水通道蛋白

在动作电位的产生和传导过程中，教材中有钾离子和钠离子通道蛋白的的功能。其实还有一种常见的通道蛋白—水通道蛋白，没有在教材中出现。

有时让学生熟悉相关的科技发展热点，可以帮助学生理解有关的情境材料，能帮助解释相关的问题，如肾小管能重吸收水，原因是因为有相应的结构水通道蛋白。另外，研究过程中发现，教材的选择也是实验成功的关键因素之一。

问题：水通道蛋白如何发现？研究过程和功能如何？

典型试题解析

试题：（年北京高考试题）科学家为了研究蛋白A的功能，选用细胞膜中缺乏此蛋白的非洲爪蟾卵母细胞进行实验，处理及结果见下表。

（1）将I组卵母细胞放入低渗溶液后，水分子经自由扩散（渗透）穿过膜的进入卵母细胞。

（2）将蛋白A的mRNA注入卵母细胞一定时间后，该mRNA的蛋白质进入细胞膜，使细胞在低渗溶液中体积。

（3）与Ⅱ组细胞相比，Ⅲ组细胞对水的通透性，说明HgC12对蛋白A的功能有作用。比较Ⅲ、Ⅳ组的结果，表明试剂M能够使蛋白A的功能。推测HgC12没有改变蛋白A的氨基酸序列，而是破坏了蛋白A的。

（4）已知抗利尿激素通过与细胞膜上的结合，可促进蛋白A插入肾小管上皮细胞膜中，从而加快肾小管上皮细胞对原尿中水分子的。

（5）综合上述结果，可以得出的推论。

答案：（1）磷脂双分子层（2）翻译迅速增大（3）明显降低抑制部分恢复空间结构（4）受体重吸收（5）蛋白A是水通道蛋白

解析：（1）水分子跨膜运输的方式自由（简单）扩散,通过细胞膜的基本骨架磷脂双分子层即可；（2）蛋白质是mRNA翻译得到的产物，蛋白质进入导致细胞在低渗溶液中吸收速率增大,体积迅速增大；（3）由表中数据可以知道与Ⅱ组细胞相比,Ⅲ组细胞对水的通透性明显降低,说明抑制了蛋白A的功能,比较Ⅲ、Ⅳ组的结果可以知道Ⅳ比Ⅲ水通透速率有所提高,说明试剂M能够使蛋白A的功能部分恢复,由此推测没有改变蛋白A的氨基酸序列，而是破坏了蛋白A的空间结构；（4）抗利尿激素作用需要受体结合，加快肾小管细胞的重吸收水分；（5）根据上述分析蛋白A应该是水通道蛋白。

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水通道蛋白的发现过程

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迷。

20世纪80年代中期，美国科学家彼得·阿格雷研究了不同的细胞膜蛋白，经过反复研究，他发现一种被称为水通道蛋白的细胞膜蛋白就是人们寻找已久的水通道。

为了验证自己的发现，阿格雷把含有水通道蛋白的细胞和去除了这种蛋白的细胞进行了对比试验，结果前者能够吸水，后者不能。为进一步验证，他又制造了两种人造细胞膜，一种含有水通道蛋白，一种则不含这种蛋白。他将这两种人造细胞膜分别做成泡状物，然后放在水中，结果第一种泡状物吸收了很多水而膨胀，第二种则没有变化。这些充分说明水通道蛋白具有吸收水分子的功能，就是水通道（如图）。

实验示意图

年阿格雷等在分离纯化红细胞膜上的Rh多肽时，发现了一个28kD的疏水性跨膜蛋白，称为形成通道的整合膜蛋白28（CHIP28），他们很快分离得到了这种蛋白质，并没出了氨基酸序列，年完成了其cDNA克隆，并发现这种蛋白质在吸水能力很强的肾脏和红细胞中含量特别高。

阿格雷将CHIP28的mRNA注入非洲爪蟾的卵母细胞中，在低渗溶液中，卵母细胞迅速膨胀，并于5分钟内破裂，纯化的CHIP28置入脂质体，也会得到同样的结果。

为进一步确定其功能，又将其构于蛋白磷脂体内，通过活化能及渗透系数的测定及后来的抑制剂敏感性等研究，证实其为水通道蛋白。从此确定了细胞膜上存在转运水的特异性通道蛋白，并称CHIP28为Aquaporinl（AQPl）。

细胞的这种吸水膨胀现象会被Hg2+抑制，而这是已知的抑制水通透的处理措施。年，阿格雷与其他研究人员一起公布了世界第一张水通道蛋白的高清晰度立体照片。照片揭示了这种蛋白的特殊结构只允许水分子通过。水通道的发现开辟了一个新的研究领域。这一发现揭示了细胞膜上确实存在水通道，Agre（阿格雷）因此与离子通道的研究者RoderickMacKinnon（麦金农）共享年的诺贝尔化学奖。

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水通道蛋白的功能

目前在人类细胞中已发现的此类蛋白至少有11种，被命名为水通道蛋白（AQP），均具有选择性的让水分子通过的特性。在实验植物拟南芥中已发现35个这类水通道。

目前已知哺乳类动物体内的水通道蛋白有十三种，其中六种位于肾脏，但科学家对于其他水通道蛋白的存在仍有疑虑。最受