细胞膜水通道蛋白质家族的基本成员之一－－水通道蛋白-1(aquaporin 1 ,AQP1)的结构已在2.2埃（10亿分之22米）的分辨率水平上被确定。这个精巧而简单的结构使得AQP1可以极为 迅速地运输水分子出入细胞膜，同时又有效阻止其它任何物质——甚至包括质子核——氢离子的通过。

    来自Lawrence Berkeley国家实验室生命科学分部的生物物理学家Bing Jap领导他的研究小组克服重重困难，终于成功 制备这个细胞膜蛋白质晶体，随后通过加州柏克力Berkeley实验室的先进光源（Advanced Light Source）系统的Beamline 5.0.2 X射线衍射技术破解了这个晶体结构之谜。研究结果发表在2001年12月20日的《自然》杂志上。

    从细菌细胞到人体组织内的各种细胞，几乎所有细胞的细胞膜上都隐含着快速运输水分子进出细胞的孔道。体温、消化、繁殖、眼压以及肾脏中的水平衡都仅仅是人体内依赖于细胞水通道正确行使功能的多个过程中的几种。

   “细胞膜蛋白是一大类蛋白质，人体内约有30％的基因是编码这类蛋白质的。但它们的难以结晶是出了名的，目前只有少数几个的结构在高分辨率的水平上被 解构。”Jap 说。

    电镜晶体学可利用小晶体，以前曾利用这项技术在4埃的分辨率水平上观察AQP1。在此分辨率水平上， 不可能观察到水分子个体，因而一些重要特征可能被遗漏或错误识别。

    Jap 和他的同事 制备牛红血球细胞中的AQP1结晶，其结构与人体和其它动物细胞中的AQP1极为相似。研究人员从“几加仑血液中”提取出足够制成0.2毫米晶体的AQP1蛋白，适合“先进光源”的X射线晶体学。

    “AQP1非常有趣，因为它对于水分子具有如此之大的特异性。”Jap说。“问题的关键在于它是如何取得这样的特异性的。理论家们提出过许多观点，但在我们看到高分辨率的结构之前，没人知道其中的秘密。”

    就结构而言，AQP1是一个由4个亚基组成的集合体，每一亚基都具有3个主要结构特征：每个 亚基在细胞膜外部都有一个入口，或称“门廊”，通过一个长而窄的孔道与细胞内部的类似结构相连。

    “AQP1特异性的秘密是双重的：通过这种结构它选择通过分子的尺寸和化学性质。”Jap说。“这个孔道非常窄小，只能容纳水分子大小的分子。它还有一个化学过滤装置用来阻止体积小于水分子的 其他分子进入，这个过滤装置是由孔道内壁特异定向和分布的氨基酸残基形成的。”

     附着在水分子上的分子试图进入通道时被剥离，带电的部分和净电荷一同留在外面。“过滤装置 强烈排斥所有带电分子或离子，甚至小到一个质子核也会被拒之门外。”Jap解释。

    研究小组的另外一名成员Peter Walian接着解释说，通道迅速转移水分子的能力也与氨基酸残 基沿孔壁独特的分布有关。“这是一个分裂对立的环境，一半亲水，一半疏水。”也就是说，一半欢迎水的加入，另一般则排斥。“水分子可以稳定地进入是因为亲水部分的缘故，但疏水区域的作用是防止水分子之间结合过密。”

    因此，水分子，也只有水分子才能自由进出AQP1的孔道，水分子的流向只取决于细胞内外相对压力的变化。“这个机制妙极了。”Walian赞叹道：“值得注意的是，以前从来没人想到会是这样。”

   “这就是生物结构的伟大之处。”Jap说：“它告诉我们大自然的解决方案是多么简单。”

   “AQP1水通道特异运输水分子的结构基础”一文由Haixin Sui、 Bong-Gyoon Han、 John K. Lee、 Peter Walia和Bing K. Jap共同完成，发表于2001年12月20日的《自然》杂志上。

生物通摘译自BIO.COM 201-12-19