背景材料
通道蛋白是一类横跨细胞膜磷脂双分子层的蛋白质，能使适宜大小的分子及带电荷的分子通过简单的扩散运动。
通道蛋白分为水通道蛋白和离子通道蛋白，它们参与的只是被动运输，在运输过程中并不与被运输的分子结合，也不会移动。
100多年前，人们就猜测细胞存在着很多“城门”，它们只允许特定的分子或离子出入。
20世纪50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，称之为水通道。
20世纪80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。2000年，彼德?阿格雷与其他研究人员一起公布了世界第一张分辨率为0.38纳米的高清晰度的立体结构图，详细解释了水分子是如何通过该通道进入细胞膜的（如上图），而其他分子或离子无法通过的原因。
科学家发现水通道广泛存在于动物、植物和微生物中。到目前为止，在哺乳动物至少发现有13种水通道蛋白，即aqp 0～12。
离子通道是由蛋白质复合物构成的。一种离子通道只允许一种离子通过，并且只有在特定刺激发生时才瞬间开放。
1988年，罗德里克?麦金农利用x射线晶体成像技术获得了世界第一张离子通道（取自青霉）的高清晰度照片，并第一次从原子层次揭示了离子通道的工作原理。麦金农的方法是革命性的，它可以让科学家观测离子在进入离子通道前的状态，在通道中的状态，以及穿过通道后的状态。
很多疾病是由于细胞膜通道功能紊乱造成的。哮喘发作时，水分子运动在气道阻塞中起重要作用，特别在冷哮喘或运动哮喘时，上皮黏膜下血管（含aqp1）、气管及支气管（含aqp3和aqp4）的肿胀是形成气道阻塞的重要原因。脑中风病人神经细胞膜上的谷氨酸nmda型受体会被过度活化，钠离子通道、钙离子通道大量进入神经细胞，膜电压发生变化并以正反馈的方式引发更多钙离子的进入，结果使得神经细胞大量死亡。
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1.生物膜的基本特点之一是能够维持相应环境内的物质浓度，这对于完成不同的生命活动具有重要作用，这种维持依赖于生物膜的运输。根据是否需要能量，将物质的跨膜运输分为两大类，即被动运输和主动运输。请回答：
（1）被动运输包括三种类型，除外，另外两类都需要膜蛋白的协助：通道蛋白和载体蛋白，其中，可在膜两侧进行移动运输的是。
（2）离子载体是一些能够极大提高对某些离子通透性的物质，目前发现的大多数离子载体是细菌产生的抗生素，它们能够杀死某些微生物。其中短杆菌肽a是一种十五肽的离子载体，它能有选择地将单价阳离子顺浓度通过膜，如h+、nh4+、k+、na+等，最终使膜内外部分单价阳离子浓度趋于平衡。据此推测这类抗生素的杀菌机理是。
（3）人工合成的仅由磷脂双分子层构成的封闭球状结构称为脂质体，所有带电荷的分子不管它多小，都很难通过脂质体，即使脂质体外离子浓度很高。这是因为磷脂双分子层的（内部、外部）是疏水的。缬氨霉素是一种十二肽的抗生素，若将它插入到脂质体的脂双层内，可使k+的运输速度提高100，000倍，但却不能有效提高na+的运输速率，由此可以得出：①；②。
（4）主动运输所需的载体蛋白实际上是一些酶蛋白复合体。与被动运输不同，该类膜蛋白都能水解，但与普通的酶不同的是，它不对所转运的分子进行催化。
2.离子通道的开放和关闭，称为门控。根据门控机制的不同，大体分为电压门通道、配体门通道和压力激活通道（如图1）。电压门通道由膜电位控制门的开关；配体门通道的开关取决于细胞内外特定的物质（配体）与相应的通道蛋白（受体）结合，从而影响离子进出细胞；压力激活通道的开关取决于机械力的作用。图2是神经肌肉接头处传递神经冲动、刺激肌肉收缩过程中相关离子通道先后开放和关闭的示意图（各门通道开放顺序以数字标注）。
通道蛋白和载体蛋白的区别 1 载体蛋白 载体蛋白是几乎所有类型的生物膜上普遍存在的多次跨膜蛋白分子。每种载体蛋白能与特定的溶质分子结合，通过一系列构象的改变介导溶质分子跨膜转运，相关模型见下图： 该图中膜上的载体蛋白以两种构象状态存在：状态A时溶质结合位点在膜外侧暴露；状态B时，同样的溶质结合位点在膜内侧暴露。该模型认为，两种构象状态的改变是随机发生的。假如溶质浓度在膜的外侧高，则状态A→状态B的转变比状态B→状态A的转变更常发生，因此溶质顺浓度梯度进入细胞。换句话说，物质究竟向哪个方向运输，取决于该物质在膜两侧的浓度差。除了被动运输，载体蛋白还介导逆浓度梯度的主动运输。由于运输过程向着被运输物质的自由能增加的方向进行，所以该过程不能自发进行，需要提供能量才能完成。一些离子（如Na+、K+等）在细胞内外存在着显著的差异，并且细胞能够维持这种恒定的离子梯度差，正是相关载体蛋白（如Na+，K+—ATP酶等）介导的主动运输的结果。 载体蛋白相当于结合在细胞膜上的酶，有特异性结合位点，可与底物（溶质）发生暂时的、可逆性的结合和分离，且一种特异性载体只转运一种类型的分子或离子；转运过程类似于酶与底物作用的饱和动力学曲线；既可以被底物类似物竞争性抑制，又可以被痕量的某种成分（抑制剂）非竞争性抑制以及对PH的依赖性等，因此有人将载体蛋白称为通透酶（permease）。与酶不同的是载体蛋白可以改变过程的平衡点，加快物质沿着自由能减少的方向跨膜运输的速率；此外与酶的不同是载体蛋白对转运的溶质不做任何共价修饰[1]。 2 通道蛋白 通道蛋白是一类跨越细胞膜双分子层的蛋白质,它所介导的被动运输不需要溶质分子 与其结合，而是横跨膜形成亲水通道，允许大小适宜的分子和带电离子通过。通道蛋白可以是单体蛋白，也可以是多亚基组成的蛋白，他们都是通过疏水的氨基酸链进行重排，形成水性通道。某些通道蛋白在革兰氏阴性细菌的外膜、线粒体或叶绿体的外膜上形非选择性的通道。绝大多数的通道蛋白形成有选择性开关的多次跨膜通道。这些通道可分为两大类：离子通道和水通道。
