水通道蛋白的发现

调节神经兴奋性 星形胶质细胞上的 AQP4 依赖性水转运参与神经兴奋的调节。
参与脑水肿的发生及发展
可能通过对血管内水的快速转运而促进细胞毒性 脑水肿的发生、 发展; 促使缺血性中风后脑水肿的发生、 发展; 在血管源性脑水肿的发生发展过程中, 水进入脑 不依赖AQP4, 而水从脑中清除则与其密切相关。
早期，人们一直认为水是以单纯扩散透过细胞 膜的，但在某些细胞如红细胞、肾近曲小管 细胞对水的通透性很高，不能简单以单纯扩 散来解释，于是推测此类细胞膜上可能存在 某种功能性转运水的通道。
水通道蛋白的发现
Agre于1988年发现并成功分离出一种细胞膜蛋白并证 明这就是科学家孜孜以求的水通道蛋白(aquaporin, AQP)。 2000年，Agre公布了世界第一张水通道蛋白的高清晰 立体照片，照片揭示这种蛋白的特殊结构只允许水分 子通过。
其它眼病
泪腺疾病:AQP5. 参与泪液分泌，维持眼 表泪膜的完整和功能 —— 干眼症。 结膜病:AQP3. 参与泪膜的形成 —— 干 眼症。 角膜病:AQP3 、AQP5. 参与维持角膜的 脱水状态及角膜的透明度 —— 角膜的水 肿和变性。
其它眼病
晶状体病:AQP1 、AQP0. 参与维持晶状体的 脱水状态、 透明性 —— 白内障。 视网膜病:AQP1、AQP4，AQP4 主要存在于 Müller 细胞和星形胶质细胞，对维持视网膜 水平衡起关键作用 —— 视网膜脱离和黄斑水 肿的发病。 视神经病变:Na+-K+的平衡一旦失去平衡，可 能导致发生视乳头水肿(乃至脑水肿)等严重疾 病。
AQP4：脑组织中大量表达，主要分布于星形胶质细胞。
参与对中枢神经系统水、 电解质的调节 允许
水的快速转运，促进星形胶质细胞通过 Kir4.1 对钾 的摄取；在胶质细胞、 血、 脑脊液间进行水的调节, 维持脑的水盐平衡；感受渗透压变化，调节ADH分泌， 调节机体水平衡。

水通道蛋白结构水通道蛋白是一类在生物体中起着重要作用的蛋白质。

它们存在于细胞膜上，形成了细胞膜的一种通道，能够允许水分子快速通过细胞膜。

水通道蛋白的发现和研究为我们理解细胞内外液体平衡以及水分运输提供了重要的线索。

水通道蛋白最早是在1980年代被发现的，研究者发现一种叫做水通道蛋白1（Aquaporin-1，简称AQP1）的蛋白质在红细胞膜上表达，能够加速水分子通过细胞膜。

