水是极性小分子 为什么能通过非极性磷脂双分子层 自由扩散进入细胞?好像也可以通过水通道蛋白进去 但似乎主要是自由扩散进入的_百度作业帮
水是极性小分子 为什么能通过非极性磷脂双分子层 自由扩散进入细胞?好像也可以通过水通道蛋白进去 但似乎主要是自由扩散进入的
因为有水通道的存在：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渗溶液中对水的通透性很高,很难以简单扩散来解释.如将红细胞移入低渗溶液后,很快吸水膨胀而溶血,而水生动物的卵母细胞在低渗溶液不膨胀.因此,人们推测水的跨膜转运除了简单扩散外,还存在某种特殊的机制,并提出了水通道的概念.1988年Agre在分离纯化红细胞膜上的Rh血型抗原时,发现了一个28 KD 的疏水性跨膜蛋白,称为CHIP28 (Channel-Forming integral membrane protein),1991年得到CHIP28的cDNA 序列,Agre将CHIP28的mRNA注入非洲爪蟾的卵母细胞中,在低渗溶液中,卵母细胞迅速膨胀,并于5 分钟内破裂,纯化的CHIP28置入脂质体,也会得到同样的结果.细胞的这种吸水膨胀现象会被Hg2+抑制,而这是已知的抑制水通透的处理措施.这一发现揭示了细胞膜上确实存在水通道,Agre因此而与离子通道的研究者Roderick MacKinnon共享2003年的诺贝尔化学奖.目前在人类细胞中已发现的此类蛋白至少有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（Arabidopsis thaliana）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的是细胞的水势.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.水通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.
其实表面是有孔的~~~
有水通道呗，从水通道过是不需要载体蛋白和ATP的。
磷脂双分子层是选择性吸收的，水分子正是它选择的分子，所以可以自由扩散进出细胞膜我们检测到您的浏览器未启用网页脚本功能，为了能够正常访问和显示本站内容，
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脱水蛋白在逆境下的分子作用机制研究进展&
作者：张玉秀 王
梓来源：发布时间： 10:53:39
干旱、寒冷和盐害等环境胁迫是影响植物生长发育的主要因素，植物在受到环境胁迫信号刺激后，可以表达多种响应蛋白，如转录因子、蛋白激酶、渗透调节物质合成酶、自由基清除酶、水分通道蛋白和脱水蛋白(dehydrin)等。这些基因的表达及其产物的相互作用提高了植物适应不良环境的能力。目前，许多胁迫响应蛋白的功能已确定，然而脱水蛋白的功能仍然不清楚。脱水蛋白属于 LEA (late embryogenesis abundant protein)Ⅱ蛋白家族，在种子成熟的脱水耐受过程中发挥重要作用。大部分种子在发育的晚期都要经历一个脱水的过程，然后进入休眠。即使环境中有大量的水分来源，种子细胞内的水分仍然逆水势而行。在没有经过生理脱水之前，大豆体细胞胚的萌发率很低，经过干燥处理后，萌发率大为增加，而脱水蛋白的表达与此过程紧密相关。有些种子脱水蛋白仅在胚胎发育后期大量出现，而水稻、野生稻和豌豆种子中的脱水蛋白在胚胎早期就已经开始表达，且其蛋白积累与胚胎干重的增加相平行。脱落酸(ABA)可诱导脱水蛋白的表达，ABA 缺陷型和 ABA 不敏感型突变体在种子成熟后期蛋白质合成减少，种子不耐脱水；施加外源ABA或有活性的ABA类似物后则表现正常．ABA含量分析表明在未脱水的大麦芽和根中，ABA 含量分别为100 ng/g和70 ng/g干重组织，而在脱水后分别增加到2500 ng/g和1700 ng/g，说明 ABA 和脱水蛋白参与种子成熟脱水过程。但也有相反意见，Still 发现脱水蛋白基因的表达虽然在时间上先于种子获得抗脱水的时间，但脱水蛋白的大量积累却是在种子获得抗失水能力之后，并且在抗脱水能力较强的籼稻(Oryza saltiva，含水量低达2％时种子仍能存活)和抗脱水能力较差的野生稻(Zizania plaustris，含水量低于6％时即不能存活)之间，脱水蛋白的表达量没有区别；同时，ABA 在不耐脱水的野生稻胚轴中的积累量比籼稻高两倍，因此认为种子的耐脱水能力与脱水蛋白和 ABA 的累积无关。