水通道蛋白 水通道蛋白是介导水跨膜转运的一大 膜蛋白家族，分布于高等脊椎动物上皮细胞或内皮细胞。结构上由28-KDa 亚单位组成 四聚体，每个亚单位构成孔径约的水孔通道，在渗透压驱动下实现水双向跨膜转运【1】。目前11 种亚型已经在哺乳动物中被确定， 各种亚型的体内分布具有组织特异性，其中水通道蛋白-4 (Aquaporin 4,AQP4)以极化 形式集中分布于中枢神经系统脑毛细血管 周边的星形胶质细胞足突或室管膜细胞【2】。血脑屏障为脑内另一调控水平衡的复合体，由无窗孔的脑毛细血管内皮细胞及细胞间 紧密连接、基底膜、星形胶质细胞等组成，介于血液和中枢神经系统之间，限制血液中某些离子、大分子物质转移到脑实质，此屏障作用为维持CNS 内环境稳定、保障脑功能正常行使提供了重要保障。BBB 分化发育过程中脑毛细血管内皮细胞间紧密连接的形 成虽被认为是其成熟的标志，但BBB 生理功
能的实现有赖于各组成成分间的相互作用。近来对星形胶质细胞调控BBB 物质交换和 脑内水平衡方面的作用日益受到重视，并认为与AQP4 表达有关。 本文就AQP4 与血脑屏障发育及其完整性关系的研究进展作一综述。 分化发育过程中AQP4 的表达 目前由于对鸡胚视顶盖中血管及BBB 分化的研究已较完善，因此常被用于BBB 的研究模型。Nico 及其同事【3】采用免疫细胞化学、分子生物学技术研究了鸡胚视顶盖AQP4 在BBB 分化发育过程的动态表达。免疫电镜显示鸡胚视顶盖发育第9 d，BBB仅由不规则的内皮细胞组成，内皮细胞间紧密连接尚未形成，AQP4 未见表达。待发育至第14 d，Western blot 技术首次在约30 kDa 链附近检测出AQP4 的免疫活性，电镜下显示短的内皮细胞间紧密连接已形成，并串联构成BBB 的微血管，星形胶质细胞间断黏附于血管壁，AQP4 不连续地表达于血管周边，血管周围仍然存在小空隙。发育第20 d BBB 成熟，内皮细胞间紧密连接形成，BBB 微血管
载体蛋白与通道蛋白的区别 2003年诺贝尔化学奖授予了美国科学家阿格雷与麦金农,她们因研究离子通道而获奖;不仅如此,人教版必修三《稳态与环境》在18页讲述静息电位与动作电位的离子基础时也提到:静息时,由于膜主要对K+有通透性,造成K+外流,这就是静息电位产生与维持的主要原因;受到刺激时,细胞膜对Na+的通透性增加,Na+内流,使兴奋部位膜 内侧阳离子浓度高于外侧,表现为内正外负。上面讲的K+外流与Na+内流其实都就是通过膜上的离子通道完成的。同样就是必修一教材,在“物质跨膜运输的方式”一节中,提到协助扩散与主动运输都要依赖膜上的载体蛋白来完成。通道蛋白与载体蛋白都与相关物质的跨膜运输有关,那么两者到底有什么区别呢？要回答这个问题,我们先从膜转 运蛋白谈起。 在细胞膜上广泛存在着膜转运蛋白(membrane transport proteins),负责无机离子与水溶性小分子的跨膜运输。膜转运蛋白分为两类:一类称为载体蛋白(carrier proteis),它既可以介导被动运输,又可以介导逆浓度或者电化学梯度的的主动运输;另一类为通道蛋白(channel proteins),只能介导顺浓度或化学梯度的被动运输(协助扩散)。 1 载体蛋白 载体蛋白就是几乎所有类型的生物膜上普遍存在的多次跨膜蛋白分子。每种载体蛋白能与特定的溶质分子结合, 通过一系列构象的改变介导溶质分子跨膜转运,相关模型见下图: 图1 示载体蛋白通过构想改变介导溶质(葡萄糖)被动运输的假想模 该图中膜上的载体蛋白以两种构象状态存在:状态A时溶质结合位点在膜外侧暴露;状态B时,同样的溶质结合位点在膜内侧暴露。该模型认为,两种构象状态的改变就是随机发生的。假如溶质浓度在膜的外侧高,则状态A→状态B的转变比状态B→状态A的转变更常发生,因此溶质顺浓度梯度进入细胞。换句话说,物质究竟向哪个方向运输,取决于该物质在膜两侧的浓度差。除了被动运输,载体蛋白还介导逆浓度梯度的主动运输。由于运输过程向着被运输物质的自由能增加的方向进行,所以该过程不能自发进行,需要提供能量才能完成。一些离子(如Na+、K+等)在细胞内外存在着显著的差异,并且细胞能够维持这种恒定的离子梯度差,正就是相关载体蛋白(如Na+,K+—ATP酶等)介导的主动运输的结果。 载体蛋白相当于结合在细胞膜上的酶,有特异性结合位点,可与底物(溶质)发生暂时的、可逆性的结合与分离,且一种特异性载体只转运一种类型的分子或离子;转运过程类似于酶与底物作用的饱与动力学曲线;既可以被底物 类似物竞争性抑制,又可以被痕量的某种成分(抑制剂)非竞争性抑制以及对PH的依赖性等,因此有人将载体蛋白称为通透酶(permease)。与酶不同的就是载体蛋白可以改变过程的平衡点,加快物质沿着自由能减少的方向跨膜运输的速率;此外与酶的不同就是载体蛋白对转运的溶质不做任何共价修饰[1]。
