水分子通道蛋白的结构与功能的关系

生物大分子的结构与功能

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。

图1 水通道蛋白的投影密度图。

在双磷脂膜中,4个AOPI 水通道蛋白分子 构成一个四聚体。每个水通道分子单体的中 心存在一个只允许水分子通过的通道管。

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。

要解决一个蛋白的功能机理问题,必须首先

解出它的原子结构。

AQP1

水分子通道蛋白的结构与功能的关系

在细胞膜中以四聚体形式存在

(图1)。每个单聚体(即一个AQP1 分子)

是一个独立功能单元,中心存在一个通道管。它由6 个贯穿膜两面的长ɑ螺旋构成基本骨架,其中间有两个嵌入但不贯穿膜的短ɑ螺旋几乎顶对顶地放置着(图2)。在两个短ɑ螺旋相对的顶端各拥有一个在所有水通道家族蛋白中都保守存在的Asn-Pro-Aia(NPA)氨基酸组单元。它们使得这种顶对顶结构得以稳定存在。从两个螺旋的顶端分别延生出一条氨基酸残基松散链条分别回绕,走向各自的膜面。后面我们会看到这种短ɑ螺旋结合松散链条组成的结构单元对水通道功能非常重要。事实上,这种结构单元不仅存在于水通道蛋白中,还在其

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