文档介绍：药理学
pharmacology
第二十四章利尿药和脱水药
水通道的生物学及可能的调节药物
第一节体内水的转运和水通道的发现
水是细胞维持正常的生理功能不可缺少的组成部分。在消化、呼吸、体温调节、毒物的清除以及神经内环境稳定等许多生理活动中都存在水的跨膜转运。
四十年前,人们一直认为水的跨膜转运是通过简单扩散完成的。水分子通过磷脂双分子层的活化能Ea约为10cal/mol,然而有研究发现水通过红细胞膜的活化能Ea小于5cal/mol。人们猜测,红细胞膜表面可能存在介导水转运的孔道,因此能在如此低的能量下完成水的转运。
二十年以前, 研究发现晶状体的内环境稳定依赖于一种存在于晶状体纤维细胞细胞膜上特殊通道蛋白,经过鉴定该蛋白的分子量为26kDa,属于主体内在蛋白(Major intrinsic protein, MIP),具有亲水性。氨基酸序列测定的结果表明,它具有六个跨膜结构,五个长度不同的襻,其中三肽基元序列天冬酰胺-脯氨酸-丙氨酸(Asn-Pro-Ala,NPA)存在于两个最长的襻中,蛋白的C末端和N末端具有同源性。这种蛋白的结构与现在所认识的水通道蛋白结构具有相似性,目前也将该蛋白称为水孔蛋白-0(Aquaporin-0,简称AQP0)。它是水通道最早的雏形。但是当时并没有认识到它有水通道的功能。
直到十年前,Agre及其同事在对红细胞Rh血型抗原核心多肽32kDa的纯化时,从人红细胞膜中意外发现一种分子量为28kDa,含有亲水性氨基酸的未知多肽。这种蛋白存在的形式有两种: 一种为非糖基化形式,分子量为28kDa;另一种为N-糖基化形式,分子量为40-60kDa。研究者起初设想为Rh抗原的蛋白分解物,采用兔抗血清反应,表明与Rh抗原无关。这种蛋白最初被命名为CHIP28(28kD Channel-forming integral membrane protein),即现在的水孔蛋白1(Aquaporin-1,AQP1)。当时该蛋白的功能尚未明确。后来,他们完成了对
CHIP28的分子克隆,阐明了其cDNA的分子组成。1991年10月,他们又成功地完成了对该蛋白的功能鉴定,将这种蛋白的编码序列插入到非洲爪蟾的β珠蛋白cDNA的5’和3’非翻译序列中构成表达构建,经体外转录得到cRNA,并将其注射到非洲爪蟾卵母细胞中(Xenopus laevis oocyte),在低渗溶液中观察细胞体积的变化。结果发现注射卵母细胞表达CHIP基因后细胞体积增加,当达到30%~50%时,全部破裂。以上实验表明,CHIP28参与了水的转运。现在,水通道蛋白又可称为水孔蛋白(Aquaporins,AQPs)。CHIP28 是第一个被证实的水通道蛋白,故称为AQP1。Agre由于最早发现并证实了细胞膜水通道的功能而获得2003年诺贝尔化学奖。现在的研究发现,在哺乳动物中有至少11种AQPs亚型,在植物、微生物、脊椎动物和无脊椎动物中已经发现了200多种水通道亚型。
目前认为,水的跨膜转运有两种基本方式:(1)穿越膜脂质双分子层的简单扩散;(2)水通道介导的水转运。
(一)穿越膜脂质双分子层的简单扩散所有组织细胞膜都允许水的简单扩散。不同组织,其扩散通透性系数差异不大。在等渗条件下,采用核磁共振或同位素技术,可以检测到水的简单扩散。水的扩散通透性不受药理学控制,但膜脂质的分子组成则影响水的简单扩散;在高温条件下,当脂质流动性增加时,会产生大量水的转移。
(二)水通道介导的水转运水通道是水分子在溶液渗透压梯度的作用下跨膜转运的主要途径。借助水通道,水可以由低渗向高渗溶液中转运。
第二节水通道的分类
目前发现在哺乳动物中发现的11种水通道蛋白,分别命名为AQP0、AQP1、AQP2、AQP3、AQP4、AQP5、AQP6、AQP7 、AQP8、AQP9和AQP10。按其功能,哺乳类动物AQPs可以分为两类(见图1)。第一类,主要包括AQP0、 AQP1、 AQP2、AQP4、AQP5和AQP6,只能通透水,属于经典的选择性水通道,英文名称为water-selective channels (或orthodox aquaporins)。第二类,主要包括AQP3、 AQP7和AQP9, 对水有高通透性,同时也能通透甘油、尿素和其他的小分子,英文名称为Aquaglyceroporins。从种系上讲,这两类AQPs功能的明显差异可能起源于细菌,因为细菌既具有一个水通道基因(aqpZ in ),也存在一个甘油转运子基因(glpF in E. coli)。但是这些AQPs在生理学上的差别是否与结构的差别有关还不十分清楚,如AQP8位于水选择型和甘油渗透型之间,其功能上的定义还未明确。
图1 存在于哺乳动物水通道(Mammal