水通道蛋白的发现及对人体的作用 刘彦成 （渭南师范学院环境与生命科学系陕西渭南 714000）摘要：水通道蛋白(aquaporin，AQP) 是一种对水专一的通道蛋白。具有介导水的跨膜转运和调节体内水代谢平衡的功能。水通道蛋白调节失控与水平衡紊乱等一系列疾病密切相关。 关键词：细胞膜；水通道蛋白（AQP）；跨膜转运；疾病；调节 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 adjusts 1 水通道蛋白的发现 1.1 细胞膜的运输方式 细胞是构成生物的基本单位，细胞与细胞之间则是通过细胞膜来沟通和实现基本的生命活动。细胞膜的主要成分为磷脂和蛋白质，其结构为磷脂双分子层，磷脂双分子层上有糖蛋白，糖蛋白所在一侧为细胞外侧。物质跨膜运输可分为自 图1 细胞膜的立体结构 由扩散（不需能量、载体），协助扩散（不需要能量、需载体），主动运输（要能量、需载体）三种。还有一些大分子物质是通过胞吞、胞吐方式通过细胞膜，它们需要能量、不要载体。另外还有一种很主要的方式就是通道蛋白。 1.2 生物膜水通道的发现【1】 长期以来对于水的运输方式研究者普遍认为主要有两种：即简单的扩散方式和借助离子通道通过磷脂双分子层。 近些年研究者发现某些细胞在低渗溶液中对水的通透性很高, 很难用简单扩散来解释。如将红细胞移入低渗溶液后，很快吸水膨胀而溶血，而水生动物的
水通道蛋白的基本结构与特异性通透机理 王晶桑建利 （北京师范大学生命科学学院北京 100875） 摘要水通道蛋白是一个具有跨膜运输水分子功能的蛋白家族。从1988 年Agre 等发现水通道蛋白起，目前在不同物种中已经发现了200 余种水通道蛋白，其中存在哺乳动物体内的有13 种。概述了水通道蛋白的结构、组织特异性分布及特异性通透机理。 关键词水通道蛋白水分跨膜转运 水分子的跨膜转运对维持不同区域的液体平衡和内环境稳态非常重要。水分子作为一种不带电荷且半径极小的极性分子，很早被证实能通过自由扩散穿透脂质双分子层。在发现水通道蛋白以前，人们一直认为这是水分子透过质膜的唯一方式。但通过实验发现，红细胞和肾小管细胞中水的通透速率之快远非简单扩散强度所能提供的，因此猜测，质膜上可能存在某种通道介导水的转运。 1 水通道蛋白的发现 1988年，Agre 等从人类红细胞膜上纯化分离分子量为32×106的Rh 多肽时，偶然鉴定到一种新的分子量为28×106的整合膜蛋白，并且通过免疫印迹发现这类蛋白也存在于肾脏的近端肾小管中［1］，把它称为类通道整合膜蛋白（channel-like integralmembrane protein, CHIP28）。随后，在1991 年Agre 和Preston 成功克隆得到了CHIP28 的cDNA，通过分析其编码的氨基酸序列，发现CHIP28 含有6个跨膜区域、2个N-糖基化位点、且N 端和C 端都位于膜的胞质一侧。另外，对比CHIP28 与早期从牛晶体纤维中克隆得到的主要内源性蛋白（major intrinsicprotein,MIP）的DNA 序列，发现二者具有高度同源性。由于很早以前就证实了MIP 家族的成员蛋白参与形成允许水和其他小分子通透的膜通道，因此，推测CHIP28 可能也具有类似功能［2］。1992 年，Preston 等通过在非洲爪蟾的卵母细胞中表达CHIP28，首次证实它是一种水通道蛋白。非洲爪蟾的卵母细胞对水具有极低的渗透性，当向其中显微注射体外转录的CHIP28 的RNA后，卵母细胞在低渗溶液中迅速膨胀，并于5 min内破裂。这一现象表明注射CHIP28 的RNA 后卵母细胞膜的水通透性有了明显提高。为了进一步确定CHIP28 的功能，将提纯的CHIP28 构建在蛋白磷脂体中，构建后的蛋白磷脂体对水的通透性增长了50 倍，但对尿素却不具备通透性［3］。这些结果最终证实了CHIP28 为水通道蛋白，后来它被命名为水通道蛋白-1（aquaporin-1，AQP1）。水通道蛋白的发现，开辟了一个崭新的领域。随着更多亚型的发现，水通道蛋白相关研究成为了膜转运方向的研究热点，Agre 也因其对水通道蛋白做出的突出贡献而获得2003 年诺贝尔化学奖。 2 水通道蛋白的分子结构 水通道蛋白分布广泛，目前已在哺乳动物、两栖类、植物、酵母、细菌以及各种各样的有机体中发现水通道蛋白的存在。水通道蛋白是一类高度保守的疏水小分子膜整合蛋白，各种亚型之间蛋白序列及三维结构非常相似。哺乳动物水通道蛋白的分子大小在26×106～34×106之间，氨基酸序列同源性为19%~52%［4］。因水通道蛋白的三维结构相似，一般以AQP1的结构作为代表。AQP1 是一条由269 个氨基酸残基构成的单肽链，对比AQP1 分子前后半段的氨基酸序列，发现2 段序列具有相关性，推测AQP1在进化上可能是通过基因复制而来。单肽链
载体蛋白和通道蛋白的区别 2003年诺贝尔化学奖授予了美国科学家阿格雷和麦金农，他们因研究离子通道而获奖；不仅如此，人教版必修三《稳态与环境》在18页讲述静息电位和动作电位的离子基础时也提到：静息时，由于膜主要对K+有通透性，造成K+外流，这是静息电位产生和维持的主要原因；受到刺激时，细胞膜对Na+的通透性增加，Na+内流，使兴奋部位膜内侧阳离子浓度高于外侧，表现为内正外负。上面讲的K+外流与Na+内流其实都是通过膜上的离子通道完成的。同样是必修一教材，在“物质跨膜运输的方式”一节中，提到协助扩散和主动运输都要依赖膜上的载体蛋白来完成。通道蛋白和载体蛋白都与相关物质的跨膜运输有关，那么两者到底有什么区别呢？要回答这个问题，我们先从膜转运蛋白谈起。 在细胞膜上广泛存在着膜转运蛋白（membrane transport proteins），负责无机离子和水溶性小分子的跨膜运输。膜转运蛋白分为两类：一类称为载体蛋白（carrier proteis），它既可以介导被动运输，又可以介导逆浓度或者电化学梯度的的主动运输；另一类为通道蛋白（channel proteins），只能介导顺浓度或化学梯度的被动运输（协助扩散）。 