这项发现引起了科学家们的广泛关注，并在接下来的几十年里，研究人员陆续发现了多种水通道蛋白。

水通道蛋白的结构非常特殊，它们由多个亲水性的氨基酸残基组成，形成了一条通道，通道中心是一个疏水性的区域，能够排斥离子和其他溶质，只允许水分子通过。

水通道蛋白的结构使其具有高度选择性和通透性，能够快速而特异地传输水分子。

水通道蛋白的结构在进化过程中发生了一些变化，目前已经发现了多种类型的水通道蛋白。

其中，AQP1是最早被发现的一种，广泛存在于多种细胞类型中，包括红细胞、肾脏和眼睛等。

AQP1的结构由四个相同的亚单位组成，每个亚单位由六个跨膜螺旋组成，形成了一个中央水通道。

除了AQP1之外，还有其他类型的水通道蛋白，如AQP2、AQP3等。

它们在组织和细胞中的分布具有一定的特异性，发挥着不同的生理功能。

例如，AQP2主要存在于肾脏中，调节尿液的浓缩和稀释；AQP3主要存在于皮肤和肠道中，参与水分的吸收和散发。

水通道蛋白的功能不仅仅局限于水分的传输，它们还参与了一系列重要的生理过程。

例如，水通道蛋白在维持细胞内外液体平衡方面发挥着重要作用。

细胞内外液体平衡的失调会导致细胞的肿胀或收缩，影响细胞的正常功能。

水通道蛋白能够调节细胞内外水分的平衡，保持细胞内外环境的稳定。

水通道蛋白还参与了一些特殊细胞功能的实现。

例如，在肾脏中，水通道蛋白能够调节尿液的浓缩和稀释，帮助维持体内水分的平衡。

在眼睛中，水通道蛋白参与了眼内房水的生成和排泄，维持了眼压的稳定。

水通道蛋白的名词解释水通道蛋白是一类存在于生物体细胞膜上的蛋白质，其主要功能是调节细胞内外水分的平衡。

这些蛋白质以其独特的细胞膜通透性，通常被形容为“细胞的水渠”。

尽管细胞膜对水具有一定的渗透性，但水通道蛋白的出现使得水分的跨膜运输变得更加高效和方便。

水通道蛋白主要通过形成一个微小的通道，让水分子直接穿过细胞膜，从而加速细胞内外的水分交换。

水通道蛋白最早被发现于红细胞膜，其中最为著名的是被称为Aquaporin-1（AQP1）的蛋白质。

AQP1被发现能够高效地传输水分子，使其成为研究者们研究水通道蛋白的重要起点。

此后，越来越多的水通道蛋白被发现，它们在各种生物体的细胞膜上广泛存在。

水通道蛋白家族主要包括两类：小分子量蛋白（20～35kDa）和大分子量蛋白（约为50～90kDa）。

小分子量蛋白包括AQP1、AQP2和AQP4等，它们主要负责水分子的传输。

大分子量蛋白则包括AQP0、AQP5和AQP6等，除了与水分交换有关，这些蛋白质还可能参与其他细胞功能的调节。

水通道蛋白在生物体中具有广泛而重要的作用。

例如，在人体内，水通道蛋白在器官和组织中起着维持水分平衡的关键作用。

当体内水分过多或过少时，水通道蛋白能够根据需要调整细胞膜的通透性，控制水分大量吸收或排泄。

这一过程在保持人体内部环境稳定方面非常重要。

此外，水通道蛋白还在植物、昆虫、微生物等生物体中发挥着类似的功能。

在植物体内，水通道蛋白不仅参与了水分的吸收和输送，还对维持细胞渗透稳定性和调节植物生长发育起到了重要作用。

在昆虫和微生物中，水通道蛋白也发挥着类似的水分调节作用，确保它们能够在不同环境下生存和繁衍。

随着科学技术的发展，研究人员对水通道蛋白进行了深入的研究。

他们通过结构生物学、细胞生物学以及分子生物学等多种手段，揭示了水通道蛋白的分子结构和生理功能，并进一步研究了其与疾病之间的关系。

例如，某些疾病，如肾脏功能障碍、肿瘤、水肿等，与水通道蛋白的异常表达或功能失调密切相关。

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AQP0AQP0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]。

AQP1AQP1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。

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32X 106的Rh多肽时，偶然鉴定到一种新的分子量为28X 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 intrin sicprotei n,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。

