拓展:水通道蛋白的發現過程和生理作用

2021-02-13 學甫無境

試題：（2012年北京高考試題）科學家為了研究蛋白A的功能，選用細胞膜中缺乏此蛋白的非洲爪蟾卵母細胞進行實驗，處理及結果見下表。

（1）將I組卵母細胞放入低滲溶液後，水分子經自由擴散（滲透）穿過膜的         進入卵母細胞。

（2）將蛋白A的mRNA注入卵母細胞一定時間後，該mRNA        的蛋白質進入細胞膜，使細胞在低滲溶液中體積         。

（3）與Ⅱ組細胞相比，Ⅲ組細胞對水的通透性       ，說明HgC12對蛋白A的功能有         作用。比較Ⅲ、Ⅳ組的結果，表明試劑M能夠使蛋白A的功能        。推測HgC12沒有改變蛋白A的胺基酸序列，而是破壞了蛋白A的        。

（4）已知抗利尿激素通過與細胞膜上的        結合，可促進蛋白A插入腎小管上皮細胞膜中，從而加快腎小管上皮細胞對原尿中水分子的       。

（5）綜合上述結果，可以得出        的推論。

答案：（1）磷脂雙分子層 （2）翻譯  迅速增大  （3）明顯降低    抑制  部分恢復    空間結構  （4）受體  重吸收   （5）蛋白A是水通道蛋白

解析：（1）水分子跨膜運輸的方式自由（簡單）擴散,通過細胞膜的基本骨架磷脂雙分子層即可；（2）蛋白質是mRNA翻譯得到的產物，蛋白質進入導致細胞在低滲溶液中吸收速率增大,體積迅速增大；（3）由表中數據可以知道與Ⅱ組細胞相比,Ⅲ組細胞對水的通透性明顯降低,說明抑制了蛋白A的功能,比較Ⅲ、Ⅳ組的結果可以知道Ⅳ比Ⅲ水通透速率有所提高,說明試劑M能夠使蛋白A的功能部分恢復,由此推測沒有改變蛋白A的胺基酸序列，而是破壞了蛋白A的空間結構；（4）抗利尿激素作用需要受體結合，加快腎小管細胞的重吸收水分；（5）根據上述分析蛋白A應該是水通道蛋白。

生物體的主要組成部分是水溶液，水溶液佔人體重量的70%。生物體內的水溶液主要由水分子和重量的70%。生物體內的水溶液主要由水分子和各種離子組成。它們在細胞膜通道中的進進出出可以實現細胞的很多功能。

20世紀50年代中期，科學家發現，細胞膜中存在著某種通道只允許水分子出入，人們稱之為水通道。因為水對於生命至關重要，可以說水通道是最重要的一種細胞膜通道。儘管科學家發現存在水通道，但水通道到底是什麼卻一直是個迷。

20世紀80年代中期，美國科學家彼得·阿格雷研究了不同的細胞膜蛋白，經過反覆研究，他發現一種被稱為水通道蛋白的細胞膜蛋白就是人們尋找已久的水通道。

為了驗證自己的發現，阿格雷把含有水通道蛋白的細胞和去除了這種蛋白的細胞進行了對比試驗，結果前者能夠吸水，後者不能。為進一步驗證，他又製造了兩種人造細胞膜，一種含有水通道蛋白，一種則不含這種蛋白。他將這兩種人造細胞膜分別做成泡狀物，然後放在水中，結果第一種泡狀物吸收了很多水而膨脹，第二種則沒有變化。這些充分說明水通道蛋白具有吸收水分子的功能，就是水通道（如圖）。 

實驗示意圖

1988年阿格雷等在分離純化紅細胞膜上的Rh多肽時，發現了一個28kD的疏水性跨膜蛋白，稱為形成通道的整合膜蛋白28（CHIP28），他們很快分離得到了這種蛋白質，並沒出了胺基酸序列，1991年完成了其cDNA克隆，並發現這種蛋白質在吸水能力很強的腎臟和紅細胞中含量特別高。

阿格雷將CHIP28的mRNA注入非洲爪蟾的卵母細胞中，在低滲溶液中，卵母細胞迅速膨脹，並於5分鐘內破裂，純化的CHIP28置入脂質體，也會得到同樣的結果。

為進一步確定其功能，又將其構於蛋白磷脂體內，通過活化能及滲透係數的測定及後來的抑制劑敏感性等研究，證實其為水通道蛋白。從此確定了細胞膜上存在轉運水的特異性通道蛋白，並稱CHIP28為Aquaporinl（AQPl）。

細胞的這種吸水膨脹現象會被Hg2+抑制，而這是已知的抑制水通透的處理措施。2000年，阿格雷與其他研究人員一起公布了世界第一張水通道蛋白的高清晰度立體照片。照片揭示了這種蛋白的特殊結構只允許水分子通過。水通道的發現開闢了一個新的研究領域。這一發現揭示了細胞膜上確實存在水通道，Agre（阿格雷）因此與離子通道的研究者Roderick MacKinnon（麥金農）共享2003年的諾貝爾化學獎。

目前在人類細胞中已發現的此類蛋白至少有11種，被命名為水通道蛋白（AQP），均具有選擇性的讓水分子通過的特性。在實驗植物擬南芥中已發現35個這類水通道。

目前已知哺乳類動物體內的水通道蛋白有十三種，其中六種位於腎臟，但科學家對於其他水通道蛋白的存在仍有疑慮。最受關注的幾項水通道蛋白比較如下：

水通道蛋白有研究主要是將來可以研發出與水通道異常引發的疾病。

很多疾病，比如一些神經系統疾病和心血管疾病 就是由於細胞膜通道功能紊亂造成的，對細胞膜通道的研究可以幫助科學家尋找具體的病因，並 研製相應藥物。另外，利用不同的細胞膜通道，可以調節細胞的功能，從而達到治療疾病的目的。中藥的一個重要功能是調節人體體液的成分和不同成分的濃度， 這些成分可以通過不同細胞膜通道調節細胞的功能。有專家認為，對細胞膜通道的研究可以為揭 示中醫藥的科學原理提供重要的途徑。

 

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