1 载体蛋白 载体蛋白是几乎所有类型的生物膜上普遍存在的多次跨膜蛋白分子。每种载体蛋白能与特定的溶质分子结合，通过一系列构象的改变介导溶质分子跨膜转运，相关模型见下图： 图1 示载体蛋白通过构想改变介导溶质（葡萄糖）被动运输的假想模 该图中膜上的载体蛋白以两种构象状态存在：状态A时溶质结合位点在膜外侧暴露；状态B时，同样的溶质结合位点在膜内侧暴露。该模型认为，两种构象状态的改变是随机发生的。假如溶质浓度在膜的外侧高，则状态A→状态B的转变比状态B→状态A的转变更常发生，因此溶质顺浓度梯度进入细胞。换句话说，物质究竟向哪个方向运输，取决于该物质在膜两侧的浓度差。除了被动运输，载体蛋白还介导逆浓度梯度的主动运输。由于运输过程向着被运输物质的自由能增加的方向进行，所以该过程不能自发进行，需要提供能量才能完成。一些离子（如Na+、K+等）在细胞内外存在着显著的差异，并且细胞能够维持这种恒定的离子梯度差，正是相关载体蛋白（如Na+，K+—ATP酶等）介导的主动运输的结果。 载体蛋白相当于结合在细胞膜上的酶，有特异性结合位点，可与底物（溶质）发生暂时的、可逆性的结合和分离，且一种特异性载体只转运一种类型的分子或离子；转运过程类似于酶与底物作用的饱和动力学曲线；既可以被底物类似物竞争性抑制，又可以被痕量的某种成分（抑制剂）非竞争性抑制以及对PH的依赖性等，因此有人
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。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（aguaporin ，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，细胞才可以快速调节自身体积和内部渗透压。由此可见，水通道蛋白对于生命活动至关重要。 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 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ɑ螺旋构成基本骨架，其中间有两个嵌入但不贯穿膜的短ɑ螺旋几乎顶对顶地放置着（图2）。在两个短ɑ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ɑ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，还在其图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。
水通道蛋白 水通道蛋白（Aquaporin），又名水孔蛋白，是一种位于细胞膜上的蛋白质（内在膜蛋白），在细胞膜上组成“孔道”，可控制水在细胞的进出，就像是“细胞的水泵”一样。 水通道是由约翰霍普金斯大学医学院的美国科学家彼得·阿格雷所发现，他与通过X射线晶体学技术确认钾离子通道结构的洛克斐勒大学霍华休斯医学研究中心的罗德里克·麦金农共同荣获了2003年诺贝尔化学奖。 水分子经过Aquaporin时会形成单一纵列，进入弯曲狭窄的通道内，内部的偶极力与极性会帮助水分子旋转，以适当角度穿越狭窄的通道，因此Aquaporin的蛋白构形为仅能使水分子通过之原因 水通道蛋白的发现 编辑 Agre等(1988)在分离纯化红细胞膜上的Rh多肽时，发现了一个28 kD的疏水性跨膜蛋白，称为形成通道的整合膜蛋白28(channel-forming inte—gral membrane protein，CHIP28)，1991年完成了其cDNA克隆(Verkman，2003)。但当时并不知道该蛋白的功能，在进行功能鉴定时，将体外转录合成的CHIP28 mDNA 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5 min 内破裂。为进一步确定其功能，又将其构于蛋白磷脂体内，通过活化能及渗透系数的测定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Aquaporinl(AQPl)。 水通道蛋白分类 编辑 AQP0 AQP0最初称之为主体内在蛋白(major intrinsic protein，MIP)，在晶状体纤维中细胞中表达丰富，与晶状体的透明度有关．AQpo的突变可能导致晶状体水肿和白内障。小鼠缺乏AQPO将患先天性白内障[61]。 AQP1 AQP1是1988年发现的,开始将这种蛋白称为通道形成整合蛋白(CHIP),是人的红细胞膜的一 种主要蛋白。它可以使红细胞快速膨胀和收缩以适应细胞间渗透性的变化。AQP1蛋白也存在于
水通道蛋白水通道- 从原子结构到临床医学 生物膜的透水性在生理学上是一个长期存在的问题，但负责此类蛋白质的蛋白质仍然未知，直到发现水通道蛋白1（AQP1）水通道蛋白。AQP1由渗透梯度驱动的水选择性渗透。人类AQP1的原子结构最近被定义。四聚体的每个亚基含有允许水分子单文件通过但中断氢键通过质子所需的单独水孔。已经鉴定了至少10种哺乳动物水通道蛋白，并且它们被水（水通道蛋白）或水加甘油（水甘油聚糖）选择性渗透。表达位点与临床表型密切相关，从先天性白内障到肾源性尿崩症。在植物，微生物，无脊椎动物和脊椎动物中发现超过200个水通道蛋白家族成员，并且它们对这些生物体的生理学的重要性正在被揭开。 在20世纪20年代发现脂质双层提供了当沐浴在较低或较高pH或含有毒性浓度的Ca2 +或其他溶质的细胞外液中时细胞如何维持其最佳细胞内环境的解释。从1950年代开始发现离子通道，交换剂和共转运体为溶质的跨膜运动提供了分子解释。然而，长期以来，假定水的输送是由于通过脂质双层的简单扩散。来自具有高膜渗透性的多个实验系统的观察，例如两栖膀胱和哺乳动物红细胞，表明通过脂质双层的扩散不是水跨越膜的唯一途径。虽然提出了各种解释，但直到10年前发现AQP1才能知道分子水- 特异性转运蛋白（Preston等，1999）。
