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水通道及其分子生物学研究 摘要: 水通道是处于持续开放的膜通道蛋白, 是细胞膜上选择性高效转运水分子的特异孔道。本文通过叙述了水通道的发现、分子结构、生理功能、活性调节等方面，具体深入介绍了水通道及其分子生物学研究。 关键词: 水通道 AQP 分子结构 功能 生物体的主要组成部分是水溶液, 约占人体重量的70%。细胞摄取和排出水分是生命最基本的活动之一，水分子的跨膜转运有着非常重用的生理作用。当AQP1第一个水通道蛋白被发现，人们便开始了对水通道的深入研究。随后，各种水通道蛋白被相继发现。水通道普遍存在与动、植物及微生物中，主要分布于水分代谢活跃的器官中，主要介导自由水被动跨膜转运，对保持细胞内外环境的稳态平衡起重要作用，也参与完成一些机体重要的生理功能。 1 水通道的发现 长期以来，人们普遍认为细胞内外的水分子是以简单的跨膜扩散方式透过脂质双分子膜的。后来，发现红细胞及近端肾小管对渗透压改变引起的水的通透性很高,很难单纯以弥散来解释。因此，人们推测水的跨膜转运除了简单扩散外，还存在某种特殊的机制，并提出水通道的概念。 1988年，Agre 等在鉴定人类Rh 血型抗原时，偶然在红细胞膜上发现一种新的28KD 的疏水性跨膜蛋白，称之为形成通道的整合膜蛋白28（CHIP）。在1991 年完成其cDNA 克隆，但当时并不了解该蛋白的功能。在进行功能鉴定时，将体外转录合成的CHIP28 cDNA 注入非洲爪蟾的卵母细胞中，发现在低渗溶液中，卵母细胞迅速膨胀，并于5min 内破裂。为进一步确定其功能，又将其构建于蛋白磷脂体内，通过活化能及渗透系数的测定以及后来的抑制剂敏感性等研究，证实其为水通道蛋白。从此确定了细胞膜上存在转运水的特异性通道蛋白，并称CHIP28 为AQP1 。以后又陆续从哺乳动物组织中鉴定出9 种水通道蛋白(AQP2 ～AQP10 )，它们与先前克隆的晶体纤维中的主要内源性蛋白(major intrinsic protein ，MIP) 有20 %～40 %的氨基酸序列同源性，目前所发现的水通道均属MIP家族，后经证明MIP 亦有弱的水通道活性，被命名为AQP0 。最近几年，人们又发现了AQP11和AQP12两种水通道蛋白。这些相继发现的专一性运输水的通道蛋白被统称为水通道蛋白。 2 水通道蛋白的分子结构 目前，已从哺乳动物中鉴定出11 种水通道蛋白 ,即AQP0 (MIP) ,AQP1 ～AQP10 ,AQP 不同成员之间的基因序列具有一定的同源性,它们含有250～290 个氨基酸,不同AQP 之间主要差异位于N 端和C 端,1 个大的外显子(外显子1) 编码N 端分子,3 个小的外显子(外显子224) 编码C 端分子。水通道蛋白分子的基本结构是一个单肽链，有两个同向重复部分组成，前后两个部分在氨基酸序列上有同源性，包括两个高度保守的天冬氨酸—脯氨酸—丙氨酸（NPA）序列，整个分子形成含有六个跨膜域的疏水性内在蛋白。以下具体介绍下AQP1的分子结构： AQP1 在细胞膜中以四聚体形式存在。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α螺旋构成基本骨架,其中间有两个嵌入但不贯穿膜的短α螺旋几乎顶对顶地放置着。在两个短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天冬氨酸—脯氨酸—丙氨酸(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。 3 AQP1、AQP2、APQ3AQP1的分布和生理功能 AQP1 也称为原型水通道，它在身体的多种组织中有表达。AQP1 在胆管上皮质膜中有表达, 由此推测AQP1 存在于像胆管上皮细胞这样与分泌功能有关的位置。此外在未怀孕大鼠的脂肪垫中也有AQP1 的分布, 可能与乳汁的合成和分泌中有关。AQP1 在鼻粘膜下层的纤维原细胞中的分布也说明了AQP1 在液体分泌方面的作用。张良黄等的研究表明, AQP1 可能与睾丸输出小管非纤毛上皮细胞水的重吸收功能有密切关系。此外, AQP1 广泛分布于耳蜗的各个区域, 与调节耳内水平衡有关。AQP1 在关节软骨组织中也有表达, 与水、小分子溶质和代谢物通过软骨细胞的浆膜有关。AQP1 高水平的表达在前列腺、乳腺、卵巢以及肺部肿瘤中, 可能在水肿的形成和消除中有重要作用。 3．2 AQP2的分布和生理功能 AQP2 在肾中大量分布，在调节肾脏水平衡中起重要作用，后天肾原性尿崩症鼠中AQP2 的低水平表达也证明了这点。有证据表明， 在心力衰竭伴低钠血症时除AQP2 蛋白增加外，肾脏存在的另外两种主要AQPs 家族成员AQP1 和AQP3 蛋白并没有明显的增加，说明AQP2