水孔蛋白的鉴定水孔蛋白是一类在细胞膜上起关键作用的蛋白质，它们能够形成通道，调节细胞内外物质的交换和水分的平衡。

本文将从水孔蛋白的发现历史、结构和功能以及在生物学研究中的应用等方面进行阐述。

水孔蛋白的发现可以追溯到20世纪50年代，当时科学家们对细胞膜的穿透性进行了研究。

他们发现，尽管细胞膜是一个由脂质双层组成的结构，但水分子和其他小分子能够自由地穿过细胞膜。

为了解释这一现象，科学家们提出了“水通道”假设，即细胞膜上存在一种特殊的蛋白质，能够形成通道，促进水分子的跨膜运输。

随着技术的进步，科学家们开始尝试从细胞膜中分离和纯化这种水通道蛋白。

经过多年的努力，他们终于在1980年代初成功地从红细胞膜中纯化出了一种被称为水孔蛋白的蛋白质。

这项重要的发现为水孔蛋白的研究奠定了基础。

水孔蛋白的结构非常特殊。

它们由多个蛋白亚基组成，每个亚基都具有一个特殊的结构域，被称为水孔蛋白域。

水孔蛋白域中包含一系列高度保守的氨基酸残基，这些残基在进化过程中几乎没有发生变化。

这种高度保守的结构保证了水孔蛋白的功能稳定性和特异性。

水孔蛋白的主要功能是调节细胞内外物质的交换和水分的平衡。

通过形成通道，水孔蛋白能够促进水分子和其他小分子的跨膜运输。

这种跨膜运输对于维持细胞内外环境的平衡非常重要，尤其是在细胞的渗透调节和水分吸收等过程中起着关键作用。

水孔蛋白在生物学研究中有着广泛的应用。

首先，它们被广泛应用于药物研发和药物输送系统的设计。

通过研究水孔蛋白的结构和功能，科学家们可以设计出能够特异性靶向某种疾病的药物，并通过水孔蛋白实现药物的跨膜运输。

其次，水孔蛋白也被应用于生物传感器的设计和制造。

通过利用水孔蛋白对特定物质的识别和传输能力，科学家们可以构建高灵敏度、高选择性的生物传感器，用于检测环境中的污染物、食品中的添加剂等。

水孔蛋白作为一类在细胞膜上起关键作用的蛋白质，具有重要的生物学功能和广泛的应用前景。

通过对水孔蛋白的研究，我们可以深入了解细胞内外物质交换的机制，为药物研发和生物传感器的设计提供理论基础和实验依据。

值得一提的是，有些水孔蛋白对溶质的通透不仅局限 于水分子，如AQP8对尿素也有通透性，AQP7对甘油具有 通透性。
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注入了AQP1水通道蛋白mRNA的蛙卵细胞在高
渗透压介质环境中迅速膨胀（上一行图）；与之相对
应，没有注入AQP1蛋白mRNA的蛙卵细胞则没有变
化（下一行图）
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三、水通道蛋白的结构
蛋白质的功能是 通过其结构来实现的， 要解决功能机理问题， 必须首先解决它的结 构问题。
水通道蛋白的投 影密集图显示在双磷脂膜中，4个AQP1分子 构成一个四聚体，每个水通道蛋白分子单体的 中心存在一个只允许水分子通过的通道管。
水通道蛋白的结构与功能
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一、水通道蛋白的重要性 二、水通道蛋白的发现
三、水通道蛋白的结构
四、对水分子的筛选机理
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Байду номын сангаас
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一、水通道蛋白的重要性
水分子以简单渗透扩散方式通过细胞膜，但扩散 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白（ aquaporin, AQP）实现的。
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对AQP1晶体学数据分 析表明，水孔蛋白由4个 亚基组成四聚体，每个亚 基都由6个跨膜α螺旋组 成。每个水孔蛋白亚基单 独形成一个供水分子运动 的中央孔，孔的直径稍大 于水分子直径，约0.28nm， 水孔长约2nm。
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四、对水分子的筛选机理
1）通道管的空间尺寸限制了比水分子大的小分子通过
20世纪50年代后期到80年代中期，一些对 血红细胞进行研究的学者提出在血红细胞膜上 可能存在有可以传输水分子的蛋白。

水通道的发现——Peter Agre2003年的诺贝尔化学奖授予了美国的Peter Agre和罗德里克·麦金农，分别表彰他们发现细胞膜水通道，以及对离子通道结构和机理研究作出的开创性贡献。

彼得·阿格雷1949年生于美国明尼苏达州小城诺斯菲尔德，其父Courtland Agre毕业于University of Minnesota 获得了化学学士和博士学位。

二战期间曾是3M company 即明尼苏达矿务及制造业公司的化学专家，负责实验室合成多聚物。

二战后先后成为St. Olaf College 和Augsburg College化学系的一位老师。

Courtland Agre假期喜欢把孩子们带到他的实验室，做些奇妙的“魔术”（如向加入可变色的酸碱指示剂的水中加入酸或碱以改变水的颜色），激发孩子们探求科学奥秘的情趣。

Agre教授选择科学研究这条路和童年时父亲的影响不无关系。

童年时另一位对Agre教授影响很大的人是其父之友莱纳斯?鲍林（Linus Pauling）。

Linus Pauling教授是美国著名的化学家。

这位大师曾在Agre教授家小住几日。

1954年Pauling教授因阐明了化学键的本质和分子结构的基本原理获诺贝尔化学奖。

二战后他又因不遗余力地反对核试验，坚决反对“以任何形式的战争作为解决国际冲突的手段”获得1962年诺贝尔和平奖。

他也是迄今仅有的两度单独获得诺贝尔奖桂冠的人。

从Agre的童年中，我发现长辈们对孩子的熏陶是很重要的，而Agre证实因为在科学研究的环境下生长，才在小的时候便培养出了对科学的爱好，才能从小确定科学研究的方向，拥有一个远大的梦想。

