小龍醫師館

淺介水通道 water channel

　　人體內約 70％ 的成分是水，與生命有關的生化反應都在水中發生，因此，水分子進出細胞膜之調控顯得格外重要。

　　然而水分子進出細胞需消耗能量嗎? 長期以來，普遍認為細胞內外水分子是以simple diffusion方式通過雙層膜。後來發現某些細胞在低滲溶液中對水的通透性很高，很難以簡單擴散來解釋。如將RBC移入低滲溶液後，很快吸水膨脹而發生溶血；水生動物的卵母細胞在低滲溶液不膨脹。因此，人們推測水分子進出胞膜除了simple diffusion外，還存在某種特殊的機制。

　　由於生化學領域及生物資訊的急速發展，蛋白質種類也愈來愈多為我們所認識。1957年第一個蛋白質肌紅素的立體結構被確認以來，目前約有二萬二千多個蛋白質的立體結構被瞭解。1988年，MacKinnon用Ｘ射線晶體成像技術獲得世界第一張ion channel高清晰度照片，他所解出的channel源自於鏈黴菌株( Streptomyces liridans )的K+ channel蛋白，並將其命名為 KcsA。同年，Agre從RBC分離出一種蛋白質，稱CHIP28 (Channel-Forming integral membrane protein，分子量為28000 )，而在Kidney中也分離出相同的蛋白質，1991年得到CHIP28的cDNA 序列後，他進一步實驗，揭示了細胞膜上存在水通道「water channel」膜蛋白，並命名為「aquaporin（AQP）」。Agre發現「water channel」，而MacKinnon的貢獻是在「ion channel結構與作用機制上的研究」，二人於2003年共同榮獲諾貝爾化學獎。 　　2000年，Agre找出water channel三維結構高解析影像，其作用機制終於被瞭解：水分子之間的氫鍵作用，使得“排成一列”的水分子成為具有協同作用水分子鏈。aquaporin構造會讓水分子“排成一列”進入彎曲狹窄的通道中，channe中極性與偶極力會將水分子旋轉，水分子以適當的角度通過channel。channel中有一個區域會排斥帶正電荷離子，使H3O+無法通過。在腎臟中，血管加壓素(又稱抗利尿激素，ADH)作用在遠曲小管和集合管細胞膜上的V2受體(arginine vasopressin receptor-2，AVPR-2 )，使Gs蛋白與腺苷酸環化酶互相作用，導致細胞內cAMP增加，從而啟動蛋白激酶A(PKA)。PKA活化了Aquaporin-2，使其附著在apical menbrane上，形成water channel，增加水的再吸收。

　　Agre發現的water channel並不是存在所有的細胞膜上。到目前為止，在人體內與water channel相似的蛋白質至少就有 11 種，在動物中如腎臟、眼睛、腦中都存在，其中在kidney上 AQP1 和 AQP2 二種water channels每天分別自尿液中重吸收 70％及10％總共100 ~ 150 公升的液體。在實驗植物擬南芥（Arabidopsis thaliana）中已發現35個以上這類water channel。

因此，水通過細胞膜有2種方式：
(1) 沒有water channel存在的時候，以自由擴散通過。
(2) 在有water channel存在的時候，由於通過water channel速率快得多，所以實質上主要是以facilitated diffusion。
請記住，facilitated diffusion運輸特點 包括：
(1) 比simple diffusion轉運速率高
(2) 存在最大轉運速率；在一定限度內運輸速率與物質濃度成正比。超過一定限度，濃度再增加，運輸量也不會增加。因為此時膜上carrier蛋白的結合位點已達飽和
(3) 有特異性，即與特定溶質結合。這類特殊的carrier蛋白主要有ion carrier和channel蛋白（包括 ion channel和water channel）兩種類型。

許多kidney和遺傳的疾病都和water channel有關，例如腎性尿崩症就是water channel蛋白缺陷所引起的疾病。 膜通道蛋白能夠選擇性的讓水分子、離子或其他小分子通過細胞膜。這些膜蛋白在參與腎臟水分再吸收、神經訊息傳遞、肌肉收縮、對滲透壓改變的反應扮演重要的角色。

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