构造以及短a螺旋的耦极取向使通道蛋白具有不同的分子或离子筛选功