现在人们普遍同意扩散和通道介导的水分运动都存在。通过所有生物膜以相对较低的速度发生扩散。水通道蛋白水通道发现于上皮细胞的一部分10至100倍的水渗透能力。值得注意的是，水通道蛋白水通道的选择性非常高，甚至质子（H3O +）被排斥。在大多数组织中，扩散是双向的，因为水进入细胞并从细胞释放，而水通道蛋白介导的体内水流则由渗透或液压梯度引导。扩散的化学抑制剂是未知的，扩散发生在高Ea（Arrhenius活化能）。相比之下，大多数哺乳动物水通道蛋白受汞的抑制，Ea等同于大量溶液中水的扩散（?5 kcal mol_1）。 水通道蛋白的发现说明了偶发性在生物学研究中的重要性，并且引起了上游流体运输过程中水如何穿过生物膜的范式的完全转变。这个话题对正常生理学以及影响人类的多种临床疾病的病理生理学非常重要。水通道蛋白在几乎每一种生物体中被鉴定出来，包括高等哺乳动物，其他脊椎动物，无脊椎动物，植物，真细菌，原细菌和其他微生物，表明这种新认可的蛋白质家族参与了整个自然界的不同生物过程。 一、发现AQP1 红细胞Rh血型抗原不知道参与水运（Heitman＆Agre，2000），但是Rh的研究导致了水通道蛋白的偶然发现。用于纯化Rh多肽的生物化学技术产生污染的28kDa多肽（Agre等，1987）。基于洗涤剂中的28kDa蛋白质的相对不溶性，N-月桂酰肌氨酸，开发了产生大量蛋白质的简单纯化系统。红细胞和肾近端小管- 具有最高已知水渗透性
人类对水通道蛋白的研究 自然界很多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。早年前，人们就猜测细胞这一微小城镇的城墙中存在着很多“城门”，它们只允许特定的分子或离子出入。而很久以前人们就知道人体重量的70%是水，水是构成生物体最重要的物质之一。水是构成人体的重要物质，那么水是如何进入细胞的呢一直以来，人们都以为水分子进入细胞膜是靠自由扩散，但后来研究中发现细胞膜的主要成分是蛋白质和磷脂，其中磷脂双分子层构成细胞的结构骨架，而水是很难通过脂溶性物质的，那么水是很难进入细胞的，而细胞中含有大量水分那么那么水分子是如何进入细胞的呢 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。2０世纪５０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。尽管科学家发现存在水通道，但水通道到底是什么却一直是个谜。 ２０世纪８０年代中期，美国翰霍普金斯大学医学院的科学家彼得·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，结果第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度立体照片。照片揭示了这种蛋白的特殊结构只允许水分子通过。水通道的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１１种。它具有十分重要的功能，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，其中大部分水分被人体循环利用，最终只有约１升的尿液排出人体。。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。 水通道蛋白的发现 1988年，Agre等从人类红细胞膜上纯化分离分子量为32x10 的Rh多肽时，偶然鉴定到一种新的分子量为28x10 的整合膜蛋白，并且通过免疫印迹发现这类蛋白也存在于肾脏的近端肾小管中?，把它称为类通道整合膜蛋白(channel—like integralmembrane protein，CHIP28)。随后，在1991年Agre和Preston成功克隆得到了CHIP28的eDNA．通过分析其编码的氨基酸序列，发现CHIP28含有6个跨膜区域、2个N一糖基化位点、且N端和C端都位于膜的胞质一侧。另外，对比CHIP28与早期从牛晶体纤维中克隆得到的主要内源性蛋白(major in—trinsie protein，NIP)的DNA序列，发现二者具有高度同源性。由于很早以前就证实了MIP 家族的成员蛋白参与形成允许水和其他小分子通透的膜通道，因此，推测CHIP28可能也具有类似功能‘。1992年，Preston等通过在非洲爪蟾的卵母细胞中表达CHIP28，首次证实它是一种水通道蛋白。非洲爪蟾的卵母细胞对水具有极低的渗透性，当向其中显微注射体外转录的CHIP28的RNA后，卵母细胞在低渗溶液中迅速膨胀，并于5 min内破裂这一现象表明注射CHIP28的RNA后卯母细胞膜的水通透性有了明显提高。为了进一步通讯作者确定CHIP28的功能．将提纯的CHIP28构建在蛋白磷脂体中，构建后的蛋白磷脂体对水的通透性增长了50倍．但对尿素却不具备通透性[ 。这些结果最终证实了CHIP28为水通道蛋白，后来它被命名