另外，Giordani 等发现向日葵(Helianthus annuus L)的 ABA 缺失突变体 w-1中，脱水蛋白的 RNA 的积累量在胚胎发育期大为减少，而在胚胎发育后期脱水蛋白的转录水平不受 ABA 的影响。所以，有关脱水蛋白在种子脱水过程中的作用机制仍有待于进一步深入研究。脱水蛋白最初在种子中发现，随后的研究表明脱水蛋白广泛存在于细菌、藻类和高等植物的各个组织和器官中，干旱、低温和高盐等引起脱水的环境因素以及 ABA 均能诱导其在绿色组织中的表达，推测脱水蛋白在植物受到干旱失水时，能够部分替代水分子，保持细胞液处于溶解状态，从而避免细胞结构的塌陷，稳定细胞结构，尤其是膜结构；起分子伴侣和亲水性溶质的作用，在水分胁迫时稳定和保护蛋白质的结构及功能。近年来，结构研究( NMR )显示复苏植物侧茎垂头菊( C.plantagineum )重组脱水蛋白 Dsp16 具有多种松弛的构象状态。紫外吸收( Ultraviolet absorption )和圆二色谱(CD)显示大豆(Glycine max)重组脱水蛋白 rGmDHN1 在溶液中处于亲水和无结构状态，在12―80℃ 该蛋白存在无序结构和 PⅡ(poly(l-pro-line)-type)构象状态的平衡，随着温度的升高 PⅡ构象降低。因此，低温下脱水蛋白保持高度的松弛构象，可能是防止生物大分子免受冰冻、脱水、离子毒害和渗透胁迫伤害的分子基础。目前，多种脱水蛋白基因在植物中已被克隆，并在原核表达系统中获得表达，利用免疫杂交技术和转基因技术对脱水蛋白的功能和表达调控进行了广泛的研究，揭示脱水蛋白具有金属离子结合特性和抗氧化活性，本文主要综述脱水蛋白的结构、功能及其作用机制方面的研究进展。1&&脱水蛋白的一级结构特征脱水蛋白长为82―575个氨基酸残基，分子质量为9―200ku，目前已从多种植物中分离纯化了脱水蛋白，并对其氨基酸组成和序列进行了分析。豇豆幼苗35 ku的脱水蛋白富含Gly，Thr，Asp，Glu，Ser，Ash 和 Gln 等，表明该蛋白可能具有高度的亲水性。拟南芥脱水蛋白 LTI30 中，Gly，His，Lys 和 Thr 等亲水性氨基酸占总量的56％，未发现有Cys，Pro，Arg 和 Val 的存在。因此认为脱水蛋白富含 Gly 和 Lys，缺乏 Cys 和 Trp。玉米脱水蛋白G50(17.8 ku)的结构预测分析表明，无序化部分占了75％，内部缺少折叠区，受热难使其凝聚，因此在100℃以上的水溶液中仍能稳定存在，显示脱水蛋白具有热稳定性和高溶解性。脱水蛋白一级结构保守性强，具有 K，S 和 Y 等3个高度保守区域，通常以 YSK 的顺序结合在一起，中间夹有低保守性、高重复性的φ片段。Y 片段为(V/T)DEYGNP，位于 N 末端，通常有1―3个串连拷贝，推测与植物和细菌中蛋白的核定位有关口；K片段(EKKGIMDKIKEKLPG)由15个氨基酸组成，在肽链中存在1―12个拷贝，该片段序列类似于阿朴质蛋白(apolipoproteins)和α核蛋白(α-synucleins)中的脂结合 A2 型α螺旋片段，二级结构预测分析显示 K 片段可能形成α螺旋结构。例如，CD 分析显示35 ku 豇豆(Vigna unguiculata)脱水蛋白在10％ SDS 溶液中，超过15％的氨基酸形成了二级α螺旋结构，75％的氨基酸形成随机卷曲结构；另外，纯化的玉米脱水蛋白 G50 中也有15％的氨基酸形成了二级α螺旋结构。G50 没有任何疏水位点却能参与疏水相互作用，推测 K 片段形成的兼性α螺旋结构可能赋予 G50 参与疏水相互作用的潜力。因为兼性α螺旋结构同时具备亲水和疏水两种特性，脱水蛋白通过 K 片段可能参与部分变性蛋白质及膜的疏水相互作用，防止蛋白质和膜进一步变性。另外，脱水蛋白可能也和部分变性的蛋白质暴露的疏水界面相互作用，防止蛋白质在干旱或低温胁迫下产生低水势时凝聚，所以推测 K 片段形成的α螺旋结构可能是脱水蛋白维持干旱组织中蛋白质和膜稳定的结构基础。S 片段是一个可磷酸化的丝氨酸簇，一般位于 K 片段之间，或紧跟 K 片段，该片段的磷酸化可能与核定位信号有关，参与脱水蛋白的入核过程。