水通道蛋白结构与功能的关系教学课件
水通道蛋白的发现与应用21页PPT
1、最灵繁的人也看不见自己的背脊。——非洲 2、最困难的事情就是认识自己。——希腊 3、有勇气承担命运这才是英雄好汉。——黑塞 4、与肝胆人共事，无字句处读书。——周恩来 5、阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根
水通道蛋白的发现与应用
56、极端的法规，就是极端的不公。 ——西 塞罗 57、法律一旦成为人们的需要，人们 就不再 配享受 自由了 。—— 毕达哥 拉斯 58、法律规定的惩罚不是为了私人的 利益， 而是为 了公共 的利益 ；一部 分靠有 害的强 制，一 部分靠 榜样的 效力。 ——格 老秀斯 59、假如没有法律他们会更快乐的话 ，那么 法律作 为一件 无用之 物自己 就会消 灭。— —洛克
水分子通道蛋白的结构与功能的关系
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。
蛋白质结构与功能的关系课件
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• 镰刀状贫血病—血 液中大量出现镰刀 红细胞，患者因此 缺氧窒息
• 正常细胞 镰刀形细胞
它是最早认识的 一种分子病，在 非洲某些地区十 分流行
死亡率极高
由于遗传基因突 变导致血红蛋白 分子结构突变
镰刀状细胞贫血病的杂合子患者的寿命虽也不长，
但是它能抵抗一种流行于非洲的疟疾。自然选择
率应为1。实际上，实验的数据确PPT实学习如交流此。
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nH=2.8
在中间的氧分压区域协同性最大为2.8，但不能达到亚基数目4
这个值，因为完全的协同是不存在的。K4约为0.5torr而K1约为
148torr，因此Hb对第4个氧的亲和力约为第1个的300倍。
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协同性使得血红蛋白更能有效地输送氧气，协同效
S曲线是氧与Hb协同性结合的标
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Hill 方程
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33
Hill方程的斜
2.8
率为nH
Hill
nH = 1
非协同
系 数
与
nH ＞1
配
正协同 体
的
nH =n
结
完全协同 合
在log(Y/1-Y)=0的附近接近一直线。因为O2与Hb的结合是协同的。在
p(O2)极高或极低时都只能结合一个氧分子，因此可预测Hill曲线两端的斜
抗原并与之结合
在T细胞中为含有可变区和 恒定区的受体，只能识别 与主要组织相容性复合体
（MHC）结合的抗原
人类能产生超过108种具有不同特异性的抗体， 因此，任何病毒或入侵细胞表面上的化学结构都 能被抗体结合
水分子通道蛋白的结构与功能
反而造成了一些分类概念上的混乱 。在此我们仍然 沿用“主体蛋白家族”的名称 。主体蛋白家族大致可 以分成两个蛋白家族 ,即允许水分子通过的“水通道 蛋白”AQP 和允许甘油分子通过的“甘油通道蛋白 (glycerol facilitators) ”[18 ,19] 。甘油通道蛋白的发现和 鉴定早于水通道蛋白的发现和鉴定[20 ,21] ,其家族成 员大多存在于细菌 、真菌等低等生物中 。绝大多数 甘油通道蛋白在传输甘油分子的同时也可以允许一 些水分子通过 。水通道蛋白家族成员则主要存在于 动物和植物中 ,除一部分水通道蛋白可以允许少量 甘油分子通过外 ,其余的水通道蛋白都能高效地阻 挡其他分子和离子 (包括质子) 并只允许水分子快速 通过 。AQP1 蛋白就是一个存在于哺乳动物中的只 传输水分子的典型水通道蛋白 。它在哺乳动物中保 守性 3 非常好 。
由此可见 ,水通道蛋白对于生命活动至关重要 。
二 、水通道蛋白的发现与分类
早在 19 世纪中叶 ,人们就设想生物器官的表面 存在传输水和小分子溶质的“通道 ( channel) ”。从 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[2 —7] 。例如 Macey 和 Farmer 在 1970 年发现血红细胞的很好的透水性可以被水 银化合物所阻塞[4] 。由此他们推断 ,红细胞膜上应 该存在一种基本上只允许水分子通过的水通道蛋 白 。这种蛋白的过滤性质可以被 pCMBS 等水银化 合物所改变 。这一设想与发现水通道蛋白后的一些 实验结果相符合[8 —10] 。但是上述这些工作并没有确 定无疑地找到并表征出水通道蛋白 。同不少科学上 的重要成果一样 ,第一个水分子通道蛋白的发现和 纯化是一个意外收获 。80 年代中期 ,John Hopkins 大学的 Peter Agre 研究小组设法从血细胞膜上提纯 Rh 血液组抗原的 32 kDa 单元 3 3 。他们在提纯过程 中发现有一种分子量为 28kDa 的物质总是会被一同 提纯出来 。他们起初以为这是 Rh 蛋白的降解产 物 。后来意识到这是一种以前没有被发现的蛋白 。 于是 Agre 研究组的主要研究方向转而投向这个新 蛋白 。他们于 1988 年从血红细胞和肾小管中分离 纯化了这种蛋白[11] ,并根据其分子量命名该蛋白为
水通道蛋白
• 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。
水分子通道蛋白的结构与功能的关系
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。
水通道蛋白
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 微血管被星形胶质细胞紧紧包被，血管周边星形胶质细胞足突上的AQP4 呈现强阳性表达，且冷冻断裂研究显示AQP4 的正交排列阵也同步形成。
水通道蛋白
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
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水通道蛋白的结构与功能
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1
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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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。
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。
1988年Agre研究组从血红细胞和肾小管中 分离纯化了CHIP28（channel-like integral membrane protein，23kDa），又被命名为
AQP1
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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
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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9、 人的价值，在招收诱惑的一瞬间被决定 。20.12.120.12.1Tuesday, December 01, 2020
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10、低头要有勇气，抬头要有低气。11:54:4411:54:4411:5412/1/2020 11:54:44 AM
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17、一个人即使已登上顶峰，也仍要 自强不 息。上 午11时54分44秒上午11时54分11:54:4420.nm
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2）高度特异的亲水通道
尽管现在还没有完全揭示为何AQP1在对水分子快速 通过的同时能有效阻止质子的通过，表现出对水分子的特 异通透性，但已有的数据表明，这种特异性与两个半跨膜 区的Asn-Pro-Ala模式有关。AQP1中央孔的孔径无法通过 比水分子大的物质，而两个Asn-Pro-Ala中的Asn残基所带 的正电荷也排除了质子的通过，因此，AQP1是一个高度特 异的亲水通道，只允许水而不允许离子或其他小分子溶质 通过。
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，如肾小管的近曲小管对水的重吸收、 从脑中排除额外的水、唾液和眼泪的形成，对体液渗透、 泌尿等生理过程非常重要。
在植物中，水通道蛋白直接参与根部水分吸收及 整个植物的水平衡。
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二、水通道蛋白的发现
19世纪中叶，人们设想生物器官的表面存 在传输水和小分子溶质的通道“（channel）”。
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11、人总是珍惜为得到。20.12.111:54:4411:54Dec-201-Dec -20
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12、人乱于心，不宽余请。11:54:4411:54:4411:54Tuesday, December 01, 2020
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13、生气是拿别人做错的事来惩罚自 己。20.12.120.12.111:54:4411:54:44December 1, 2020
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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。