水通道蛋白概述 水通道蛋白（Aquaporin），又名水孔蛋白，是一种位于细胞膜上的蛋白质（内在膜蛋白），在细胞膜上组成“孔道”，可控制水在细胞的进出，就像是“细胞的帮浦”一样。水通道是由约翰霍普金斯大学医学院的美国科学家彼得·阿格雷所发现，他与通过X射线晶体学技术确认钾离子通道结构的洛克斐勒大学霍华休斯医学研究中心的罗德里克·麦金农共同荣获了2003年诺贝尔化学奖。水分子经过Aquaporin时会形成单一纵列，进入弯曲狭窄的通道内，内部的偶极力与极性会帮助水分子旋转，以适当角度穿越狭窄的通道，因此Aquaporin的蛋白构形为仅能使水分子通过之原因。水通道蛋白的发现 Agre等(1988)在分离纯化红细胞膜上的Rh多肽时，发现了一个28 kD的疏水性跨膜蛋白，称为形成通道的整合膜蛋白28(channel-forming inte—gral membrane protein，CHIP28)，1991年完成了其cDNA克隆(Verkman，2003)。但当时并不知道该蛋白的功能，在进行功能鉴定时，将体外转录合成的CHIP28 eDNA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5 min内破裂。为进一步确定其功能，又将其构于蛋白磷脂体内，通过活化能及渗透系数的测定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Aquaporinl(AQPl)。水通道蛋白分类 AQP0 AQP0最初称之为主体内在蛋白(major intrinsic protein，MIP)，在晶状体纤维中细胞中表达丰富，与晶状体的透明度有关．hQpo的突变可能导致晶状体水肿和白内障。小鼠缺乏AQPO将患先天性自内障[61。AQP1 AQP1是1988年发现的,开始将这种蛋白称为通道形成整合蛋白(CHIP),是人的红细胞膜的一种主要蛋白。它可以使红细胞快速膨胀和收缩以适应细胞间渗透性的变化。AQP1蛋白也存在于其他组织的细胞中。AQP1及它的同系物能够让水自由通过(不必结合),但是不允许离子或是其他的小分子(包括蛋白质)通过。AQP1是由四个相同的亚基构成,每个亚基的相对分子质量为28kDa,每个亚基有六个跨膜结构域,在跨膜结构域2与3、5与6之间有一个环状结构,是水通过的通道。另外,AQP1的氨基端和羧基端的氨基酸序列是严格对称的,因此,同源跨膜区(1,4、2,5、3,6)在质膜的脂双层中的方向相反。AQP1对水的通透性受氯化汞的可逆性抑制,对汞的敏感位点是结构域5与6之间的189位的半胱氨酸。其他几种AQP1与肾功能有关。Peter Agre教授因发现水通道蛋白获得2003年诺贝尔化学奖AQPl在质膜中以四聚体的形式存在，每个单体都由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[4]。每个单体蛋白的中空部分都形成具有高度选择性的通道，只允许水分子跨膜运输而不允许带电质子或其他离子通过，在功能上都可以作为一个独立水通道。存在位置 哺位置功能
通道蛋白（channel protein） 衡跨质膜的亲水性通道，允许适当大小的离子顺浓度梯度通过，故又称离子通道。有些通道蛋白形成的通道通常处于开放状态，如钾泄漏通道，允许钾离子不断外流；有些通道蛋白平时处于关闭状态，即“门”不是连续开放的，仅在特定刺激下才瞬时开闭，在几毫秒的时间里，一些离子、代谢物或其他溶质顺着浓度梯度自由扩散通过细胞膜。这类通道蛋白又称为门通道。 分类：水通道蛋白和离子通道蛋白 特点1介导被动运输； 特点2对离子有高度选择性； 特点3转运速率高4不持续开放，受“阀门”控制； 有关特点2：一种离子通道只允许一种离子通过，并且只有在对特定刺激发生时才瞬间开放。 水通道蛋白（Aquaporin），又名水孔蛋白，是一种位于细胞膜上的蛋白质（内在膜蛋白），在细胞膜上组成“孔道”，可控制水在细胞的进出，就像是“细胞的帮浦”一样。 水分子经过水通道蛋白时会形成单一纵列，进入弯曲狭窄的通道内，内部的偶极力与极性会帮助水分子旋转，以适当角度穿越狭窄的通道，因此仅能使水分子通过的原因，就是水通道蛋白特殊的的蛋白构形。
例子：在人体中肾是排除人体内的水的重要器官，当滤液通过丝球体后，其中约有70%的水会通过水通道蛋白(AQP1)而重新吸收回血液中，另有10%会通过Aquaporin (AQP2)而吸收，Aquaporin (AQP2)则会受到抗利尿激素的调控。P.S.：AQP1是一种通道形成整合蛋白，可以使红细胞快速膨胀和收缩以适应细胞间渗透性的变化。 离子通道蛋白（Ion channel）是一种成孔蛋白，由蛋白质复合物构成。它通过允许某一种特定类型的离子依靠电化学梯度穿过该通道，来帮助细胞建立和控制质膜间的微弱电压压差。这些离子通道存在于所有细胞的细胞膜上。针对离子通道的研究叫做通道学。
水通道蛋白的发现和研究过程 教学反思：有时让学生熟悉相关的科技发展热点，可以帮助学生理解有关的情境材料，更能解决相关的问题。由于教材的关系，很多学生无法解决2012年北京高考题，因为不熟悉水通道蛋白相关的知识。 （2012年北京高考试题）科学家为了研究蛋白A的功能，选用细胞膜中缺乏此蛋白的非洲爪蟾卵母细胞进行实验，处理及结果见下表。 Ⅱ向卵母细胞注入蛋白A的mRNA 210.0 Ⅲ将部分Ⅱ细胞放入含HgCl2的等渗溶 液中 80.7 Ⅳ将部分Ⅲ细胞放入含试剂M的等渗溶 液中 188.0 （1）将I组卵母细胞放入低渗溶液后，水分子经自由扩散（渗透）穿过膜的____________进入卵母细胞。 （2）将蛋白A的mRNA注入卵母细胞一定时间后，该mRNA____________的蛋白质进入细胞膜，使细胞在低渗溶液中体积____________。