高度极性的φ片段通过氢键与大分子的极性头部相互作用，覆盖暴露的大分子疏水表面，防止其凝结。由于φ片段的存在增加了极性氨基酸片段的比例，加强了脱水蛋白结构的亲水性，通过与极性大分子以及与核质和胞液中的低分子量组分如糖、氨基酸和水分子间的亲水性相互作用而显现出来。由于 K 片段和φ片段的存在，脱水蛋白能够通过形成一个保护层而保护变性的高分子，在各种组织中都起到稳定细胞结构的作用。脱水蛋白在胞液、细胞器和细胞核中均有分布，但是有些只存在于细胞溶质和细胞核中，因此涉及脱水蛋白的核转运过程，而定位于细胞核中的脱水蛋白可能具有调节转录的作用。尽管脱水蛋白的进核机制尚未得到完美的解释，但是某些证据显示 S 片段的磷酸化作用在脱水蛋白向细胞核运输过程中起着重要作用。如番茄脱水蛋白 TAS14 在细胞质和细胞核中均有分布，在细胞核中主要分布在常染色质和核仁中。在体内 TAS14 是一个磷酸化的蛋白质，并含有酪蛋白激酶Ⅱ(CK Ⅱ)和依赖 cAMP 蛋白激酶( cAMP-PK )的磷酸化位点，体外实验证实该蛋白可被 CKⅡ 和 cAMP-PK 磷酸化。玉米脱水蛋白 RAB17 定位在细胞质和细胞核中，含有 S 片段和类似的核定位信号( NLS )，而 CKⅡ识别位点位于 S 片段。若 NLS 序列中有两个氨基酸发生突变，则将削弱该蛋白的核转运能力；若 CKⅡ 识别位点中有3个氨基酸发生突变将阻止该蛋白的磷酸化作用，进而妨碍其入核转运，因此 S 片段的磷酸化及稳定的氨基酸组成与脱水蛋白的入核转运密切相关。小麦脱水蛋白 WCS120 家族与冰冻忍耐性相关，免疫定位实验表明该蛋白定位在根冠组织的细胞溶质和细胞核中，在逆境条件下细胞核中的 WCS120 可能具有保护转录体( transcriptional machinery )的转录作用。然而，WCS120 家族缺少 S 片段和相应的核定位信号，其向核中的运输机制不得而知，推测 K 片段可能在核转运过程中发挥作用。另外，氨基酸序列分析显示 WCS120 的富含 Gly 区域与一些病毒核蛋白同源，因此推测该蛋白可能是通过蛋白质与蛋白质之间的相互作用共转运到细胞核的。2&&脱水蛋白的分类和表达脱水蛋白在一级结构含有 Y，S，K 等3个保守片段，但并非所有的脱水蛋白均含有这些片段，根据脱水蛋白结构中含有的高度保守片段将其分为5种亚类：YnSK2，Kn，KnS，SKn 和 Y2Kn 等。我们从 GenBank 中搜索出49个脱水蛋白基因，加上我们在菜豆叶片中克隆的基因 PvSR3，利用 ClustalW 及 Treeview 软件对它们及其蛋白质进行了聚类分析()。分析结果显示脱水蛋白也分为5种亚类，与 Close 报道的一致，但有一个(苜蓿 Cas18)例外。属同一亚类的脱水蛋白处于一个大的分支，同一亚类中亲缘关系越近的脱水蛋白相距越近，并处于同一分支的两个亚分支上。菜豆 PvSR3 基因与 WCOR410、大麦酸性脱水蛋白 DHN8，拟南芥 LTI29，ERD10，ERD14 和 COR47 等 SKn 型脱水蛋白处于进化树的同一分支，具有更高的亲缘关系()。YnSK2 型脱水蛋白：在这5类脱水蛋白中，YnSK2 型脱水蛋白数量最多，通常含有1―3个 Y 片段，一个 S 片段和2个 K 片段，是碱性或中性蛋白质，主要受干旱和 ABA 诱导调节。例如大麦DHN1，DHN2，DHN3，DHN4，DHN6 和 DHN9 脱水蛋白都具有相同的 YSK2 型结构，ABA 处理或干旱胁迫可以诱导其在幼苗中的积累，而低温则不会产生这种效应。大麦脱水蛋白 DHN12 也属于这类，然而只在胚胎发育时期特异表达，任何环境胁迫都不能诱导它在其他组织中表达。玉米 DHN1 是一种 YSK2 型脱水蛋白，具有2个碱性 K 片段，能与细胞膜中的酸性磷脂反应，在低温、失水等环境胁迫时能够维持细胞膜结构的稳定。厚叶旋蒴苣苔(Boea crassifolia)线粒体 BcDh2 编码一个 YSK2 型脱水蛋白，干旱和盐胁迫以及外源 ABA 能诱导该基因的大量表达，而在低温诱导时仅有少量积累，另外当遇到损伤信号如甲基茉莉酮酸酯(Me-JA)时也有少量积累。杏仁 Parab21 编码一个 Y2SK3 型脱水蛋白，与玉米 RAB17 脱水蛋白同源，在杏仁种子中以高度磷酸化的形式存在，其表达主要受胚胎的发育程度调控，在渗透胁迫和 ABA 诱导下大量表达。