揭示生命中细胞膜通道的奥秘——2003年诺贝尔化学奖成果介绍，本文主要内容关键词为：诺贝尔论文,细胞膜论文,奥秘论文,通道论文,成果论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
2003年10月8日瑞典皇家科学院宣布，将诺贝尔化学奖授予美国科学家彼得·阿格雷（Peter Agre）和罗德里克·麦金农（Roderick MacKinnon），分别表彰他们发现细胞膜水通道，以及对离子通道结构和机理研究做出的开创性贡献。
彼得·阿格雷，1949年生于美国明尼苏达州的诺斯菲尔德城，1974年在巴尔的摩钓翰斯·霍普金斯大学医学院获医学博士，现为该学院生物化学教授和医学教授。
彼得·阿格雷
罗德里克·麦金农
罗德里克·麦金农，1956年出生，在美国波士顿附近的伯灵顿镇长大，1982年在塔夫茨医学院获医学博士，现为洛克菲勒大学分子神经生物学和生物物理学教授。
包括人类在内的各种生物都是由细胞组成的。细胞如同一个由城墙（细胞膜）围起来的微小城镇，有用的物质不断被运进来，废物被不断运出去。早在100多年前，人们就猜测细胞这一微小城镇的城墙中存在着很多“城门”，它们只允许特定的分子或离子出入。物体的主要组成成分是水溶液，水溶液占人体重量的70％。生物体内的水溶液主要由水分子和各种离子组成。它们在细胞膜通道中的进进出出可以实现细胞的很多生物性功能。生物的细胞以双层脂质膜与外界隔离。此双层脂质膜通常阻断水、离子与其他极性分子之间的通透，但在许多状况下，这些分子仍需迅速且具选择性地通过细胞膜。水通道（water channels）使细胞得以调节其体积与内部渗透压，在人体的泌尿系统及植物的根部扮演重要角色；离子通道（ion channels）则让细胞能够产生并传递电讯号，是建构神经系统的基本分子（图1）。
图1 细胞和外部世界（包括其他细胞）之间的分隔膜远不是封闭的外壳，相反，它的表面被很多的通道分割而呈现孔状，很多通道只允许特定的一种而禁止其他的离子或分子通过，图左部是一个水通道而右部则是一个离子通道。
一、对细胞膜水通道的探索
20世纪50年代中期，科学家就发现细胞膜中存在某种通道，只允许水分子出入，称之为水通道。因为水对于生命至关重要，可以说水通道是最重要的一种细胞膜通道。尽管科学家发现存在水通道，但水通道到底是什么却一直是个谜。
20世纪80年代中期，美国科学家彼得·阿格雷研究了不同的细胞膜蛋白，经过反复研究，他发现一种被称为水通道蛋白的细胞膜蛋白就是人们寻找已久的水通道。为了验证自己的发现，阿格雷把含有水通道蛋白的细胞和去除了这种蛋白的细胞进行了对比试验，结果前者能够吸水，后者不能。为进一步验证，他又制造了两种人造细胞膜，一种含有水通道蛋白，另一种则不含这种蛋白。他将这两种人造细胞膜分别做成泡状物，然后放在水中，结果第一种泡状物吸收了很多水而膨胀。第二种则没有变化（图2）。这些充分说明水通道蛋白具有吸收水分子的功能，就是人们寻找已久的水通道。
图2 彼得·阿格雷对含有水通道蛋白的细胞和去除了这种蛋白的细胞进行的试验，水通道蛋白对细胞的膨胀和吸收水分是很必要的。
2000年，彼得·阿格雷与其他研究人员一起公布了世界上第一张水通道蛋白的高清晰度立体照片。通过得到的数据可以具体画出水通道工作示意图，例如，细胞膜不允许质子的泄漏（图3）。水通道蛋白（aquaporin）AQPI的立体空间结构于2000年被解出后，科学家得以解释水通道对水分子的高度选择性——水分子在通道上半与下半部具有相反方向的偶极矩，故可防止质子的通过。目前，已知与AQPI相似的水通道在人体内至少有十一种，在阿拉伯芥中则多达三十五种。
