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
水孔蛋白ppt
Structural model of Arabidopsis
PIP2;1 拟南芥水孔蛋白PIP2;1 结构示意图
膜内在蛋白 ，几乎都含有六个跨膜区段，分别 由五个环相连。
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水通道 ••
••Biblioteka •••••
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迄今为止，已在细菌、酵母、植物、昆虫和脊椎动物 中发现至少50余种水通道。
它的种类很多，仅人体就有11种，而植物的水通道蛋 白质数量更多。
AQP的功能 选择性
多功能性
AQp的调控
一、植物水孔蛋白转录水平的调控 1、干旱 2、光、温度、病菌感染、激素等 3、水孔蛋白mRNA的稳定性
水孔蛋白转录后的调节 1、植物水孔蛋白的磷酸化 2、植物水孔蛋白在细胞内和膜上的穿梭定位 3水孔蛋白的稳定性
3a 3b、3c
AQP的透水过程
• 为什么它只让水分子通过，却不允 许其他离子或分子通过？或者为什 么就连水分子与氢离子形成的水和 质子（H3O+）也无法从中通过呢？
（二）转运机理
细胞膜通道有一个很重要的特性，就是具有选 择性，而AQP的形状，正是它只能让水分子通 过的原因。
水分子成单一纵列进入弯曲狭窄的通道，通道 中的极性与偶极力会帮助水分子旋转，以适当 的角度通过狭窄的通道，而通道中有一个带正 电的区域，会排斥带正电的粒子，便可以避免 水和质子的通过。
水孔蛋白
1AQP的发现 2AQP的功能 3AQP的结构
4AQP的调节机制
AQP的发现
1920 年代以前,人们认为水分子以扩散机理通过细胞膜,但水凭借扩散方式 通过细胞膜的通量很低以及活化能很高,难以解释水分子以很快的速度大量 通过细胞膜的现象。 1950年代，人们发现水分子可以很快地通过选择性通道进入红细胞，而其 他溶质分子和离子则不能通过红细胞膜。 此后三十年研究表明，细胞膜上的水通道是一种具有高度选择性的过滤器， 在渗透梯度的驱动下，允许水分子通过，而质子则不能通过。 1988年，阿格雷从红细胞和肾小管中分离出一种功能为治的新的膜蛋白--CHIP28（AQP1）。 1991年，经过N2段肽链测序和整个cDNA序列测定获得了蛋白质的氨基酸 序列结构，证实了这就是一直寻求的水通道。 阿格雷与他的合作者用高分辨成像技术研究AQP水通道膜 蛋白，并在2000年公布了世界第一张分辨率为0.38纳米的高清晰度立 体结构图。
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
PPT学习交流
46
• 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。
34
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。
PPT学习交流
35
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
志 PPT学习交流
31
PPT学习交流
32
Hill 方程
PPT学习交流
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。
水通道蛋白结构与功能的关系(教学课件)
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14、抱最大的希望，作最大的努力。2021年5月15日 星期六 2021/5/152021/5/152021/5/15
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15、一个人炫耀什么，说明他内心缺 少什么 。。2021年5月 2021/5/152021/5/152021/5/155/15/2021
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16、业余生活要有意义，不要越轨。2021/5/152021/5/15May 15, 2021
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15、一个人炫耀什么，说明他内心缺 少什么 。。2021年5月 *21.5.15*May 15, 2021
•
16、业余生活要有意义，不要越轨。* *5/15/2021
•
17、一个人即使已登上顶峰，也仍要 自强不 息。*** 21.5.15
谢谢大家
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9、 人的价值，在招收诱惑的一瞬间被决定 。21.5.1521.5.15Saturday, May 15, 2021
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11、人总是珍惜为得到。2021/5/152021/5/152021/5/15May- 2115-M ay-21
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12、人乱于心，不宽余请。2021/5/152021/5/152021/5/15Saturday, May 15, 2021
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13、生气是拿别人做错的事来惩罚自 己。2021/5/152021/5/152021/5/152021/5/155/15/2021
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14、抱最大的希望，作最大的努力。2021年5月15日 星期六 **21.5.15
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15、一个人炫耀什么，说明他内心缺 少什么 。。2021年5月 *21.5.15*May 15, 2021
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16、业余生活要有意义，不要越轨。* *5/15/2021
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
蛋白质结构与功能关系ppt课件
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8
1 Gly 不同生物来源的细胞色素c中不变的AA残基
6
Gly
10
Phe
14
Cys 血红素
17
Cys
18
His
27
Lys
29
Gly
30
Pro
32
Leu
34
Gly
不变的AA残基
38
Arg
41
Gly
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25
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26
由于血红蛋白亚基之间存在大量离子键， 使其构象呈紧张态，对氧的亲和力很低，第 一个亚基与O2结合时，离子键的破坏较难， 所需要的能量较多。当血红蛋白的一个亚基 结合氧之后引起它的构象从紧张态变成松弛 态，其它的离子键也依次破坏，此时破坏离 子键所需要的能量也少，构象的变化导致血 红蛋白对氧的亲和力大大增强，因此第四个 亚基结合氧的能力比第一个大几百倍。
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5
猪胰岛素原激活成形成胰岛素示意图
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6
胰岛素：AB两条链构成，A链含21个氨基酸残基，B链含 30 个氨基酸残基，链间有两对二硫键，A链上有一对二硫键。
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7
3.功能相似的蛋白质往往能显似它们在进化上的亲缘关 系：
比较不同来源的细胞色素C发现，与功能密切相关的氨基酸残 基是高度保守的，这说明不同种属具有同一功能的蛋白质，在进 化上来自相同的祖先，但存在种属差异。
蛋白质结构与功能的关系 蛋白质的性质及其应用
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1
§ 蛋白质结构与功能的关系 § 蛋白质的理化性质 § 蛋白质的分离、纯化与测定
水通道蛋白的发现及应用讲稿
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。
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14、抱最大的希望，作最大的努力。2020年10月17日星期 六下午6时2分11秒18:02:1120.10.17
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15、一个人炫耀什么，说明他内心缺 少什么 。。2020年10月下午6时2分20.10.1718:02October 17, 2020
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16、业余生活要有意义，不要越轨。2020年10月17日星期 六6时2分11秒18:02:1117 October 2020
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。
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
直径约 0.28nm
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）
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。
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。
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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17、一个人即使已登上顶峰，也仍要 自强不 息。下 午6时2分11秒 下午6时 2分18:02:1120.10.17谢谢家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。
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11、人总是珍惜为得到。20.10.1718:02:1118:02Oct- 2017-Oct-20
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12、人乱于心，不宽余请。18:02:1118:02:1118:02Saturday, October 17, 2020
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13、生气是拿别人做错的事来惩罚自 己。20.10.1720.10.1718:02:1118:02:11October 17, 2020
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
水通道蛋白的结构与功能
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
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。
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 。20.10.1720.10.17Saturday, October 17, 2020
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10、低头要有勇气，抬头要有低气。18:02:1118:02:1118:0210/17/2020 6:02:11 PM