自由擴散與水通道轉(zhuǎn)運在水分子跨膜運輸中的角色分工

劉丹丹 馬清瑜 潘文龍

(甘肅省臨夏回民中學 臨夏 731100)

水對細胞的生命活動至關重要，在植物胚的發(fā)育、種子萌發(fā)、哺乳動物腎近端小管重吸收水、唾液分泌等生理過程中需要大量水的快速轉(zhuǎn)運。水分子可以通過自由擴散進出細胞，也可以經(jīng)水通道蛋白轉(zhuǎn)運進出細胞。

自由擴散與水通道轉(zhuǎn)運在水分子的跨膜運輸中分別扮演著怎樣的角色呢？

1 自由擴散和水分子的跨膜運輸

1.1 水分子自由擴散的結構基礎 構成膜脂的磷脂雙分子層外部是親水的磷脂分子頭部，內(nèi)部是疏水的脂肪酸尾部。極性分子基本上不可通過內(nèi)部高度疏水的磷脂雙分子層，但水分子作為典型的極性分子卻可以通過自由擴散通過生物膜。這一方面是因為磷脂分子可以側(cè)向擴散、旋轉(zhuǎn)擴散、繞與膜平面垂直的軸左右擺動或旋轉(zhuǎn)運動等，具有一定的流動性，在膜上造成許多統(tǒng)計學上的微孔，允許水及其他小分子物質(zhì)通過。另一方面，生物膜中的磷脂除以雙分子層排列外，還具有形成多種相結構的能力： 倒六角形相是最常見的非脂雙層相結構，在這種結構中磷脂分子組裝成管狀，極性頭朝向充滿水的管腔，疏水尾巴朝外，中間形成水溶性通道[1]。

這些結構特點使得水分子可以借助于膜兩側(cè)濃度差從高濃度一側(cè)自發(fā)地擴散到低濃度一側(cè)。

2 水通道蛋白和水分子的跨膜運輸

2.1 水通道蛋白的輸水速率 水通道蛋白的存在可以使膜對水的滲透性增加10倍到100倍。Preston等[3]將水通道蛋白CHIP28(AQP1)在非洲爪蟾的卵細胞中表達，使原本不能明顯吸水的卵細胞對水的滲透能力增大，接近紅細胞對水的滲透速率，Pf約為2×10-2cm/s，遠大于對照組的滲透速率。人紅細胞的細胞膜上約有2×105個CHIP28蛋白，是紅細胞快速吸水、失水的根本原因。Zeidel等[4]發(fā)現(xiàn)滲透壓突然提高20%時，融合CHIP28蛋白的脂質(zhì)體趨于滲透壓平衡的速度可達到單純脂質(zhì)體的50倍。

2.2 水通道蛋白的結構 水通道蛋白通常是由四個亞基組成的跨膜蛋白，每個亞基都形成一個單獨的孔結構(圖1a)，包含六個跨膜區(qū)段，由五個環(huán)(A～E)連接。其中B環(huán)和E環(huán)各有一個高度保守的疏水區(qū)域，均含有精氨酸—脯氨酸—丙氨酸序列，被稱為NPA模塊，在水孔中心排列[5,6]。

孔結構可分為三個區(qū)域： 細胞外孔腔、包含選擇性過濾器的狹隘的孔區(qū)域和細胞內(nèi)孔腔。這三個區(qū)域形成一個沙漏形狀的水滲透通路，稱為“沙漏模型”(圖1b)。水通道的孔區(qū)域有三個特點： ①大小限制，沙漏模型最窄處的直徑只有2.8 ?，只能讓水分子以單列縱隊通過；②靜電排斥，排列在水孔的陽離子殘基對帶正電荷的分子有靜電排斥，因此水合氫離子(H3O+)也不能通過水孔；③水偶極取向，水分子通過氫鍵與通道中央的兩個天冬氨酸殘基的側(cè)鏈結合，降低了跨越強疏水通路的能量障礙。這些特點決定了水通道能快速和選擇性地轉(zhuǎn)運水，而把H3O+形式的質(zhì)子和其他離子排除在外。水通道蛋白介導的水分子跨膜轉(zhuǎn)運中，Pf值遠大于水的擴散滲透系數(shù)Pd。一個水通道具有極高的單位水滲透度，每秒可以透過1×1010個水分子[5,7]。

a

b

2.3 水通道蛋白的種類及其在物種間的分布 水通道蛋白大體可以分為三個亞族： ①CAQP，經(jīng)典的水透過性水通道蛋白；②AQGP，可透過甘油的水—甘油通道蛋白，在第二個NPA模塊中含有標志性的D(天冬氨酸)殘基；③SAQP，水通道蛋白超基因家族，在第二個NPA模塊的下游含有標志性的C(半胱氨酸)殘基。

植物中僅含有CAQP水通道蛋白亞族，CAQP和AQGP在細菌、動物中均有分布，而SAQP只分布于無脊椎動物和脊椎動物中[8]。需要注意的是，植物水通道蛋白內(nèi)部多樣性更高，可進一步分為： 質(zhì)膜水孔蛋白(PIPs)、液泡膜水孔蛋白(TIPs)、類NOD-26膜內(nèi)在蛋白(NIPs)、小分子堿性膜內(nèi)在蛋白(SIPs)、未分類的X膜內(nèi)在蛋白(XIP)五個亞族[6,8]。

2.4 水通道蛋白的組織特異性分布和功能調(diào)控 水通道蛋白的分布和調(diào)節(jié)具有細胞或組織的特異性，調(diào)控細胞對水的滲透性及進出細胞的水流量。例如，腎近曲小管、髓袢降支細管細胞上有AQP1集中分布，用于水的重吸收，血管內(nèi)皮細胞上也有AQP1大量分布，促進毛細血管對水的高滲透性[2,9]。在植物中，PIP和TIP家族的水通道蛋白在植物根部的表達量遠高于葉片等部位。SIPs和NIPs在植物各組織中普遍表達，但表達水平較低[10,11]。

水通道蛋白的調(diào)節(jié)方式大致分為3種： ①轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)，部分水通道蛋白是組成型表達，另一些水通道蛋白的表達受環(huán)境因素的調(diào)節(jié)，如干旱、鹽度、激素等[10,12,13]；②翻譯后水平的調(diào)節(jié)，細胞通過磷酸化、糖基化、異聚化、蛋白酶解加工等調(diào)控水通道蛋白的構象與活性；③AQP的分布調(diào)控，通過水通道蛋白在胞內(nèi)貯存囊泡與細胞膜之間不斷地循環(huán)，調(diào)節(jié)膜對水的通透性[6,14]。

3 自由擴散與水通道轉(zhuǎn)運的角色分工

水分子透過膜脂的自由擴散只受滲透壓梯度的影響，在細胞膜上隨時隨地進行著，維持細胞對水的基礎轉(zhuǎn)運量。而細胞膜上水通道蛋白的存在是細胞快速、大量轉(zhuǎn)運水的先決條件。且與脂雙層有限的調(diào)節(jié)能力相比，水通道蛋白有不同水平的調(diào)節(jié)能力，保證了機體在細胞內(nèi)和細胞間對水分需求的調(diào)節(jié)。

這兩種方式互相補充，與離子等物質(zhì)的轉(zhuǎn)運協(xié)調(diào)配合，既使細胞內(nèi)的滲透壓相對穩(wěn)定，又滿足特殊組織或特定條件下細胞對大量水分子快速轉(zhuǎn)運的有效調(diào)節(jié)。