图3 水分子通过水通道蛋白AQPI。由于在通道中间存在阳离子，带正电荷的离子如H[，3]O[+]偏离通道。这就阻止了质子从通道中泄露出去。
二、对细胞膜离子通道的深入研究
离子通道是另一种类型的细胞膜通道，神经系统和肌肉等方面的疾病与之有关，它还能产生电信号，在神经系统中传递信息。1909年诺贝尔化学奖得主W.奥斯特瓦尔德（Wilhelm Ostwald）在1890年时便推测：生物组织中的电流是由在细胞膜进出的离子所引起的。1900年早期的研究指出膜电位的本质是电化学，而另一位科学家则在1925年提出狭窄离子通道存在的可能性。1963年诺贝尔生理医学奖得主于20世纪50年代早期在研究乌贼巨大轴突细胞膜上的离子传导时发现，离子在神经细胞之间的传递可以传递信息，开启了神经生理学新的一页。不过，那时科学家们并不了解离子通道的结构和工作原理。
1998年，彼得·阿格雷成功解出第一个高分辨率的离子通道的立体结构——链霉菌的KcsA钾离子通道。位于通道上缘的选择性过滤器恰好完美地容纳了去除了水分子的钾离子，但却坚决地将体积较小的钠离子拒于千里之外，因而解释了钾离子的高选择性与每秒通过一亿个离子的高运输速度。KcsA显现了离子通道的关闭状态，2002年同样由阿格雷研究小组解出的钙离子活化型钾离子通道MthK空间结构，又进一步捕捉了离子通道的开放状态。
让我们来具体研究离子过滤器（图4）的工作机理，它能够允许钾离子通过而对钠离子却是禁止的。我们能够在分子的水平上直接观察到离子所经过的通道的结构以及其工作机理——在进入离子过滤器之前，离子被水分子包围；而在过滤器内部，阳离子则和过滤器另一侧的水接触。阿格雷是这样解释的：钾离子和氧原子之间的距离在过滤器内部与外部水分子两种不同的环境中是相同的，可以毫无疑问地通过；然而，半径比钾离子小的钠离子却不能通过。这是因为在过滤器中钠离子与氧原子不能很好地结合在一起，因而依然留在水溶液中。离子通道能够从水分子中脱去钾离子并允许其在不消耗能量的情况下通过，是一种选择催化性的离子传输过程。
离子过滤器外部（A）
细胞膜外部的离子被绑在水分子上，并与水分子中的氧原子保持一定的距离。
离子过滤器内部（B）
对于钾离子，与离子过滤器内的氧原子之间的距离和水中的氧原子的距离相同。
较小的钠离子在过滤器中的氧原子间不能很好地结合，这就阻止了它们进入通道。
图4 离子通道允许钾离子通过而禁止钠离子通过，离子过滤器的氧原子形成了与过滤器外部水环境相似的环境，细胞可以控制通道的开关。
对水通道和离子通道的研究意义重大。很多疾病，比如一些神经系统疾病和心血管疾病就是由于细胞膜通道功能紊乱造成的，对细胞膜通道的研究可以帮助科学家们寻找出具体的病因，并研制相应药物。另外，利用不同的细胞膜通道，可以调节细胞的功能，从而达到治疗疾病的目的。中药的一个重要功能是调节人体体液的成分和不同成分的浓度，这些成分可以通过不同细胞膜通道调节细胞的功能。有专家认为，对细胞膜通道的研究可以为揭示中医药的科学原理提供重要的途径。
2003年诺贝尔化学奖的结果显示出了当代科学跨领域研究的趋势。近几十年来，诺贝尔奖越来越多地颁发给跨学科的研究成果。就化学奖而言，化学与生命科学相融合的成果也越来越多地得到了肯定。将化学方法和理论运用到生命领域中并与生命科学技术相互融合必将是化学科学未来发展的重要趋势。