自由扩散与水通道转运在水分子跨膜运输中的角色分工

刘丹丹 马清瑜 潘文龙

(甘肃省临夏回民中学 临夏 731100)

水对细胞的生命活动至关重要，在植物胚的发育、种子萌发、哺乳动物肾近端小管重吸收水、唾液分泌等生理过程中需要大量水的快速转运。水分子可以通过自由扩散进出细胞，也可以经水通道蛋白转运进出细胞。

自由扩散与水通道转运在水分子的跨膜运输中分别扮演着怎样的角色呢？

1 自由扩散和水分子的跨膜运输

1.1 水分子自由扩散的结构基础 构成膜脂的磷脂双分子层外部是亲水的磷脂分子头部，内部是疏水的脂肪酸尾部。极性分子基本上不可通过内部高度疏水的磷脂双分子层，但水分子作为典型的极性分子却可以通过自由扩散通过生物膜。这一方面是因为磷脂分子可以侧向扩散、旋转扩散、绕与膜平面垂直的轴左右摆动或旋转运动等，具有一定的流动性，在膜上造成许多统计学上的微孔，允许水及其他小分子物质通过。另一方面，生物膜中的磷脂除以双分子层排列外，还具有形成多种相结构的能力： 倒六角形相是最常见的非脂双层相结构，在这种结构中磷脂分子组装成管状，极性头朝向充满水的管腔，疏水尾巴朝外，中间形成水溶性通道[1]。

这些结构特点使得水分子可以借助于膜两侧浓度差从高浓度一侧自发地扩散到低浓度一侧。

2 水通道蛋白和水分子的跨膜运输

2.1 水通道蛋白的输水速率 水通道蛋白的存在可以使膜对水的渗透性增加10倍到100倍。Preston等[3]将水通道蛋白CHIP28(AQP1)在非洲爪蟾的卵细胞中表达，使原本不能明显吸水的卵细胞对水的渗透能力增大，接近红细胞对水的渗透速率，Pf约为2×10-2cm/s，远大于对照组的渗透速率。人红细胞的细胞膜上约有2×105个CHIP28蛋白，是红细胞快速吸水、失水的根本原因。Zeidel等[4]发现渗透压突然提高20%时，融合CHIP28蛋白的脂质体趋于渗透压平衡的速度可达到单纯脂质体的50倍。

2.2 水通道蛋白的结构 水通道蛋白通常是由四个亚基组成的跨膜蛋白，每个亚基都形成一个单独的孔结构(图1a)，包含六个跨膜区段，由五个环(A～E)连接。其中B环和E环各有一个高度保守的疏水区域，均含有精氨酸—脯氨酸—丙氨酸序列，被称为NPA模块，在水孔中心排列[5,6]。

孔结构可分为三个区域： 细胞外孔腔、包含选择性过滤器的狭隘的孔区域和细胞内孔腔。这三个区域形成一个沙漏形状的水渗透通路，称为“沙漏模型”(图1b)。水通道的孔区域有三个特点： ①大小限制，沙漏模型最窄处的直径只有2.8 Å，只能让水分子以单列纵队通过；②静电排斥，排列在水孔的阳离子残基对带正电荷的分子有静电排斥，因此水合氢离子(H3O+)也不能通过水孔；③水偶极取向，水分子通过氢键与通道中央的两个天冬氨酸残基的侧链结合，降低了跨越强疏水通路的能量障碍。这些特点决定了水通道能快速和选择性地转运水，而把H3O+形式的质子和其他离子排除在外。水通道蛋白介导的水分子跨膜转运中，Pf值远大于水的扩散渗透系数Pd。一个水通道具有极高的单位水渗透度，每秒可以透过1×1010个水分子[5,7]。

a

b

2.3 水通道蛋白的种类及其在物种间的分布 水通道蛋白大体可以分为三个亚族： ①CAQP，经典的水透过性水通道蛋白；②AQGP，可透过甘油的水—甘油通道蛋白，在第二个NPA模块中含有标志性的D(天冬氨酸)残基；③SAQP，水通道蛋白超基因家族，在第二个NPA模块的下游含有标志性的C(半胱氨酸)残基。

植物中仅含有CAQP水通道蛋白亚族，CAQP和AQGP在细菌、动物中均有分布，而SAQP只分布于无脊椎动物和脊椎动物中[8]。需要注意的是，植物水通道蛋白内部多样性更高，可进一步分为： 质膜水孔蛋白(PIPs)、液泡膜水孔蛋白(TIPs)、类NOD-26膜内在蛋白(NIPs)、小分子碱性膜内在蛋白(SIPs)、未分类的X膜内在蛋白(XIP)五个亚族[6,8]。

2.4 水通道蛋白的组织特异性分布和功能调控 水通道蛋白的分布和调节具有细胞或组织的特异性，调控细胞对水的渗透性及进出细胞的水流量。例如，肾近曲小管、髓袢降支细管细胞上有AQP1集中分布，用于水的重吸收，血管内皮细胞上也有AQP1大量分布，促进毛细血管对水的高渗透性[2,9]。在植物中，PIP和TIP家族的水通道蛋白在植物根部的表达量远高于叶片等部位。SIPs和NIPs在植物各组织中普遍表达，但表达水平较低[10,11]。

水通道蛋白的调节方式大致分为3种： ①转录水平的调节，部分水通道蛋白是组成型表达，另一些水通道蛋白的表达受环境因素的调节，如干旱、盐度、激素等[10,12,13]；②翻译后水平的调节，细胞通过磷酸化、糖基化、异聚化、蛋白酶解加工等调控水通道蛋白的构象与活性；③AQP的分布调控，通过水通道蛋白在胞内贮存囊泡与细胞膜之间不断地循环，调节膜对水的通透性[6,14]。

3 自由扩散与水通道转运的角色分工

水分子透过膜脂的自由扩散只受渗透压梯度的影响，在细胞膜上随时随地进行着，维持细胞对水的基础转运量。而细胞膜上水通道蛋白的存在是细胞快速、大量转运水的先决条件。且与脂双层有限的调节能力相比，水通道蛋白有不同水平的调节能力，保证了机体在细胞内和细胞间对水分需求的调节。

这两种方式互相补充，与离子等物质的转运协调配合，既使细胞内的渗透压相对稳定，又满足特殊组织或特定条件下细胞对大量水分子快速转运的有效调节。