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水通道蛋白(Aquaporin)
香港婕斯大学 / 2016-02-26

水是世界上最大的资源和基本生活所需,然而因为全球人口持续上升,造成清洁淡水的供应逐步下降中,于是水处理的需求亦减。

在细胞中,水的处理是藉由水信道中的水信道蛋白来完成的,这种蛋白质对生命非常重要,在所有生物体,从细菌到人类体内都可以找到它。大自然历经数十亿年进化,已发展出由水信道蛋白促成的运输方式,生物藉此机制获得水。不管是每天在肾脏,人类获得数十亿公升的水,或藉由水通道蛋白将更大量的水从地球到树木、植物,水通道蛋白的膜技术是基于大自然对水的永续处理。

水通道蛋白膜的的独特选择性和高通透性,为水处理设下前所未有的水平,并大幅度降低能源的预算。此技术因其永续,及成本可负担的特性,已具有取代现今高成本水处理技术的潜力。一旦发展成熟,它在工业水处理的使用将使后代子孙在水处理方面产生极大的转变。水,是地球上人类赖以生存所需的。

长期以来, 普遍认为细胞内外的水分子是以简单扩散的方式透过脂双层膜。后来发现某些细胞在低张溶液中对水的通透性很高, 很难以简单扩散来解释。如将红血球移入低张溶液后,很快吸水膨胀而溶血,而水生动物的卵在低张溶液不膨胀。因此,人们推测水的跨膜运输除了简单扩散外, 还存在某种特殊的机制, 并提出了水通道的概念。



【专家提醒】
<研究者>
1988年Agre在分离纯化红血球细胞膜上的Rh血型抗原时,发现了一个的疏水性跨膜蛋白,称为CHIP28 ,1991年,Agre将CHIP28的mRNA注入非洲爪蟾卵中,在低张溶液中,卵迅速膨胀,并于5 分钟内破裂,纯化CHIP28置入脂质体,也得到同样结果。细胞这种吸水膨胀现象会被Hg2+抑制,而这是已知的抑制水通透处理措施。这一发现揭示细胞膜上确实存在水通道,Agre因此与离子通道的研究者Roderick MacKinnon共享2003年诺贝尔化学奖。

<水通道蛋白>
目前在人类细胞中已发现此类蛋白至少11种,被命名为水通道蛋白Aquaporin, 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。

水通道的活性调节可能具有以下途径:

通过磷酸化使AQP的活性增强;通过膜跑运输改变膜上AQP的含量,如血管加压素( 抗利尿激素) 对肾脏远曲小管和集合小管上皮细胞水通透性调节;通过调节基因表达,促进AQP的合成。

<决定水分出或入细胞>
水通过两种机制穿过膜。一种是通过脂双层的扩散。因为脂双层虽是疏水的,其中并非没有空间,水分子可以通过氢键在其中形成类似冰的结构,从而穿过膜。第二种机制是通过专一的水通道—— 水孔蛋白(aquaporin,水孔蛋白是一类膜蛋白,相对分子质量不大。植物细胞的质膜和液泡膜中各有不同的水孔蛋白。根据来自动物的水孔蛋白的研究,这类蛋白质可能是四聚体,每个亚基上各有一个小孔,水分子可以从中穿过。

水通道蛋白是一个非同寻常的发现;因为水通道是水进出细胞的关键,许多生理过程涉及体液的流动,例如出汗、排尿、发炎红肿以及流泪等等。水信道蛋白的功能使我们在炎热的夏天浓缩尿液而不致发生脱水,也能让我们在饥饿时把储存在脂肪组织的水释放出来。2003年12月,诺贝尔奖化学委员会主席本特 · 诺登这样评价:阿格雷的发现与生命有密不可分的关系,水通道蛋白是一个决定性的发现,它为人类打开一个新的领域,去研究细菌、哺乳动物和植物水通道的生物学、生理学和遗传学。目前有10多个水通道蛋白发现,它们存在于血液、肾脏、大脑。

<水通道技术应用>
国际学术界乐观估计,水通道技术的研究和应用将会打开人类长生不老的神秘大门。目前该技术已经开始使用于化妆品领域和纺织品技术领域。通过水通道技术,将人类需要的矿物金属元素通过化妆品和衣物面料和人体皮肤接触的机会渗透进人体组织之内。该技术的应用将会引发人类第一次关于自身的科学革命。目前瑞士苏黎世大学这方面的应用研究在全球处于领先位置。

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