细胞膜水通道.ppt

结构生物学 课程报告 细胞膜水通道 周桂梅0813005332016 04 04 水通道 研究背景 研究者介绍 彼得 阿格雷1949年生于美国明尼苏达州小城诺斯菲尔德 1974年在巴尔的摩约翰斯 霍普金斯大学医学院获医学博士 后为该学院生物化学教授和医学教授 2004年来到杜克大学 担任医学院副院长 早在100多年前 人们就猜测细胞中存在特殊的输送水分子的通道 但直到1988年 阿格雷才成功分离出了一种膜蛋白质 之后他意识到它就是科学家孜孜以求的水通道 阿格雷于2003年被授予诺贝尔化学奖 诺贝尔奖评选委员会说 这是个重大发现 开启了细菌 植物和哺乳动物水通道的生物化学 生理学和遗传学研究之门 水通道 研究背景 研究者介绍 二十世纪八十年代中期 美国科学家彼得阿格雷研究了不同的细胞膜蛋白 经过反复研究他发现一种被称为水通道蛋白的细胞膜蛋白 就是人们寻找已久的水通道 为了验证自己的发现 阿格雷把含有水通道蛋白的细胞和去除了这种蛋白的细胞进行了对比试验 结果前者能够吸水 后者不能 为进一步验证 他又制造了两种人造细胞膜 一种含有水通道蛋白 一种则不含这种蛋白 他将这两种人造细胞膜分别做成泡状物 然后放在水中 结果的一种泡状物吸收了很多水而膨胀 第二种则没有变化 这些充分说明水通道蛋白具有吸收水分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清晰度立体照片 照片揭示了这种蛋白的特殊结构只能允许水分子通过 1991年阿格雷发现第一个水通道蛋白chip28 28KD chip28的mRNA能引起非洲爪蟾卵母细胞吸水破裂 已知这种吸水膨胀现象会被Hg2 抑制 水通道 研究背景 水通道介绍 包括人类在内的各种生物都是由细胞组成的 细胞如同一个由 城墙 围起来的微小 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 人们就猜测细胞这一微小城镇的成墙中存在着很多 城门 他们只允许特定的分子或离子出入 生物体的主要组成部分是水溶液 水溶液占人体重量的70 生物体内的水溶液主要由水分子和各种离子组成 他们在细胞膜通道中的进进出出 可以实现细胞的很多功能 二十世纪五十年代中期 科学家发现细胞膜中存在着某种通道只允许水分子出入 人们称之为水通道 因为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 水通道发现开辟了一个新的研究领域 目前科学家发现水通道蛋白广泛存在于动物 植物和微生物中 它的种类很多 仅人体内就有十一种 它具有十分重要的作用 比如在人的肾脏中就起着关键的过滤作用 通常一个成年人每天要产生170升的原尿 这些原尿经肾脏肾小球中的水通道蛋白的过滤 其中大部分是被人体循环利用 最终只有约一升的尿液排出人体 目前在人类细胞中已发现至少11种此类蛋白被命名为水通道蛋白 aquaporin 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以四聚体的形式存在于细胞膜中 每个亚基都能形成功能上独立的孔道 序列分析表明 它是一个6次跨膜的蛋白 N 端和C 端序列相似 各具有一个保守的特征性序列Asn Pro Ala NPA 3 图1 AQP1具有4个半胱氨酸 但突变研究表明 仅仅一个 Cys 189 对汞离子敏感 这个半胱氨酸靠近NPA序列 位于水通道的孔道内 水通道 结构描述 从AQP1的多肽中发现了四个半胱氨酸 87 192 152和189位 每个半胱氨酸被取代为丝氨酸 比较卵母细胞的重组体中突变型和野生型AQP1对水的通透性 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氨酸取代了丙氨酸 这个蛋白显示出了汞敏感的水通透性而在APQ1其他位置的置换未能导致这种现象的发生 这提示这一分子B环和E环的相应部分一定形成了沙漏样的水孔通道 六个跨膜螺旋表明他们围绕形成一个中心区域 包括B环从细胞质表面进入细胞膜 E环从细胞外进入细胞膜 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择通透十分重要 水通道 结构描述 CHIP两端序列相互关联 B环 细胞内76 78位 和E环 细胞内192 194位 均有一个NPA模序 asparagine protein alanine