※ 引述《precession (little-boy)》之銘言： : ※ [本文轉錄自 NTU-Karate 看板] : 作者: precession (little-boy) 看板: NTU-Karate : 標題: 轉貼文章--溝通高手： 細胞膜上的通道 : 時間: Fri Nov 7 08:35:05 2003 : 「2003年諾貝爾獎系列‧化學之旅」　　 : 溝通高手： 細胞膜上的通道 : 文／ ⊙謝如姬（中研院生醫所副研究員） : 2003.11.2 中國時報 : 2003年諾貝爾化學獎頒給羅德里克‧麥金農（Roderick Mackinnon） : 「研究離子通道（ion channel）的機制及結構」及彼得‧阿格雷（Peter : Agre）「發現水通道（aquaporin）」。 : 離子通道參與許多生理的作用，其導電的特性吸引研究者以物理及化 : 學的方法，定性地及定量地了解生命現象。水分的調節對所有生物體都極 : 其重要，水通道的發現使世人更了解水分運輸的生理及病理機制。 : 到底什麼是離子及水通道呢？細胞膜由「雙層脂質」（lipid bilayer） : 所組成，為細胞與外界的屏障。它的主要功能是維持細胞內的環境在最佳 : 狀態、避免重要物質流失。但是細胞又必須與外界溝通，這時候就必須靠 : 細胞膜上的一些蛋白質。離子及水通道分別為細胞膜上讓離子及水分子通 : 透的蛋白質，其作用及研究的歷史分述如下： : 麥金農 : 開啟離子通道的原子機制研究 : 細胞內外分佈著不同濃度、帶不同電荷的離子，如鉀、鈉、鈣、氯。 : 當細胞膜上的離子通道開啟，離子會隨細胞膜電位及其濃度差值而出入細 : 胞。因為離子帶有電荷，所以當它們流動時就會產生電流並造成細胞內外 : 電位改變。離子在對的地點及對的時間通過對的通道，會產生快速又精確 : 的訊息，以控制包括神經傳導、心臟有規律的跳動、血管的收縮、及荷爾 : 蒙的分泌等生理現象。那麼離子通道有什麼特質使他們能當任如此重要的 : 任務呢？ : 目前已知的離子通道絕大多數有離子選擇性，比如說鉀通道能讓鉀離 : 子通過而不讓其他離子通透。離子在水溶液中被水分子所包覆，因通道寬 : 度有限，離子通過時必須失去一些水分子。然而這個步驟需耗費相當大的 : 能量，除非通道給予相當的包覆，否則離子無法順利通過。於是篩選的機 : 制就看那個離子能與通道緊密「接合」（coordinate）。在有選擇性的同 : 時，鉀離子又以約每秒一億個通透。這二個看似難以相容的特性，一直是 : 研究的重點。從1950年代起， Hodgkin 及 Huxlery開始研究什麼是離子通 : 道及其生理功能。他們與Eccles因研究神經細胞膜的訊息傳導之離子機制 : 而獲得1963年生理/醫學諾貝爾獎。 : 離子通道導電的性質吸引了研究者引進物理及化學方法從事研究。1980 : 年代Neher & Sakmann 發明出測量單一離子通道(電流只有10-12安培)的方 : 法。二人因此貢獻獲得1991年生理/醫學諾貝爾獎。隨後不同的研究團隊又 : 將離子通道的DNA 選殖(clone)出來。離子通道研究從此進入了更精細的分 : 子研究領域。此階段主要研究離子通道的功能是如何及為何產生。 : 1990年代初，麥金農及其合作者發現了鉀通道中用來篩選離子的幾個 : 「標記胺基酸序列」（signature sequence），並對鉀離子通道篩選的分 : 子機制作出說明。然而離子通道的全面貌卻因為缺乏結構的資訊而無法解 : 開。要決定結構必須有大量純度極高的蛋白質，這對於屬細胞膜蛋白質的 : 離子通道是很難的挑戰。