拟南芥 RAB18 是富含 Gly(33％)的 Y2SK2 型脱水蛋白，分子质量为18.5 ku，等电点为7.9，ABA 处理可以诱导该蛋白大量合成。Kn 型脱水蛋白：含有2―9个 K 片段，低温、脱水和 ABA 可诱导其表达，主要与植物的耐寒能力有关。如为了适应低温环境，黑莓 K5 型脱水蛋白在花芽中大量积累。大麦 Dhn5 基因编码的 K9 型脱水蛋白在低温处理时大量表达，而在干旱和 ABA 诱导的条件下则有少量表达。软粒小麦含有 WCS120 蛋白家族，与其他蛋白的不同之处是具有富含 Gly 的序列(TGGTYQQGHTGTT)，蛋白的合成由低温特定诱导，而积累水平主要与小麦或其他谷物对寒冷的承受能力相关。大麦 P-80 与 Dhn5 相同编码一个 K9 型脱水蛋白，分子质量为80ku，主要由寒冷诱导表达，由于 K 片段形成的α螺旋可与脂质及乳酸脱氢酶(LDH)的疏水区相互作用，因此推测这两种蛋白具有细胞保护的特性，抗寒能力仅次于拟南芥 COR15a。拟南芥 lti30 编码一个 K6 型脱水蛋白，分子质量为21 ku，等电点为9.4，缺乏 Cys，Trp，Arg 和 Val，而富含Gly，His，Lys 和 Thr，寒冷胁迫可以诱导该蛋白的大量表达。KnS 型脱水蛋白：它的一个显著特征是 K 片段以 (H/Q)KEG 基序开始，而其他亚类的脱水蛋白则以 EKKG 作为起始序列。水稻 WSI724，苜蓿 CAS15，茄属 CI18 和 CPR05N21，大豆 SRC1 和 HSLYOXL7 等均属于这一亚类，主要受干旱和寒冷诱导表达。大麦 Dhn13 位于大麦4号染色体标记物 MWG634 附近，编码一个由107个氨基酸组成的 KS 型脱水蛋白，只含有一个 K 片段和一个 S 片段，半定量的反转录 PCR 实验数据显示 DHN13 在幼苗组织和处于发育阶段的种子胚胎中固定表达，当植物处于低温和冰冻时 DHN13 的转录产物显著增加，最高的转录水平出现在花粉囊中。土豆 DHN10 脱水蛋白，分子质量为13～15 ku，含有一个 K 片段和一个 S 片段，并且 S 片段位于 C 末端。土豆 DHN10 存在于正常生长植株的多个组织中，其表达主要受器官类型和叶片发育阶段的调控，在花粉中及有冷冻胁迫时表达量明显增加，在植物耐寒、耐旱、膜保护及金属结合等方面发挥作用。拟南芥 Cor15 编码一个 KS 型脱水蛋白，在水果剥落组织中持续表达，但在2℃冷藏时表达量明显减少，若用热水提前处理再置于低温冷藏则表达将维持高水平，因而 COR15 具有抗寒作用。苜蓿 Cas15a 编码一个14.5 ku 的 K2S 型脱水蛋白 CAS15，受寒冷胁迫诱导，可能在植物耐寒方面发挥作用。柑橘属 (Poncirus trifoliata)CORc115 编码一个19.8 ku 的 K3S 型脱水蛋白 COR19，具有类似于核定位信号的碱性双向序列，显示其可能具有核定位功能，寒冷、干旱和高盐均能诱导其 mRNA 的表达，在叶片组织中受寒冷胁迫诱导，但在干燥环境中蛋白的产生将被抑制。另一种柑橘属 CORc119 编码一个11.4 ku 的 KS 型脱水蛋白 COR11，与 COR19 相似，具有核定位功能，受寒冷胁迫诱导，但其 K 片段只有一个拷贝。SKn 型脱水蛋白：含有一个S片段，2个或3个 K 片段，为酸性蛋白，受低温和重金属诱导调节。例如，在 4℃ 时冬小麦中的 SK3 型脱水蛋白 WCOR410 的积累程度明显比春小麦高。编码大麦酸性脱水蛋白 DHN8 的基因在受到低温处理时表达活跃，而在干旱和 ABA 诱导处理时则少量表达。加拿大冷杉( Panax ginseng)PgDkn1 基因编码一种 SK3 脱水蛋白，低温、干旱和盐胁迫以及损伤可以增加其表达水平。豌豆(Pisum sativum L)pPsB61 编码一个 SK2 型脱水蛋白，其 mRNA 水平在干旱处理后降低，对 ABA 没有明显效果。葡萄柚( Citrus paradisi)cpdhn 基因编码一个 SK2 型脱水蛋白，低温和紫外辐射可以降低其转录水平，但 ABA 没有作用；若用热水对柚子进行预处理，可以提高 cpdhn 在低温贮存期间的表达，增强水果的抗寒能力。胡椒 (Capsicum annuum)Cadhn 基因编码一个 SK3 型脱水蛋白，水分亏缺和盐胁迫以及轻度低温处理可以调节其基因的表达。