水通道蛋白结构与功能关系.ppt

水通道蛋白水通道蛋白结构与构与功能关系功能关系一、水通道蛋白的重要性一、水通道蛋白的重要性二、水通道蛋白的发现二、水通道蛋白的发现三、水通道蛋白的结构三、水通道蛋白的结构四、对水分子的筛选机理四、对水分子的筛选机理2020/12/282一、水通道蛋白的重要性一、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（快速输运是通过细胞膜上的一种水通道蛋白（aquaporin,AQP）实现的。）实现的。在哺乳动物中，水通道蛋白大量存在于肾脏、血在哺乳动物中，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。非常重要。在植物中，水通道蛋白直接参与根部水分吸收及在植物中，水通道蛋白直接参与根部水分吸收及整个植物的水平衡。整个植物的水平衡。2020/12/283二、水通道蛋白的发现二、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在传输水和小分子溶质的通道通道“（channel）”。20世纪世纪50年代后期到年代后期到80年代中期，一些对年代中期，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。可能存在有可以传输水分子的蛋白。1988年年Agre研究组从血红细胞和肾小管中研究组从血红细胞和肾小管中分离纯化了分离纯化了CHIP28（channel-like integral membrane protein，23kDa），又被命名为），又被命名为AQP12020/12/284 注入了注入了AQP1水通道蛋白水通道蛋白mRNA的蛙卵细胞在高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，没有注入应，没有注入AQP1蛋白蛋白mRNA的蛙卵细胞则没有变的蛙卵细胞则没有变化（下一行图）化（下一行图）2020/12/285三、水通道蛋白的结构三、水通道蛋白的结构 蛋白质的功能是蛋白质的功能是通过其结构来实现的，通过其结构来实现的，要解决功能机理问题，要解决功能机理问题，必须首先解决它的结必须首先解决它的结构问题。构问题。水通道蛋白的投水通道蛋白的投影密集图显示在双磷脂膜中，影密集图显示在双磷脂膜中，4个个AQP1分子分子构成一个四聚体，每个水通道蛋白分子单体的构成一个四聚体，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。中心存在一个只允许水分子通过的通道管。2020/12/286 一个一个AQP1分子是由分子是由6个贯穿膜两面的长个贯穿膜两面的长螺螺旋构成基本骨架，其间还旋构成基本骨架，其间还有有2个嵌入但不贯穿的短个嵌入但不贯穿的短螺旋，顶对顶的结构，螺旋，顶对顶的结构，拥有保守存在的拥有保守存在的Asn-Pro-Ala（NPA）氨基酸组成单元。从短的氨基酸组成单元。从短的螺旋顶端分别延生出一螺旋顶端分别延生出一条氨基酸残基松散链分别条氨基酸残基松散链分别绕回，走向各自的膜面。绕回，走向各自的膜面。2020/12/287 AQP1水通道蛋白的通道水通道蛋白的通道结构及通道中水分子的位置。结构及通道中水分子的位置。蓝色斑点所示为水通道蛋白的蓝色斑点所示为水通道蛋白的通道管部分。通道的限制口位通道管部分通道的限制口位于中点上面于中点上面8左右的地方，由左右的地方，由His182（H182），），Arg197（R197），），Phe58（F58）和）和Cys191（C191）4个氨基酸残个氨基酸残基构成。通道管中的基构成。通道管中的4个绿色珠个绿色珠球所示为陷嵌其中的水分子位置。球所示为陷嵌其中的水分子位置。这些水分子附近的氨基酸这些水分子附近的氨基酸残基为其提供近似水环境。这残基为其提供近似水环境。这些氨基酸残基主要来自于从两些氨基酸残基主要来自于从两个不穿膜的小螺旋的顶端延生个不穿膜的小螺旋的顶端延生出的松散链出的松散链2020/12/288四、对水分子的筛选机理四、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）通道管的空间尺寸限制了比水分子大的小分子通过 构成构成AQP1水通道限水通道限制口的氨基酸残基（制口的氨基酸残基（H182，R197，F58，C191）构成）构成GlpF甘油通道限制口的氨甘油通道限制口的氨基酸残基（基酸残基（G191，R206，W48，F200）比较两者的）比较两者的侧链可以知道，侧链可以知道，AQP1水通水通道的限制口比道的限制口比GlpF甘油的甘油的小。小。2020/12/2892）通道管的溶质结合位置分布使水分子得以顺利通过）通道管的溶质结合位置分布使水分子得以顺利通过 当一个水分子要通过直径为当一个水分子要通过直径为2.8的水通道的水通道狭口时，它必须剥除其周围与之水合的水分子，狭口时，它必须剥除其周围与之水合的水分子，而在狭口周围，极性的而在狭口周围，极性的H182，R197残基以及残基以及C191，G190，G192主链主链上的上的羰基氧为其提供羰基氧为其提供了可以形成氢键的替代组元。使得这种去水合了可以形成氢键的替代组元。使得这种去水合过程在能量上成为可行。过程在能量上成为可行。通道管中分布了可结合水分子的亲水位点，通道管中分布了可结合水分子的亲水位点，使得水分子通过整个通道的能量大大降低，水分使得水分子通过整个通道的能量大大降低，水分子可以顺利通过整个通道管。子可以顺利通过整个通道管。2020/12/28103）通道管有限度的亲和水环境阻碍水溶液中离子的通过）通道管有限度的亲和水环境阻碍水溶液中离子的通过 离子与水分子之间的水合作用比水分子之离子与水分子之间的水合作用比水分子之间大得多。间大得多。AQP1水通道的通道管中，主要来水通道的通道管中，主要来自于两条松散氨基酸链条的水合水分子替代位自于两条松散氨基酸链条的水合水分子替代位置不足上述置不足上述KcsA钾通道过滤管的一半。对于钾通道过滤管的一半。对于水分子通道管的狭口及大部分通道管部分而言，水分子通道管的狭口及大部分通道管部分而言，只脱去部分水合水分子的离子水合物尺寸太大，只脱去部分水合水分子的离子水合物尺寸太大，无法通过通道的无法通过通道的2.8的狭窄口。的狭窄口。2020/12/28112020/12/28122020/12/28132020/12/2814