E环的NPA靠近汞抑制点189位的半胱氨酸 B环和E环的重叠部分显示出他们形成一个单一的水的孔道向下穿过分子的中心 NPA的主要成分并列在一起成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 并用酶切分析揭示了它的拓扑学结构 据此提出 砂漏模型 hourglassmodel 这个模型认为 两个分别位于N 端和C 端包含NPA序列的螺旋从膜内外两侧朝膜中央伸展而重叠 并形成一个被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 每个水通道蛋白亚基具有一个砂漏状的孔道 长度为20 整个孔道侧壁主要由疏水性氨基酸围成 但也提供了4个亲水的位点 利于水分子结合 以降低水分子穿过孔道时的能量障碍 这两种因素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 直径最为狭窄 此处可以通过大小限制 sizerestriction 和静电排斥作用 electrostaticrepulsion 来选择水分子 最窄处主要由精氨酸 Arg 195 和组氨酸 His 180 的侧链围成 直径2 8 与水分子的范德华半径相似 可以滤掉比水分子半径大的分子 由于精氨酸 Arg 195 和组氨酸 His 180 在生理条件下都带有正电荷 可以排斥阳离子 紧密结合阴离子 使它们无法穿过水通道 1 AQP1水孔的直径2 静电排斥 水通道 作用机制 在水通道里 最引人注目的是NPA的特征性序列 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 使得NPA上的天冬酰氨带上部分正电荷 目前认为穿过水通道的水分子在此处与两个天冬酰氨形成临时氢键 从而发生极性翻转 waterdipolereorientation 水分子进入孔道的胞外侧时氧原子朝下 在到达胞质侧时氧原子变成朝上 图2 其结果是打破水分子之间形成的连续氢键 阻断质子运输 3 NPA的特征性序列 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 哺乳动物水通道中AQP一2 AQP4 6 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 在呼吸道和肺的水代谢方面 肺泡液体转运 水跨上皮转运 参与肺水清除2 在消化道的水代谢方面 AQP4参与结肠液体的吸收 AQP1缺乏使近曲小管渗透性水通透性降低 近曲小管等渗液体重吸收降低3 泌尿系统 血管升压素介导的AQP2分子转位模型是肾脏调节水通透功能的短期调节方式4 神经系统 在种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 水通道表达及活性的调节 目前研究表明调节水通道的因素包括激素 神经递质及细胞因子 1 水通透性的迅速调节涉及到细胞内富含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上调 表皮生长因子 Keratinocytegrowthfactor KGF 肿瘤坏死因子 使水通道基因表达下调 3 促胰液素能使AQP1从胆管细胞内到顶质膜 乙酰胆碱通过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 高渗溶液使培养MDCK细胞AQP3mRNA和蛋白表达增加 pH和Ca离子调节AQP0的水渗透性 水通道 研究意义 水通道异常与临床疾病 在临床疾病中水通道的病理变化 正在逐渐被认识 这将促进我们对某些与水代谢有关的临床疾病的发病机制的了解 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 Nephor genicdiabetesinsipidus NDI 或是有V2受体的异常或是有AQP穿梭异常 相反 在怀孕 充血性心力衰竭时 AQP2表达增加 AQP5缺乏引起气道高反应 2 腺病毒感染引起AQP1和AQP5低表达 提示AQP1和AQP5可能参与肺内炎症时液体转运异常 3 假性肌肥大病人骨骼肌细胞AQP4表达减少 在临床疾病中水通道的病理变化正在逐渐被认识 这将促进我们对某些与水代谢有关的临床疾病的发病机制的了解 水通道 参考文献 郭昊 李学军 细胞膜上的水通道 2