我们实验室克隆的菜豆 (Phaseolus vulgaris L.)PvSR3 编码一个 SK2 脱水蛋白，该基因主要在幼苗的根中表达，叶片和茎中表达较低，但是重金属可强烈诱导 PvSR3 的表达，而病毒侵染和盐对其作用较小。另外，PvSR3 不受干旱或 ABA 影响，受紫外线负调节。Y2Kn 型脱水蛋白：是一类酸性蛋白，通常包含2个 Y 片段及1―2个 K 片段，与植物的抗冻和耐旱有关。豌豆 DHN1，DHN2 和 DHN3，大豆 DHN5 均属于这类蛋白。大豆 rGmDHN1 是 Y2K 型脱水蛋白，其α螺旋程度随温度的变化而改变，在低温时的高度螺旋状态使之在抗冻、耐旱和防渗透等方面发挥作用。大豆 Mat1 编码一个 Y2K 型脱水蛋白，主要由干旱脱水诱导产生，而在 ABA 诱导下并无明显表达。菠菜(Spinacia oleracea L)Cap85 编码一个 YK11 型脱水蛋白，主要受低温诱导；菠菜 CAP160 与 CAP85 相似，同样受低温诱导表达，在转基因烟草中的高效表达可以提高其抗寒性。桃树 (Prunus persica)PpDhn1 编码一个 Y2K2 型脱水蛋白，也在低温诱导时大量表达。表明大部分 YK 型脱水蛋白在耐寒方面可能发挥重要作用。然而，最近的研究表明 YKn 型脱水蛋白在细胞脱水过程中具有保护作用，如球蒴藓(Physcomitrella patens)PpDHNA 编码一个 Y11K 型脱水蛋白，Northern 和 Wcstern 分析显示 ABA，NaCl 和甘露醇能上调该基因的表达，PpDHNA 基因敲除突变体在盐和渗透胁迫后恢复生长的能力降低，为脱水蛋白在细胞脱水过程中的保护作用提供了直接遗传证据。综上所述，每一亚类的脱水蛋白对不同胁迫的应答不同：碱性 YnSK2 型脱水蛋白主要受干旱和 ABA 诱导表达，不受低温诱导；Kn 型由低温和寒冷诱导；KnS 和 SKn 型等酸性脱水蛋白则优先受低温诱导；Y2Kn 型与植物抗寒和抗旱有关。这表明根据脱水蛋白的结构组成和聚类分析方法进行分类是非常合理的，当然，还有一些蛋白质尚不能明确归为某一类。例如繁缕 (Stellaria longipes) 叶脱水蛋白 H26，具有 SK3S 型片段特征，可能代表 SKn 型和 KnS 型蛋白的中间形式。菠菜 (Spinacia oleracea) 脱水蛋白 CAP85 具有 YK11 片段的结构，与其他亚类不同，K 片段并不位于 C 末端附近，共享了 Kn，Y2Kn 和 KnS 的特征。最近又出现一种新的分类方法，主要是根据脱水蛋白对寒冷胁迫的适应能力将它们分为3类。第一类中 K 片段含量较低，α螺旋程度也较低，芳香族氨基酸残基含量较高，富含 GNP 或 YGN 序列，即 Y 片段含量高，如豇豆脱水蛋白 CPRD8，CPRD14 和 CPRD22 (含有1―2个 K 片段，2―3个 Y 片段)，在高盐胁迫下大量表达，而不受寒冷胁迫的诱导。第二类含有高度的螺旋结构，其中一些原来不受寒冷胁迫诱导的蛋白经研究也可能受寒冷诱导，如谷类 DHN1(Y2K2S2) 和 DHN21 (Y2K2S2)。第三类中 K 片段含量较高，α螺旋程度也较高，并且亲水性最强，如小麦脱水蛋白 WCOR410 (7个 K 片段重复)，大麦脱水蛋白 PAF93(10个 K 片段重复)，茄属脱水蛋白 CI13 和 CI19(9个 K 片段重复)等，它们在寒冷诱导下大量表达。由此可见，对于脱水蛋白的分类还有待于进一步研究和完善。3&&脱水蛋白的分子保护机制3.1&&脱水蛋白参与细胞的渗透调节过程脱水蛋白参与细胞的渗透调节过程，可以提高植物的抗旱和抗盐性。拟南芥脱水蛋白 RAB18，在气孔闭合的细胞中可以防止气孔打开时细胞质由于渗透压增加而导致的水分丢失。拟南芥根尖积累的脱水蛋白 LTI29 和 ERD14，可以增加分生组织细胞中的水分流动。向日葵 (Helianthus annuus L)脱水蛋白基因 HaDhn1 和 HaDhn2 在干旱胁迫下的转录活性显著高于供水条件的转录活性，耐旱品种累积的转录物明显高于敏感品种，并且其累积量与耐旱品种芽细胞膨压的维持和干旱的适应性成正相关，表明干旱胁迫下细胞的渗透调节能力可能与脱水蛋白合成累积有关。桦树(Populus)脱水蛋白Peudhn1，在未胁迫的植株中仅有少量表达，而在 PEG6000 和 NaCl 处理后，该蛋白在根和叶中大量积累，并在复水后持续积累。