1998年麥金農及其團隊卻克服了這個挑戰生物物 : 理學家多年的大難題，成功地將一種細菌上的鉀通道KcsA channel純化， : 並決定了其立體結構，揭開了離子通道的原子機制研究之序幕。 : 圖一為鉀通道篩檢處的縱切面，綠色代表在通道的二個鉀離子，結構上 : 顯示signature sequence(TVGYG)形成的篩子能與鉀離子完美結合 (鈉離子則 : 因為太小，結合時耗能過多所以不適合)。 : 2001年麥金農的團隊作出更佳解析度的KcsA channel結構，並探討鉀離 : 子如何迅速通透。圖二顯示能量最低的二種鉀離子在通道的分佈。當細胞內 : 側（左）進入一個鉀離子，如同牛頓鋼球玩具一般在篩子部位的鉀離子被"彈 : 出"細胞外側（右）(圖二a)。 : 此時鉀離子的分佈變成圖二b所示，但因其能量與圖二a相似，所以約有一 : 半會再變成圖二a的分佈。於是當細胞內再進入一個鉀離子，下一個通透循環 : 就開始。此研究指出鉀離子在通道各個接合點類似被水包覆，使得它們能以 : 近似在水中擴散（diffusion）的速度通行無阻。 : 圖二 由結構推測鉀離子通透的示意圖 (取材自 Miller, Nature 2001, : 414: 23-24)。 : 有些鉀通道有電壓感應區，能因電壓改變而移動此區的電荷，使得通道的 : 形狀改變，最後導致通道開啟。2003年麥金農解出一個可被電壓開啟的鉀通道 : 結構，並對其電壓感應區的機制作出說明。不過由於結構的決定過程與功能實 : 驗狀況差異甚大，有關於通道開啟的結構變化尚需更多的研究。 : 麥金農多年來致力於鉀通道的分子動力機制研究有成，而其最近五年來在 : 離子鉀通道結構的研究，更是打開了研究離子通道進入原子領域的大門。他的 : 貢獻為大家推崇。 : 阿格雷 : 研究水通道、水通透機制與結構的領導者 : 水是生物體內最大量的組成物質，早期一直被認為是以擴散的方式通透細 : 胞膜。1950年代才有人預測細胞膜應該另有讓水快速通過的管道。然而水通道 : 的存在卻一直到1991年才由阿格雷的團隊率先證實。目前學界咸認為擴散及水 : 通道同時存在，而後者對水的通透度是前者的10~100倍。 : 另外水通道有相當高的選擇性，它可以讓水分子（H2O）卻不讓氫離子 : （H3O+）通透。這個性質很重要，因為酸鹼值的改變會影響許多生理作用。水 : 通道每秒可以通透約20億個水分子。許多生理功能如腎臟水份的回收、臟器水腫 : 時的排水作用、新生兒肺部水分的清除、及腺體的體液分泌等，都與水通道有 : 密切的關係。由於水通道的研究時間不長，預料將來會發現更多其它的生理功能。 : 跟離子通道研究的發展不同，水通道的蛋白質是先被分離出來(1988年由 : 阿格雷團隊找到)，之後這個蛋白質的功能才被確定。1994年其粗略的立體結構 : 也由阿格雷及其合作者率先解出，2000年更佳解析度的結構也由他們完成。十 : 多年來水通道的研究幾乎是濃縮離子通道五十多年的研究智慧，在功能、分子 : 與原子機制研究上平行發展。 這個獎是當之無愧 我的細胞學課本上有7個人頭(據說是作者) 每一個好像輪流拿諾貝爾獎 上細胞學時老師最喜歡說 啊 這一段是某某年諾貝爾獎 >_< 真是很沉重的課本呀(價格也很貴 要3000多) 念到這裡時 真想殺了發現者(god! 要我全背起來...) 後來才發現 這不是最狠的 現在會習慣看諾貝爾獎哪一段是自己沒唸過的 嗯 好像永遠唸不完... --

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