虽然是细胞生物学的教授，Peter Agre教授不是一个科班出身的分子生物学研究者。

1967年至1970年，他就读于Minneapolis ，Augsburg College 的化学专业，并获得学士学位。

1970年至1974年，进入Johns Hopkins University School of Medicine 获医学博士学位，并在1981年获得医师执照。

水通道蛋白基因水通道蛋白基因是一类编码蛋白质的基因，其产物是一种受体蛋白，能够调节细胞膜的通透性，使细胞能够快速、高效地调节水分的进出。

本文将从水通道蛋白基因的发现、结构与功能以及在生物体中的重要作用等方面进行阐述。

一、水通道蛋白基因的发现水通道蛋白基因的发现与诺贝尔奖得主皮特·阿格雷（Peter Agre）密不可分。

1992年，阿格雷和他的团队在研究红细胞膜蛋白时，发现了一种新的蛋白质，被命名为水通道蛋白（aquaporin）。

他们通过功能性研究发现，水通道蛋白能够高效地调节细胞内外水分的平衡，从而维持细胞的正常功能。

二、水通道蛋白的结构与功能水通道蛋白是一种跨膜蛋白，其主要结构特征是存在于细胞膜中的六个跨膜螺旋。

这些跨膜螺旋形成了一个水分子可以通过的微小通道，从而实现水分子的快速跨膜运输。

水通道蛋白的通道是高度选择性的，只允许水分子通过，而离子和其他溶质则无法进入。

水通道蛋白通过调节细胞膜的通透性，起到了维持细胞内外水分平衡的重要作用。

在生理过程中，水通道蛋白能够帮助细胞快速吸收和释放水分，从而调节细胞内外水分的浓度差。

此外，水通道蛋白还参与了细胞的渗透调节、尿液浓缩等重要生理过程。

水通道蛋白基因广泛存在于各种生物体中，并在不同组织和器官中发挥着重要的生理功能。

例如，在植物中，水通道蛋白基因参与了植物对水分的吸收和运输，维持植物体内外水分的平衡，保证植物的正常生长发育。

在动物中，水通道蛋白基因则在肾脏、肺部、眼睛等组织中起到关键作用，帮助维持体内水分的稳定。

水通道蛋白基因的异常表达与一些疾病的发生发展密切相关。

例如，水通道蛋白基因突变可导致肾脏功能障碍和尿液浓缩能力下降，进而引发多种肾脏疾病。

此外，一些研究还发现，水通道蛋白基因的异常表达与肿瘤的发生和转移有关，可能成为肿瘤治疗的潜在靶点。

总结：水通道蛋白基因作为一类重要的蛋白质基因，在维持细胞内外水分平衡、调节生理过程等方面发挥着重要作用。

上图：注入水通道蛋白AQP1mRNA的蛙卵细胞在蒸馏水中迅速膨胀 下图：正常蛙卵细胞
水通道蛋白的性质
• 水通道蛋白家族主要存在于动物和植物中， 除一部分水通道蛋白允许少量甘油通过外， 其余的水通道蛋白只允许水分子快速通过。 AQP1就是一个只存在于哺乳动物体内的特 异性的水通道蛋白，它在哺乳动物中的保 守性非常好。 • 水通道蛋白传输水的速率大概是自由扩散 的25倍，每秒能通过30亿个水分子。
水通道蛋白的发现
• 阿格雷小组使用蛙的卵细胞进行这种蛋白 的功能测试。 • 将这种蛋白的mRNA注射到蛙卵细胞中，使 其细胞膜上具有这种蛋白。然后将蛙卵放 入蒸馏水中，结果卵细胞迅速吸水膨胀破 裂。 • 这个蛋白被命名为水通道蛋白，官方命名 为AQP1。 • 人们又陆续发现了10种水通道蛋白，构成 了水通道蛋白家族的主体。
• 其中，罗德里克· 麦金农是因为钾离子通道 蛋白结构和机理研究上的贡献获奖
水如何进入细胞？
b. 不同分子通过人工脂双层的渗透系数（cm/s）（引自B. Alberts等）
问题的提出
• 在人工脂双层的通透性实验中可知，水分 子可以以自由扩散的方式穿过脂双层。但 是在一些要求高通透性的细胞中水分子的 扩散速度是很缓慢的，例如红细胞、肾小 管、唾液腺等。 • 在20世纪50年代到80年代，很多研究红细 胞的学者提出在红细胞膜上应该有可以运 输水的蛋白。而且用汞的化合物处理红细 胞膜可以抑制水的转运，由此推断运输水 的蛋白应该是含巯基的蛋白。
水通道蛋白的发现
• 第一个水通道蛋白的发现和纯化纯属意外 收获。1988年，阿格雷的小组在研究Rh抗 原的过程中，总有一种28kDa的蛋白质被同 时提纯。开始认为是大的多肽的降解产物， 后来发现在红细胞膜上这种蛋白非常丰富， 大约每个红细胞上有200,000个。而且从结 构上分析它应该是一种通道。后来在肾小 管中也提取出了这种蛋白。

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AQP0AQP0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。