向日葵 HaDhn1 和菠菜 CAP85 脱水蛋白与之不同，在复水后累积蛋白迅速减少或消失，表明 Peudhn1 在渗透胁迫下大量积累，不仅可能通过调节细胞内的渗透势和气孔的开度而防止细胞过度脱水，而且可能在植株的生长恢复阶段通过控制气孔的开度而参与光合作用的调节，另外，Peudhn1 在叶片中的积累比根中早5 min，推测该蛋白在叶片中的积累不受根中产生的胁迫第二信使如 ABA 的诱导，而直接通过膜的渗透感受器感知胁迫信号。在耐盐水稻品系中，ABA 诱导表达的脱水蛋白显著高于盐敏感品系。硬质小麦(durum wheat)在200 mmol/L 的 NaCl 处理3 d 时，Tdsi-5 编码的脱水蛋白家族在耐盐品种的根和叶中大量积累，而盐敏感品种在处理7 d 的才有少量积累，表明该蛋白可能参与盐胁迫下小麦细胞的渗透调节作用，另外，脱水蛋白与其他蛋白相互作用从而防止盐分胁迫导致的胞质水分减少时蛋白质间的聚集，维持细胞的正常结构。脱水蛋白能与细胞中的水分子结合，防止水分丢失，因此在维持细胞内的渗透势和细胞的正常结构发挥重要作用，详细的机制有待进一步研究。3.2&&脱水蛋白具有保护生物膜的作用可溶性物质，如甘氨酰、甜菜碱、脯氨酸和蔗糖等能够保护蛋白质等生物大分子的结构，而脱水蛋白在防止蛋白质变性作用方面可能更强，因为脱水蛋白既可以通过丰富的亲水残基与水结合成水合分子，与普通溶质一样通过排斥作用促使变性蛋白质复性，同时又可以通过疏水 K 片段形成的兼亲性α螺旋与部分变性的蛋白质及膜结合，形成新的物理界面，加强蛋白质特定结构域与小分子溶质的排斥作用，防止蛋白质及膜的进一步变性。生物膜空间结构的维持与结构水分子有关，脱水过程可能破坏水膜的完整性，缩短膜脂双层间的距离，使各成分相瓦混合，最终导致生物膜结构的不可逆改变。脱水蛋白与水膜损坏的生物膜大分子相互作用可以增强对膜结构的保护作用。小麦脱水蛋白 WCOR410 在脱水条件下聚集在细胞膜附近，氨基酸序列分析显示该蛋白中含有大量酸性及富含羟基的氨基酸，这就使其具有与膜上磷脂和类固醇相互作用的能力。脱水过程中，膜水分的丧失会改变膜的相变温度，造成不可逆损伤，而 WCOR410 的兼亲α螺旋区域将替代水分的位置，其分子内羟基与磷脂分子中的极性键形成氢键，使膜脂的状态仍类似于未脱水状态，这种情况类似于寡糖类物质在冷驯化中的作用。WCOR410 中的酸性、碱性、中性基团分别和膜脂中不同种类的膜脂分子靠次级键结合，防止脂类分子问的相互作用，从而阻止膜融合或双层膜脂向非双层膜相中的六角形Ⅱ(Hexagonal Ⅱ)相转变。另外，在盐胁迫条件下，该蛋白质中的带电基团(占43％)由相互作用转为与离子结合，形成盐桥，阻止盐类结晶，从而保护细胞膜。但是 WCOR410 脱水蛋白位于质膜的外表面和细胞间隙，伴随这种情况而出现了一个问题：WCOR410 是怎样运输的？目前还没有合理的解释。脱水蛋白不仅可以与原生质膜相互作用，还可以与细胞内膜相互作用。脱水蛋白在膜附近定位显示它们可以稳定细胞膜结构，在逆境条件下尤其重要。免疫分析显示位于胞液的玉米脱水蛋白 DHN1 在环境胁迫下大量聚集在细胞内膜附近。在冰冻胁迫下，小麦酸性脱水蛋白 COR15 也在质膜附近大量积累。玉米 DHN1 含有两个 K 片段，可形成类似 α-synueleins 的脂结合 A2 型α螺旋结构，推测该蛋白可以通过 K 片段形成的α螺旋结构与膜中的脂质小囊泡 (SUV) 结合。CD 分析显示在10mmol/L SDS 存在时其二级结构中有9％的α螺旋出现，当 DHN1 与 SUV 结合时，其螺旋程度会增高。脱水蛋白与 SUV 的结合可以减少单层膜的负面弯曲损伤而防止膜相互混合或溶解。另外， DHN1 易结合于富含磷脂酸 (PA) 的囊泡上，PA 在植物细胞膜中含量很少(只占磷脂总量的1％2％)，但是当有干旱等胁迫信号时，PA 的含量会随着磷脂酶活性的增强而升高，丰富的 PA 可以增强细胞膜的负面极性程度，影响蛋白与膜的静电反应，因此 PA 作为各种环境胁迫如渗透胁迫等的第二信使。在环境胁迫下 DHN1 通过与富含 PA 的膜囊泡结合，防止膜形成六角形Ⅱ相，维持膜结构的稳定。由此推测玉米脱水蛋白 DHN1 通过两种途径稳定细胞膜：一是通过结合于细胞膜小囊泡，改变膜界面的极性密度，从而减少膜的混合和溶解；二是通过结合于富含 PA 的囊泡，减少膜的负面弯曲损伤，阻止膜向六角形Ⅱ相的转变。