水通道蛋白

參考網站: 科學發展 http://web1.nsc.gov.tw/fp.aspx?ctNode=40&xItem=8037&mp=1


水通道的發現

    早在十九世紀中葉，人們便猜測在細胞中一定有一些特定的通道負責水或其它物質的輸送和流量的管制，在一九五○年的中期，有學者發現在細胞中有一個專司水分子進出的通道。

   在這之後的 30 年間不斷地有學者做實驗來研究和推論，結果他們得到了一個更確定的結綸是：一定有個具有某種選擇性的過濾裝置，這種過濾裝置能阻斷離子和其它物質通過細胞膜，只允許中性的水分子自由進出，而且每秒鐘所通過的水分子有成千上萬個，並且普遍存在於各種器官組織中

     但是科學家們想知道的是，這個水通道蛋白的長相究竟如何？




    這個問題一直到一九八七年都無人能解出，也沒有人能分離出單一的水通道分子。然而到了一九八八年終於有了突破性的發展，當時阿格雷從紅血球中分離出一種蛋白質，而且在腎臟細胞中也發現同樣的蛋白質，在得知這個蛋白質的胺基酸序列和 cDNA 基因序列後，他驚覺這就是大家尋覓已久的「水通道」蛋白。

        阿格雷更進一步做了些實驗來證明他的假設，在這實驗中，他比較含有這種膜蛋白與不含這種膜蛋白的細胞。當這些細胞放入水中時，那些含有這種膜蛋白的細胞會因為滲透壓之故吸收水分而漲大，而那些沒有這種膜蛋白的則沒有明顯的變化。

                  實驗中發現,含有水通道的細胞,才會吸水而漲大

       在另外一個實驗中也發現，當人造細胞上植有這種膜蛋白時，水便可以自由地進出細胞。另外，由於阿格雷知道汞離子會阻礙細胞吸收及釋放水分子，而他所發現的這個膜蛋白也會因為汞離子的存在而抑制水分子的進出，這種種的現象讓他確信這個蛋白就是真正的「水通道」。阿格雷將他所發現的膜蛋白命名為「aquaporin（AQPI）」，就是「水洞」的意思。

水通道的運作

       二○○○年，阿格雷與其他的團隊合作找出了水通道蛋白質三維結構的高解析影像。由於三維結構的解出，終於可以解釋水通道的作用機制，例如：為什麼水通道只選擇讓水分子通過，卻不允許其它離子或分子通過，就連水分子和氫離子形成的水合質子（H₃O⁺）也無法從中通過？
        原因是這種蛋白的構造會讓水分子成單一縱列進入彎曲狹窄的通道中，而通道中極性與

水分通過水通道示意圖

偶極力會將水分子旋轉，並以適當的角度幫助水分子通過狹長的通道。此外，通道中有一個帶正電的區域，這個區域會排斥帶正電的離子，如此一來，帶正電的水合質子也就無法通過。

      到目前為止，在人體內已知和所謂的水通道相似的蛋白質至少就有 11 種，而植物中的水通道更多，種類更高達 35 種以上，其中腎臟中的 AQP1 和 AQP2 二種水通道每天會自尿液中吸收 100 ~ 150 公升的水再回收至人體，進行循環利用。

水通道的重要性

        生命現象與水脫不了關係，人體內約 70％ 的成分是水，與生命有關的生理現象和生化反應都在水中發生，因此，負責調節水分子進出細胞的水通道蛋白就顯得格外重要。

        水通道對腎臟特別重要，因為腎臟每天都得從尿液中回收水分以調節體內的水含量，而這些工作都要依靠水通道來完成。尿液中的水有 70％ 藉由水通道 AQP1 回收至血液，有 10％ 的水通過另一種水通道蛋白 AQP2 然後被吸收，所以許多腎臟和遺傳的疾病都和水通道有關，例如腎性尿崩症就是水通道蛋白的缺陷所引起的。此外，某些類型的水通道也和體液的排出有關，人體若有些體液發生滯留而無法代謝，就可能會引起例如鬱血性心臟衰竭的疾病。