AQP1AQP1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。

• 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。它们在细胞膜通道中的进进出出 可以实现细胞的很多功能。
• 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。
• 水通道蛋白的简介 • 发现历程 • 发展前景
什么是水通道蛋白？
• 即蛋白质在膜内，形
成专门输送水的穿膜 通道，存在于红细胞 和肾组织中，由4个 相同的亚基组成，每 个亚基(28 kDa)含6个 穿膜α螺旋，极大地 增加膜的水通透性。
• 水通道蛋白是专门运输水的跨膜蛋白，其
基因结构、基因表达调控、染色体定位、 蛋白质结构、组织分布和生理功能得到了 较为深入的研究。
美国波士顿附近的小镇伯灵 顿长大，１９８２年在塔夫 茨医学院获医学博士，现为 洛克菲勒大学分子神经生物 学和生物物理学教授。
• 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， 现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。
发展前景
• 很多疾病，比如一些神经系统疾病和心血管疾病
就是由于细胞膜通道功能紊乱造成的，对细胞膜 通道的研究可以帮助科学家寻找具体的病因，并 研制相应药物。
• 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。

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。

实验组号在等渗溶液中进行的处理在低渗溶液中测定卵细胞的水通透速率（cm/s×10-4）Ⅱ向卵母细胞注入蛋白A的mRNA 210.0Ⅲ将部分Ⅱ细胞放入含HgCl2的等渗溶液中80.7Ⅳ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。

基因结构、基因表达调控、染色体定位、 蛋白质结构、组织分布和生理功能得到了 较为深入的研究。 • 到目前为止，在哺乳动物至少发现有13种 到目前为止，在哺乳动物至少发现有13种 水通道蛋白，即AQPo～12(Preston等， 水通道蛋白，即AQPo～12(Preston等， 1992)。 1992)。
发展前景
• 很多疾病，比如一些神经系统疾病和心血管疾病 很多疾病，比如一些神经系统疾病和心血管疾病
就是由于细胞膜通道功能紊乱造成的，对细胞膜 通道的研究可以帮助科学家寻找具体的病因，并 研制相应药物。 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 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。 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 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 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。
• 1988年，罗德里克·麦金农利用Ｘ射线晶体 1988年，罗德里克·
成像技术获得了世界第一张离子通道的高 成像技术获得了世界第一张离子通道的高 清晰度照片，并第一次从原子层次揭示了 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。这张照片上的离子 通道取自青链霉菌，也是一种蛋白。麦金 通道取自青链霉菌，也是一种蛋白。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。对水 通道和离子通道的研究意义重大。
• 生物体的主要组成部分是水溶液，水溶液占人体

浅析植物水通道蛋白的研究进展-植物学论文-生物学论文——文章均为WORD文档，下载后可直接编辑使用亦可打印——水通道蛋白（也称水孔蛋白，AQPs）促使着水分的双向跨膜运动，它所介导的自由水快速被动地跨生物膜转运，是水进出细胞的主要途径。

第1 次从分子水平上证实细胞膜上存在水转运通道蛋白是Pe-ter Agre 研究小组[1]于1988 年从血红细胞和肾小管中分离纯化出的CHIP28 蛋白，并由实验证明了CHIP28 蛋白具有允许水分子进入的功能。

CHIP28 蛋白也因此被重新命名为l 号水通道蛋白（AQPl）。

第1 个植物水通道蛋白---2-TIP 是Maurel 等[2]于1993 年从拟南芥Arabidopsis thaliana 中分离出来的。

目前，已经从细菌、酵母、植物、动物中分离出多种水通道蛋白的同源基因，并且证明水通道蛋白除了担负细胞间或细胞内外水分子输导的功能，还参与细胞伸长与分化、气孔运动等生理过程。

本文主要从水通道蛋白家族成员组成、结构、生理功能及表达等方面对植物水通道蛋白的研究进展进行系统介绍。

1 水通道蛋白家族成员植物水通道蛋白的结构与动物水通道蛋白同属于一个古老的跨膜通道蛋白MIP 超家族。

已经测序的植物基因组揭示植物水通道蛋白是一个超家族：拟南芥中有38 个水通道蛋白基因编码的35 种水通道蛋白同源蛋白，其中10 个属于液泡膜水通道及其类似蛋白，13 个为质膜水通道及其类似蛋白，12 个属于NLM 类。

此外，玉米Zea mays 和水稻Oryza sativa 中分别有35 个和33 个水通道蛋白基因[3]. Johan-son 等[4]根据氨基酸序列同源性和亚细胞定位将水通道蛋白划分为5 个家族：质膜内在蛋白（PIPs），液泡膜内在蛋白（TIPs），类Nodulin26（NOD26）膜内在蛋白（NIPs），小的碱性膜内在蛋白（SIPs）和类GlpF 膜内在蛋白（GIPs）。

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—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。

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。