3.3&&脱水蛋白具有防冻剂活性作用植物的耐寒性与体内淀粉的积累有关，单糖和多糖是淀粉降解的主要成分，能够防止由于脱水而对植物细胞造成的伤害。在寒冷胁迫下，淀粉含量因降解将逐渐减少，因此维持α淀粉酶的活性对于淀粉的降解非常重要，而α淀粉酶对淀粉水解时，要求在其附近有足够的水分。West blots 分析显示在寒冷胁迫下白桦树(Betula pubescens ehrh)幼苗中常伴随一种24 ku 脱水蛋白的积累，酶分析显示该蛋白在寒冷失水时能够将局部足够的水分集中在α淀粉酶附近，从而增强α淀粉酶的催化活性，维持淀粉的适度水解，说明脱水蛋白具有一定的水分保持能力。桃树脱水蛋白 PCA60 在低温下也具有保水能力，其防冻活性类似于北极鱼类中的防冻蛋白。PCA60 富含亲水性氨基酸(Gly，Glu，Asp 和 Thr)，具有和水分子结合的能力，因此能够结合在冰晶表面阻止水分子聚合形成冰晶格，从而防止冰晶格的生长。脱水蛋白的防冻剂作用还表现在冻融过程中对乳酸脱氢酶 (LDH) 活性的保护方面。拟南芥脱水蛋白 COR15a 受寒冷诱导，能提高拟南芥的原生质体和叶绿体的耐寒能力，在所有已知的寒冷诱导型脱水蛋白中，COR15a 对乳酸脱氢酶活性的保护能力最强(0.1 mg/mL 的 COR15a 能够保持50％ LDH 活性)，大麦脱水蛋白 Dhn5 和 P-80 在植物的耐寒方面有许多相似之处，Western blot 显示 P-80 主要受寒冷诱导，Dhn5 受寒冷胁迫的高度调节，干旱和 ABA 也可诱导其产生，两者在冻融过程中对 LDH 的保护能力相似，PD50(Protective Dosage 50％)值均在50 nm 左右，其对 LDH 活性保护能力仅次于 COR15a(PD50 为6.6 nm)，两种蛋白均可维持100％的乳酸脱氢酶活性。脱水蛋白 K 片段形成的α螺旋结构可能与变性的 LDH 疏水基团作用，防止 LDH 进一步变性，因此推测 LDH 活性的维持可能与脱水蛋白 K 片段的数量有关。Kn 型脱水蛋白大多具有防冻活性，但是含有3个 K 片段的 COR15a 的 PD50 值却比含有9个 K 片段的 P-80，Dhn5 和 PCA60 高，而且 K 片段数量低于3的脱水蛋白防冷冻活性较低(大豆 Mat1)，因此 K 片段的数量不能低于3个。尽管 K 片段的多少并不是防冻活性强弱的判断标准，但是 K 片段的存在可能是脱水蛋白具有防冻活性的一个原因。大豆27 ku 脱水蛋白对 LDH 的防冻活性高于26 ku，因此推测脱水蛋白分子量的不同，尤其是 Y 片段氨基酸含量的高低是影响其防冻活性的一个因素。3.4&&脱水蛋白具有结合金属离子的作用干旱、冷冻和盐害等环境胁迫均能导致植物脱水，造成细胞中离子浓度增加。脱水蛋白能与金属离子结合，减少细胞脱水过程中盐分沉淀和结晶的可能性，降低离子毒性。拟南芥脱水蛋白 RAB18，LTI29，LTI30 和 COR47 都可与 Cu2+ 和 Ni2+ 相互作用，LTI30 还可结合 Co2+ 和 Zn2+。最近从蓖麻 (Ricinus communis L) 幼苗中分离出一种 KS 型脱水蛋白 ITP，在韧皮部中具有长距离运输离子的作用。纯化的 ITP 在体外可结合 Fe3+，也可以结合 Zn2+，Cu2+ 和 Mn2+，但在体内只能与 Fe3+ 结合。脱水蛋白缺少结合金属离子的特殊序列，为何具有结合金属离子的能力？研究表明拟南芥脱水蛋白的金属离子结合能力有赖于其结构中大量存在的丝氨酸片段，小麦 WCOR410 有超过43％的参与金属离子结合反应的氨基酸片段。芹菜(Apium graveolens)脱水蛋白 VcaB45 位于液泡膜上，磷酸化后 Ca2+ 的结合能力可以提高100倍，ERD14 和 ERD10 可以在液泡膜附近累积，推测脱水蛋白是作为 Ca2+ 缓冲液或 Ca2+ 依赖型伴侣分子起作用。拟南芥脱水蛋白ERD14，ERD10 和 COR47 均为酸性蛋白，在无胁迫时经 CKⅡ 磷酸化后具有 Ca2+ 结合活性，其中 ERD14 的 Ca2+ 结合能力最高；在寒冷胁迫时，同样表现出依赖于磷酸化的 Ca2+ 结合活性。拟南芥 RAB18 和 XERO2 两种脱水蛋白分别为中性和碱性蛋白，RAB18 经 CKⅡ 磷酸化后具有微量 Ca2+ 结合活性，而 XERO2 则不能结合 Ca2+。