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水分跨膜运输的两种机制
作者:天马行空    文章来源:成长博客    点击数:    更新时间:2011-5-24

水分跨膜运输的两种机制

 决定水分出或入细胞的是细胞的水势。水通过两种机制穿过膜。

 一种是通过脂双层的扩散。因为脂双层虽是疏水的,其中并非没有空间,水分子可以通过氢键在其中形成类似冰的结构,从而穿过膜。

 第二种机制是通过专一的水通道——水孔蛋白(aquaporin)

 水孔蛋白是一类膜蛋白,相对分子质量不大。植物细胞的质膜和液泡膜中各有不同的水孔蛋白。根据来自动物的水孔蛋白的研究,这类蛋白质可能是四聚体,每个亚基上各有一个小孔,水分子可以从中穿过。

水通道蛋白是一个非同寻常的发现;因为水通道是水进出细胞的关键,许多生理过程涉及体液的流动,例如出汗、排尿、发炎红肿以及流泪等等。水通道蛋白的功能使我们在炎热的夏天浓缩尿液而不致发生脱水,也能让我们在饥饿时把储存在脂肪组织的水释放出来。200312月,诺贝尔奖化学委员会主席本特 · 诺登这样评价:阿格雷的发现与生命有密不可分的关系,水通道蛋白是一个决定性的发现,它为人类打开一个新的领域,去研究细菌、哺乳动物和植物水通道的生物学、生理学和遗传学。

目前有10多个水通道蛋白发现,它们存在于血液、肾脏、大脑。

相关内容1水通道

  长期以来, 普遍认为细胞内外的水分子是以简单扩散的方式透过脂双层膜。后来发现某些细胞在低渗溶液中对水的通透性很高, 很难以简单扩散来解释。如将红细胞移入低渗溶液后,很快吸水膨胀而溶血,而水生动物的卵母细胞在低渗溶液不膨胀。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, 并提出了水通道的概念。

  1988Agre在分离纯化红细胞膜上的Rh血型抗原时,发现了一个28 KD 的疏水性跨膜蛋白,称为CHIP28 (Channel-Forming integral membrane protein)1991年得到CHIP28cDNA 序列,AgreCHIP28mRNA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。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因此而与离子通道的研究者Roderick MacKinnon共享2003年的诺贝尔化学奖。

  目前在人类细胞中已发现的此类蛋白至少有11种,被命名为水通道蛋白(AquaporinAQP),均具有选择性的让水分子通过的特性。在实验植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)中已发现35个这类水通道。

  水通道的活性调节可能具有以下途径:通过磷酸化使AQP的活性增强;通过膜跑运输改变膜上AQP的含量,如血管加压素(抗利尿激素) 对肾脏远曲小管和集合小管上皮细胞水通透性调节;通过调节基因表达,促进AQP的合成。

相关内容2细胞就好像一个交通繁忙的城市,进出城的城门就是细胞膜上的离子通道。那么,细胞是如果调控它与外界的交通运输的呢?新的研究发现一个甘油分子直径上的一埃(长度单位)的差异都可能使它变成一个封锁道路的信号;除非你是一部滑溜溜的具有水分子尺寸的先进跑车,才可能勉强通过。

这些车道就在水通道蛋白(apuaporins)中。水通道蛋白是一类形成所有生命形式的细胞屏障中膜转移通道的蛋白质,它们容许水在细胞和它的周围环境间运动。水通道蛋白的一个亚家族还可容许稍微大点的分子如甘油通过。在人类中,已经确定出了11种水通道蛋白,其中的大部分存在于肾脏、大脑和眼睛中。这种蛋白功能的损伤与多种疾病有关。

美国伊利诺斯州大学贝克曼高等科技研究所理论和计算机生物物理学研究组的研究人员对这种水通道蛋白进行了深入的研究。通过利用拉伸分子动力学steered molecular dynamics,生物通注),贝克曼的研究人员解开了数年来蛋白结晶法无法破解的谜团。这项研究的结果公布在8月的Structure上。

研究人员证明使得一个水通道蛋白成为一个甘油通道的主要结构差异在于它比一个普通的水通道加宽仅仅一埃(一埃等于107毫米)。即使甘油分子也像水分子通过水通道那样排列起来,但它微微肥胖的体形也会使它难以幸免。除了入口点即一个选择性过滤器非常窄外,还存在其他阻止这个路径的严密的屏障。

膜蛋白很难结晶,因此到目前为止许多膜蛋白的结构还没有确定出来。近年来,这个研究组已经确定出了四种水通道蛋白的结构。在最新的研究中,他们集中调查了其中的两种蛋白。这两种蛋白都来自线虫。两个蛋白中,一个是水通道,一个是甘油通道。由于它们结构很相似,所以研究人员试图通过突变位于通道孔的氨基酸来将水通道转化成一个甘油通道或其他通道,但以失败告终。研究的线虫蛋白是水通道AqpZ和甘油通道GlpF。通过对计算机产生的图像进行平行比较,研究人员发现这些通道在本质上似乎是相同的。贝克曼研究组推动甘油通过通道,并计算动能、寻找阻止这个过程的障碍物。

在过去,尽管在结晶这些蛋白后发现通道尺寸有轻微的差别,但是研究人员认为能够通过诱导周围氨基酸创造出甘油通道所需的疏水或半疏水层来操纵这些通道。如果这种操作能够成功将会为相关疾病治疗药物创造出新的靶标。

但是,新的研究表明两种通道周围的氨基酸根本就是相同的。因此,目前这个研究组正在寻找除氨基酸层以外的使通道尺寸改变的力量


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