（3）与II组细胞相比，III组细胞对水的通透性____________，说明HgC12对蛋白A的功能有________作用。比较III、IV组的结果，表明试剂M能够使蛋白A的功能____________。推测HgC12没有改变蛋白A的氨基酸序列，而是破坏了蛋白A的____________。 （4）已知抗利尿激素通过与细胞膜上的____________结合，可促进蛋白A插入肾小管上皮细胞膜中，从而加快肾小管上皮细胞对原尿中水分子的 ____________。 （5）综合上述结果，可以得出____________的推论。 【答案】（1）磷脂双分子层（2）翻译迅速增大（3）明显降低抑 制部分恢复空间结构（4）受体重吸收（5）蛋白A是水通道蛋白 一、水通道蛋白的发现过程 1988年Agre（阿格雷）等在分离纯化红细胞膜上的Rh多肽时，发现了一个28 kD的疏水性跨膜蛋白，称为形成通道的整合膜蛋白28（CHIP28），他们很快分离得到了这种蛋白质，并没出了氨基酸序列，1991年完成了其cDNA克隆，并发现这种蛋白质在吸水能力很强的肾脏和红细胞中含量特别高。 Agre将CHIP28的mRNA注入非洲爪蟾的卵母细胞中，在低渗溶液中，卵母细胞迅速膨胀，并于5 分钟内破裂，纯化的CHIP28置入脂质体，也会得到同样的结果。 为进一步确定其功能，又将其构于蛋白磷脂体内，通过活化能及渗透系数的测定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Aquaporinl（AQPl）。 细胞的这种吸水膨胀现象会被Hg2+抑制，而这是已知的抑制水通透的处理措施。这一发现揭示了细胞膜上确实存在水通道，Agre因此与离子通道的研究者Roderick MacKinnon（麦金农）共享2003年的诺贝尔化学奖。
解毒化瘀药方对干燥综合征模型小鼠颌下腺水分子通道蛋白AQP5的调控作用 马武开王莹唐芳钟琴姚血明贾二涛（贵阳中医学院第二附属医院风湿免疫科，贵州贵阳550003） 〔摘 要〕目的 探讨解毒化瘀药方对干燥综合征（SS ）模小鼠颌下腺水分子通道蛋白AQP5表达的调控作用。方法 采用诱导法建立SS 模 型小鼠，应用免疫组化法和RT-PCR 检测解毒化瘀中药方对SS 模型小鼠颌下腺AQP5的表达及其含量的影响。结果免疫组化显示SS 模型小鼠颌 下腺组织中AQP5表达增加，PCR 检测显示AQP5mRNA 的含量下降，与空白组相比具有显著差异（P ＜0.01），中药高、中剂量组和泼尼松对照组 AQP5含量均高于模型组（P ＜0.01），与空白组相比无统计学差异。结论SS 模型小鼠颌下腺组织AQP5表达降低，解毒化瘀中药能上调SS 模型小 鼠颌下腺组织AQP5的表达。 〔关键词〕干燥综合征；动物模型；颌下腺；水分子通道蛋白；解毒化瘀药〔中图分类号〕R593.2 〔文献标识码〕A 〔文章编号〕1005-9202（2012）01-0095-02；doi ：10．3969/j．issn．1005- 9202.2012.01.040基金项目：贵州省科技基金项目（黔科合J 字 〔2007〕2140）第一作者：马武开（1968-），男，主任医师，博士，主要从事风湿免疫病的 临床和科研工作。 干燥综合征（SS ）是一种侵犯涎腺、泪腺等外分泌腺为主的自身免疫性疾病，多见于40 60岁的女性，其发病率在风湿免疫病仅次于类风湿关节炎 〔1〕 。水分子通道蛋白（AQP ）是近年 来发现的一族细胞跨膜水转运蛋白，目前已发现10种亚型〔2〕 。 唾液腺上皮细胞中AQP1和AQP5构成了唾液腺分泌的水分子通道，对调节水分转运速率、维持唾液分泌起着重要作用。当SS 导致唾液腺破坏时，AQP1和AQP5的表达量显著地减少，导致水分转运失代偿，从而引起唾液分泌量的减少〔3〕 。我们前期 的研究显示SS 模型小鼠颌下腺组织未发现AQP1表达，但 AQP5含量明显降低 〔4〕 ，因此推测AQP5表达量减少以及分布 部位的异常改变，可能是SS 患者口干的重要原因之一。1材料与方法1.1 试验药物 解毒化瘀药方为我科经验方，药物由生地、玄 参、紫草、蛇舌草、当归、赤芍、金银花、肿节风、姜黄等组成，生药购自贵阳同仁堂药房。上药加水浸泡1min ，煎煮2次，每次30min ，合并滤液，浓缩成1?1药液，4?冰箱保存备用。泼尼松，天津药业，批号：20090527。1.2 试验材料 百白破疫苗购自北京天坛生物制品股份有限 公司，批号：2008060402；弗氏完全佐剂：Sigma USA ，批号：019k8719-81-2；考马斯亮兰试剂盒，南京建成生物工程研究所，批号：20090918；Trizl ：Invitrgen ，USA ，批号：1382739。RT-PCR 试剂盒，购自凯基生物。引物购自上海捷瑞生物工程有限公司，AQP1上游引物CTGGCCTTTGGTTTGAGCAT ，下游引物CCACACACTGGGCGATGAT 扩增片段长度为149bp ；AQP5上游引物GCGCT CAGCA ACAAC ACAAC ，下游引物GTGTGAC-CGA CAAGC CAATG 扩增片段长度为149bp 。1.3 实验动物 选择BALB /C 小鼠70只，SPF 级，雌性，体重 20g 左右。购自重庆医科大学实验动物中心，合格证号：SCXK （渝）2009001。 1.4实验方法将60只小鼠随机分成A 、 B 、 C 、 D 、 E 、 F 六组，每组10只。A 组为模型组， B 组为生理盐水组， C 组为解毒化瘀药方低剂量组， D 组为解毒化瘀药方中剂量组， E 组为解毒化瘀药方高剂量组， F 组为泼尼松对照组，余下10只备用。