※ 引述《precession (little-boy)》之铭言： : ※ [本文转录自 NTU-Karate 看板] : 作者: precession (little-boy) 看板: NTU-Karate : 标题: 转贴文章--沟通高手： 细胞膜上的通道 : 时间: Fri Nov 7 08:35:05 2003 : 「2003年诺贝尔奖系列‧化学之旅」　　 : 沟通高手： 细胞膜上的通道 : 文／ ⊙谢如姬（中研院生医所副研究员） : 2003.11.2 中国时报 : 2003年诺贝尔化学奖颁给罗德里克‧麦金农（Roderick Mackinnon） : 「研究离子通道（ion channel）的机制及结构」及彼得‧阿格雷（Peter : Agre）「发现水通道（aquaporin）」。 : 离子通道参与许多生理的作用，其导电的特性吸引研究者以物理及化 : 学的方法，定性地及定量地了解生命现象。水分的调节对所有生物体都极 : 其重要，水通道的发现使世人更了解水分运输的生理及病理机制。 : 到底什麽是离子及水通道呢？细胞膜由「双层脂质」（lipid bilayer） : 所组成，为细胞与外界的屏障。它的主要功能是维持细胞内的环境在最佳 : 状态、避免重要物质流失。但是细胞又必须与外界沟通，这时候就必须靠 : 细胞膜上的一些蛋白质。离子及水通道分别为细胞膜上让离子及水分子通 : 透的蛋白质，其作用及研究的历史分述如下： : 麦金农 : 开启离子通道的原子机制研究 : 细胞内外分布着不同浓度、带不同电荷的离子，如钾、钠、钙、氯。 : 当细胞膜上的离子通道开启，离子会随细胞膜电位及其浓度差值而出入细 : 胞。因为离子带有电荷，所以当它们流动时就会产生电流并造成细胞内外 : 电位改变。离子在对的地点及对的时间通过对的通道，会产生快速又精确 : 的讯息，以控制包括神经传导、心脏有规律的跳动、血管的收缩、及荷尔 : 蒙的分泌等生理现象。那麽离子通道有什麽特质使他们能当任如此重要的 : 任务呢？ : 目前已知的离子通道绝大多数有离子选择性，比如说钾通道能让钾离 : 子通过而不让其他离子通透。离子在水溶液中被水分子所包覆，因通道宽 : 度有限，离子通过时必须失去一些水分子。然而这个步骤需耗费相当大的 : 能量，除非通道给予相当的包覆，否则离子无法顺利通过。於是筛选的机 : 制就看那个离子能与通道紧密「接合」（coordinate）。在有选择性的同 : 时，钾离子又以约每秒一亿个通透。这二个看似难以相容的特性，一直是 : 研究的重点。从1950年代起， Hodgkin 及 Huxlery开始研究什麽是离子通 : 道及其生理功能。他们与Eccles因研究神经细胞膜的讯息传导之离子机制 : 而获得1963年生理/医学诺贝尔奖。 : 离子通道导电的性质吸引了研究者引进物理及化学方法从事研究。1980 : 年代Neher & Sakmann 发明出测量单一离子通道(电流只有10-12安培)的方 : 法。二人因此贡献获得1991年生理/医学诺贝尔奖。随後不同的研究团队又 : 将离子通道的DNA 选殖(clone)出来。离子通道研究从此进入了更精细的分 : 子研究领域。此阶段主要研究离子通道的功能是如何及为何产生。 : 1990年代初，麦金农及其合作者发现了钾通道中用来筛选离子的几个 : 「标记胺基酸序列」（signature sequence），并对钾离子通道筛选的分 : 子机制作出说明。然而离子通道的全面貌却因为缺乏结构的资讯而无法解 : 开。要决定结构必须有大量纯度极高的蛋白质，这对於属细胞膜蛋白质的 : 离子通道是很难的挑战。1998年麦金农及其团队却克服了这个挑战生物物 : 理学家多年的大难题，成功地将一种细菌上的钾通道KcsA channel纯化， : 并决定了其立体结构，揭开了离子通道的原子机制研究之序幕。 : 图一为钾通道筛检处的纵切面，绿色代表在通道的二个钾离子，结构上 : 显示signature sequence(TVGYG)形成的筛子能与钾离子完美结合 (钠离子则 : 因为太小，结合时耗能过多所以不适合)。 : 2001年麦金农的团队作出更佳解析度的KcsA channel结构，并探讨钾离 : 子如何迅速通透。图二显示能量最低的二种钾离子在通道的分布。当细胞内 : 侧（左）进入一个钾离子，如同牛顿钢球玩具一般在筛子部位的钾离子被"弹 : 出"细胞外侧（右）(图二a)。 : 此时钾离子的分布变成图二b所示，但因其能量与图二a相似，所以约有一 : 半会再变成图二a的分布。於是当细胞内再进入一个钾离子，下一个通透循环 : 就开始。此研究指出钾离子在通道各个接合点类似被水包覆，使得它们能以 : 近似在水中扩散（diffusion）的速度通行无阻。 : 图二 由结构推测钾离子通透的示意图 (取材自 Miller, Nature 2001, : 414: 23-24)。 : 有些钾通道有电压感应区，能因电压改变而移动此区的电荷，使得通道的 : 形状改变，最後导致通道开启。2003年麦金农解出一个可被电压开启的钾通道 : 结构，并对其电压感应区的机制作出说明。不过由於结构的决定过程与功能实 : 验状况差异甚大，有关於通道开启的结构变化尚需更多的研究。 : 麦金农多年来致力於钾通道的分子动力机制研究有成，而其最近五年来在 : 离子钾通道结构的研究，更是打开了研究离子通道进入原子领域的大门。他的 : 贡献为大家推崇。 : 阿格雷 : 研究水通道、水通透机制与结构的领导者 : 水是生物体内最大量的组成物质，早期一直被认为是以扩散的方式通透细 : 胞膜。1950年代才有人预测细胞膜应该另有让水快速通过的管道。然而水通道 : 的存在却一直到1991年才由阿格雷的团队率先证实。目前学界咸认为扩散及水 : 通道同时存在，而後者对水的通透度是前者的10~100倍。 : 另外水通道有相当高的选择性，它可以让水分子（H2O）却不让氢离子 : （H3O+）通透。这个性质很重要，因为酸硷值的改变会影响许多生理作用。水 : 通道每秒可以通透约20亿个水分子。许多生理功能如肾脏水份的回收、脏器水肿 : 时的排水作用、新生儿肺部水分的清除、及腺体的体液分泌等，都与水通道有 : 密切的关系。由於水通道的研究时间不长，预料将来会发现更多其它的生理功能。 : 跟离子通道研究的发展不同，水通道的蛋白质是先被分离出来(1988年由 : 阿格雷团队找到)，之後这个蛋白质的功能才被确定。1994年其粗略的立体结构 : 也由阿格雷及其合作者率先解出，2000年更佳解析度的结构也由他们完成。十 : 多年来水通道的研究几乎是浓缩离子通道五十多年的研究智慧，在功能、分子 : 与原子机制研究上平行发展。 这个奖是当之无愧 我的细胞学课本上有7个人头(据说是作者) 每一个好像轮流拿诺贝尔奖 上细胞学时老师最喜欢说 啊 这一段是某某年诺贝尔奖 >_< 真是很沉重的课本呀(价格也很贵 要3000多) 念到这里时 真想杀了发现者(god! 要我全背起来...) 後来才发现 这不是最狠的 现在会习惯看诺贝尔奖哪一段是自己没念过的 嗯 好像永远念不完... --

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