【关键词】水通道蛋白，法医病理学
【中图分类号】q503；d919．1
【文献标识码】b
【文章编号】1007 9297(2004)01—0053—03
一
、水通道蛋白的发现
水是生物机体细胞的主要成分，每时每刻有大量的水分子
通过细胞膜进出细胞。在90年代以前，对于水分子的转运机
制，主要有两种理论解释，一种是水分子的简单扩散学说，认为
细胞内外渗透压差是其动力源，需要较高的阿里纽斯活动能
(arrhenius activation energy，以下简称ea)，一般ea> 10 keal／
mol，达到平衡时渗透率(coefficient of osmotic permeability，简称
pf)与扩散率(coefficient of diffusional permeability，简称pd)趋于
相等，不能被汞等通道蛋白阻断剂所抑制。但水分子简单扩散
理论不能解释一些生理现象，如尿的浓缩、pf／pd> 1时水的转
· 法医学理论与实践·
运及有些细胞水转运可被通道蛋白阻断剂抑制等，所以就产生
了另一种理论，认为细胞膜上存在水分子转运的特殊通道，即水
通道学说。水分子通过该通道进出细胞，水通过水通道时需要
的ea较低，一般ea<5 kcal／mol。但限于当时的技术条件，一直
未能证实水通道的存在。_1 j1988年agre等 在纯化人的红细
胞膜上rh蛋白时，偶然发现了一种新的膜蛋白，分子量约28 kd
左右，属于一种内在膜整合蛋白(channel forming integral mem—
brane protein，简称chip28)。1991年chip28的cdna 分子克
隆成功，并成功地将chip28体外转录合成的cdna转染非洲
爪蟾的卵母细胞，结果发现转染后的卵母细胞在低渗透溶液中
很快膨胀，并最终破裂。[ ， 又将chip28嵌入脂质体进行实验，
能明显加快水的转运_8]，从而证实chip28对水有特殊通透性：
1993年arge将这种内在膜整合蛋白正式称为水通道蛋白
(aquaporins，简称aqps)。[ ]目前已发现9种水通道蛋白亚型，
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按顺序分别命名为aqpa～aqp9，它们形成一个aqps家族，考
虑到以前发现的一种膜内在蛋白，又称mip(major intrinsic protein，
简称mip)，也对水有一定的通过作用，有些学者把它也归
入水通道蛋白家族中，取名为aqpo：
二、aqps的结构
aqps为细胞膜上的一种糖蛋白，分子量为30 kd 左右。
aqps家族的结构主要是通过对aqpa的疏水性分析研究推测
出来的，aqpa的蛋白结构研究得最清楚，它的一级结构为含6
个螺旋的单肽链，连续跨膜6次，含3个胞外环(a、c、e)和2个
胞内环(b、d)，b环和e环具有疏水性，b环位于细胞内侧，e环
位于细胞外侧，其余3个环为亲水性，它们均存在细胞膜脂质层
中，其氨基端(nh2一)和羧基端(cooh一)位于细胞内，整个
aqp分子前后两部分在序列上相似，呈对称的镜像结构，并且b
环和e环均具有天冬酰氨酸一哺氨酸 丙氨酸基本单元
(apa)，apa为aqp家族的共有特征结构，对水的通透性具有
决定性作用。l6 通过对整合有chip28分子的脂质体进行标记重
组、冰冻蚀刻及形态学测量等方法研究，证实aqps蛋白在细胞
膜上以四聚体形式存在，每个单体单独形成一个水通道，b环和
e环各形成半个水通道，它们在细胞膜脂质分子层中相互重叠形
成一个完整的水通道。l1 n j
有些水通道对含汞试剂敏感，其功能可被汞试剂抑制。这
是因为这些水通道蛋白的npa前序列中存在189一半胱氨酸残
基，该残基为汞的特异性结合位点，一旦汞试剂与这个位点结
合，就可抑制水通道。在现在已知的aqps家族中，只有a0p4
和aop7的npa前序列不含189一半胱氨酸残基，它们为汞不
敏感性水通道蛋白。_7·lo 3
三、aqps的功能与调节
aqps对水有选择性性通透作用，将体外转录合成的水通道
cdna注入非洲爪蟾的卵母细胞和嵌入脂质体进行实验，证明水
的渗透率(pf)呈数十倍地增加，c 6-8]从而证实aqps对水有特殊
通过性。aqps对各种离子不具有通过性，_1 3_它们的功能不受
温度、质膜成分的影响，但有的研究证实aqp3和aqp7对甘油
和尿素等有机小分子有一定的通过性，并且它们的核苷酸序列
也很相似，[14, ]可据此将aqps家族分为两个亚家族，即aqp3
和aqp7为一个亚家族，其余aqps为另一个亚家族。
对aqps的调节存在长期和短时调节之分。长期调节作用
在核酸转录水平上，主要表现为aqps的mrna合成增加，蛋白
表达量增强，如皮质醇类激素可以从该水平上增加aqp1的表达
等。[ ]短时调节主要表现为细胞浆内的囊泡等膜单位短时与细
胞膜融合，它们膜上的aqps转移到细胞膜上，导致细胞膜单位
面积上aqps的量短时增加，如当受到加压素的作用时，肾组织
细胞浆中的囊泡与肾脏细胞顶端膜融合，使囊泡中的aqp2转移
到胞膜中发挥作用，一旦刺激消失，又通过形成囊泡载体，aqp2
返回到胞浆中，从而减少细胞膜上的aqp2，水通透性降低，所以
这种短时调节机制又称为“穿梭机制”。 l
四、aqps的组织分布
水通道蛋白在人类妊娠早期就开始表达，胎儿12周龄时就
可以检测到，36周龄时aqps表达明显增加，出生时其红细胞和
肾小管中的aqps表达量就几乎与成人相等，而在小鼠的表达需
出生后1～2个月