1.5 动物模型的建立 将余下的10只同种小鼠处死，在无菌 条件下取颌下腺，匀浆后测定抗原浓度2171μg /ml ，加PBS 液稀释到1000μg /ml ，加同体积弗氏完全佐剂，终浓度为500μg /ml ，每只小鼠背部多点注射抗原，总量1ml /只。同时背部注射百白破疫苗0.5ml ，并于造模第2天开始予低、中、高剂量解毒化瘀药方、生理盐水及泼尼松对SS 小鼠进行治疗。A 组为模型组，正常饲养，不给与任何药物，B 组以生理盐水灌胃， C 组为解毒化瘀药方低剂量组（4g ·kg －1·d －1）， D 组为解毒化瘀药方中剂量组（8g ·kg －1·d －1 ）， E 物为解毒化瘀药方高剂量组（16g ·kg －1·d －1 ）， F 组为泼尼松0.32mg /d 灌胃。并每周观察SS 小鼠皮毛变化、体重量、摄食量、饮水量和唾液腺分泌功能的测定。4w 后用湿重法检测量唾液流率，记录1w 的总饮水量后处死小鼠，取出颌下腺。1.6 免疫组化SP 法测定AQP5的表达 〔5〕 将小鼠颌下腺腺 组织切片脱蜡， 梯度酒精脱水，微波抗原热修复，3%甲醇过氧化氢溶液作用10min ，柠檬酸缓冲液（pH6.0）中煮沸（126?，3min ），自然冷却20min 以上，冷水冲洗缸子，加快冷却至室温，PBS 冲洗5min ，反复3次。加兔抗羊血清封闭10min 后倾去不洗，再分别加AQP5一抗4?冰箱孵育过夜，PBS 冲洗。滴加生物素标记二抗， 37?孵育60min ，PBS 冲洗。加辣根过氧化物酶标记的链霉素卵白素工作液， 37?孵育30min ，PBS 冲洗。加DAB 液反应染色5 10min ，自来水冲洗，苏木素复染，常规脱水，干燥，中性树胶封片，结果显示棕黄色颗粒为阳性。1.7 RT-PCR 方法检测AQP5mRNA 表达 取涎腺组织0.5g ， 放入盛有1ml Trizol 的玻璃管进行匀浆，用氯仿、异丙醇、酒精等处理后提取总的RNA 。在紫外分光光度下检测波长在260nm 和280nm 的吸光度值，计算提取物RNA 浓度，判定其纯度。反转录合成cDNA ：在20μl 反转录反应体系中加人样本RNA 、Oligo dT 、dNTPs 、无核酸酶的双蒸水混匀后65?5min 、冰浴5min ， 然后加入RNase 抑制剂、RNase 抑制剂、DTT 、逆转录
背景材料 通道蛋白是一类横跨细胞膜磷脂双分子层的蛋白质，能使适宜大小的分子及带电荷的分子通过简单的扩散运动。 通道蛋白分为水通道蛋白和离子通道蛋白，它们参与的只是被动运输，在运输过程中并不与被运输的分子结合，也不会移动。 100多年前，人们就猜测细胞存在着很多“城门”，它们只允许特定的分子或离子出入。 20世纪50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，称之为水通道。 20世纪80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。2000年，彼德?阿格雷与其他研究人员一起公布了世界第一张分辨率为0.38纳米的高清晰度的立体结构图，详细解释了水分子是如何通过该通道进入细胞膜的（如上图），而其他分子或离子无法通过的原因。 科学家发现水通道广泛存在于动物、植物和微生物中。到目前为止，在哺乳动物至少发现有13种水通道蛋白，即aqp 0～12。 离子通道是由蛋白质复合物构成的。一种离子通道只允许一种离子通过，并且只有在特定刺激发生时才瞬间开放。 1988年，罗德里克?麦金农利用x射线晶体成像技术获得了世界第一张离子通道（取自青霉）的高清晰度照片，并第一次从原子层次揭示了离子通道的工作原理。麦金农的方法是革命性的，它可以让科学家观测离子在进入离子通道前的状态，在通道中的状态，以及穿过通道后的状态。 很多疾病是由于细胞膜通道功能紊乱造成的。哮喘发作时，水分子运动在气道阻塞中起重要作用，特别在冷哮喘或运动哮喘时，上皮黏膜下血管（含aqp1）、气管及支气管（含aqp3和aqp4）的肿胀是形成气道阻塞的重要原因。脑中风病人神经细胞膜上的谷氨酸nmda型受体会被过度活化，钠离子通道、钙离子通道大量进入神经细胞，膜电压发生变化并以正反馈的方式引发更多钙离子的进入，结果使得神经细胞大量死亡。 试题链接 1.生物膜的基本特点之一是能够维持相应环境内的物质浓度，这对于完成不同的生命活动具有重要作用，这种维持依赖于生物膜的运输。根据是否需要能量，将物质的跨膜运输分为两大类，即被动运输和主动运输。请回答： （1）被动运输包括三种类型，除外，另外两类都需要膜蛋白的协助：通道蛋白和载体蛋白，其中，可在膜两侧进行移动运输的是。 （2）离子载体是一些能够极大提高对某些离子通透性的物质，目前发现的大多数离子载体是细菌产生的抗生素，它们能够杀死某些微生物。其中短杆菌肽a是一种十五肽的离子载体，它能有选择地将单价阳离子顺浓度通过膜，如h+、nh4+、k+、na+等，最终使膜内外部分单价阳离子浓度趋于平衡。据此推测这类抗生素的杀菌机理是。 （3）人工合成的仅由磷脂双分子层构成的封闭球状结构称为脂质体，所有带电荷的分子不管它多小，都很难通过脂质体，即使脂质体外离子浓度很高。这是因为磷脂双分子层的（内部、外部）是疏水的。缬氨霉素是一种十二肽的抗生素，若将它插入到脂质体的脂双层内，可使k+的运输速度提高100，000倍，但却不能有效提高na+的运输速率，由此可以得出：①；②。 （4）主动运输所需的载体蛋白实际上是一些酶蛋白复合体。与被动运输不同，该类膜蛋白都能水解，但与普通的酶不同的是，它不对所转运的分子进行催化。