ERD14，ERD10 和 COR47 等3种酸性脱水蛋白均为 SKn 型，具有富含 Ser 的 S 片段和 K 片段，缺少 Y 片段；而 RAB18 为 Y2SK2 型蛋白，在 N 末端含有两个 Y 片段；XERO2 为 K6 型脱水蛋白，缺少 S 片段，不能被 CKⅡ 磷酸化，缺乏 Ca2+ 结合活性。由此推测酸性脱水蛋白的 Ca2+ 结合区域位于 S 片段上游，并且金属离子的结合能力依赖于 S 片段的磷酸化位点。3.5&&脱水蛋白具有抗氧化活性环境胁迫可以诱导活性氧自由基的产生，导致脂质过氧化作用增强以及膜泄露，因此，限制活性氧类物质的产生对保护细胞结构至关重要。脱水蛋白 ITP 和 ERD14 具有金属离子结合活性，PvSR3 转录产物在重金属胁迫下大量增加并受到外源 H2O2 调节。推测脱水蛋白与金属的结合是降低氧化损伤的一种防御机制。在寒冷胁迫下，表达 Cicus CuCOR19 脱水蛋白的转基因烟草与对照植株相比，其电解质泄露和丙二醛产物(MDA)降低，说明 CuCOR19 的过量表达减少了脂质过氧化作用，提高了转基因烟草的抗冻能力。大肠杆菌 (E.coli) 表达系统中纯化的 CuCOR19 在体外可以防止大豆脂质体的过氧化反应，对脂质体的抗氧化作用高于白蛋白、谷胱甘肽、脯氨酸、甘氨酸，甜菜碱和蔗糖等物质，表明脱水蛋白在寒害过程中可以通过清除自由基的作用提高植物的抗寒性。进一步的研究证实了脱水蛋白的自由基清除活性，如CuCOR19 可清除羟基和过氧化物自由基，但不能除去过氧化氢和超氧化物自由基，其清除自由基的活性远高于甘露醇，而与血清蛋白相当。另外，羟基自由基作用的靶位点是 Gly，His 和 Lys 等残基，而脱水蛋白中富含这些氨基酸，表明脱水蛋白可以利用这些极性氨基酸清除自由基，保护生物膜免受伤害。4&&展望近20年来，人们对脱水蛋白的结构、功能和基因表达等研究已取得很大进展，但其具体的分子保护机制并未获得实验证明，大多数只限于推测，例如脱水蛋白在逆境下具有稳定细胞膜和保护蛋白质的作用虽然已被普遍认同，但并不清楚其在植物体内具体是怎样发挥作用的。因此，进一步利用基因工程技术研究脱水蛋白的分子作用机理仍是今后研究的重点之一。对于脱水蛋白结构的研究主要集中于其保守序列的功能上，其中 K 片段的研究较为深入，而对 Y 和 S 片段的功能研究仍处于推论阶段，如脱水蛋白的核转运机制仅仅是从 S 片段的磷酸化作用及核定位得出的一种推论，尚缺乏直接证据；另外，对脱水蛋白高级结构的研究尚未深入，已知在逆境胁迫下植物中的脱水蛋白经常通过相互作用而发挥功能，因此深入开展其高级结构的研究，利用生物信息学及实验技术测定蛋白质的晶体结构，有助于了解逆境胁迫下植物体内各种脱水蛋白的协同作用，以及它们在逆境胁迫时的作用机制。目前对脱水蛋白的功能研究主要集中于体外实验，尚未进一步证实其在植物体内是否具有推测的功能。例如通过转基因方法证实大肠杆菌表达系统中纯化的蜜桔(Citrus unshiu Marcov)脱水蛋白 CuCOR19 在体外可以防止大豆脂质体的过氧化反应，减少了脂质过氧化作用，保护生物膜免受自由基的伤害，提高转基因烟草的抗冻能力，但尚未深入进行体内研究；同样，对脱水蛋白的金属离子结合作用的推测也限于体外，纯化的蓖麻 (Ricinus communis L) 幼苗脱水蛋白 ITP 在体外可结合 Fe3+，也可以结合 Zn2+，Cu2+ 和 Mn2+，但在体内只能与 Fe3+结合，因而不能确定脱水蛋白在植物体内具有金属离子结合作用。今后，从体外研究逐渐转向体内实验将是脱水蛋白研究的一个发展方向。关于脱水蛋白的分类，目前普遍采用的是 Close 的分类方法，即基于3种保守序列的组成不同划分为5类，然而随着脱水蛋白数量的递增，某些脱水蛋白不能被归为其中的某一类，在今后的研究中采取新的分类方法对脱水蛋白进行归类是有价值的，如根据脱水蛋白对不同胁迫的适应能力而进行分类。可以预见，深入研究脱水蛋白的作用机理，全面地了解植物在逆境下表达调控规律和生理生化机制，必定会为开发和利用新的抗旱、耐盐和抗寒品种提供技术支持。&&&&注：&&&&（1）文章来源：自然科学进展，2007年 第17卷 第1期；&&&&（2）作者单位：中国矿业大学化学与环境工程学院生物工程系。
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