细胞膜上“水通道”和“离子通道”的发现

细胞膜上“水通道”和“离子通道”的发现

细胞是构成生物体的基本构成要素。一般认为人的身体大约有一千亿个细胞组成，其数量可以与银河系的天体数量相匹敌。

细胞有血液细胞（血球）、肌肉细胞、肝细胞、神经细胞等很多种类，它们都在高度复杂的生物体系统中各负其责。

细胞由细胞膜来把彼此还有周围的基质分离开来。

细胞膜通常不让水、离子还有其他的分子通过，尽管如此，每个细胞都是“开放的体系”。因为它们会与其他的细胞进行信息交换，还和周围环境和物质进行交换和交流。

但要进行星系或物质的交换，就必须要让各种各样的分子从细胞内到外、外到内移动的通道和泵。担当这个任务的是细胞膜里的特殊形状的蛋白质。

2003年，两位美国的科学家发现并研究了这个作为通道的蛋白质，并共同获得了诺贝尔化学奖。他们是发现了水通道的彼得·阿格雷和发现了离子通道的罗德里克·麦金农

彼得·阿格雷在美国东部马里兰州巴尔的摩的约翰·霍普金斯医学院开始研究的时候，对后被称为“水通道”或“水通道蛋白”的东西还一无所知。这样的词也是听都没听说过的。但20年后，阿格雷不但成为这个领域的先驱，还成为了诺贝尔奖获得者。

在诺贝尔奖的获奖演说中，阿格雷这样叙述水通道的重要性。

“水被认为是生命的溶剂”。因为我们的身体的70%是水。人类以外的所有的脊椎动物、无脊椎动物、微生物，还有植物的身体也主要是由水构成的。构成生命体的小房间也主要是水，水对生命来说是必不可少的，而水通道蛋白是细胞的给水和排水系统。

水通道蛋白可以告诉我们：我们的大脑是怎样分泌或吸收脑脊髓液的，眼睛里的水状物是怎样产生的，眼泪、唾液、汗水、胆汁是怎样分泌的，肾脏为什么可以很有效的浓缩尿液，等等。这种蛋白质不仅对发挥哺乳动物的生理机能必不可少，同时对微生物、植物的生存也是至关重要的。

阿格雷的两人研究小组在220世纪80年代中期开始了研究。他学的专业是血液学，研究课题是Rh因子血型的抗原。

抗原是免疫系统认知应答的分子，多数时候被免疫系统当作体内的入侵者而受到攻击，其大部分都是蛋白质的Ph抗原。可当人们对于这种分子的特征却一无所知，所以被看作是有可能领先的研究领域。

其他科学家已经认为这个分子的分子量是32道尔顿的蛋白质。

因此阿格雷的最初的课题就是从血液细胞中分离出Rh蛋白质。只要能分离出来，就能确定构成它的要素。

当时的阿格雷用他自己话说就是“因为是充满热情的年轻科学家”，所以精制了大量Rh 蛋白质。可是调查结果显示，这种蛋白质的纯度并不是100%，其中还掺杂了5%~10%的32千道尔顿之外的蛋白质，是被“污染”了的蛋白质。

这种“污染蛋白质”的质量是28千道尔顿，比抗原小一些。就像阿格雷在诺贝尔奖的讲演中回想的一样，当时的他“完全是幸运的”得到了构成细胞膜里的水通道的蛋白质。

最初，他把这第二种蛋白质当成污染源而除去了，然后利用周末打工的时间又进行了调查。在得出了这个蛋白质与Rh没有关系的结论后，他又继续进行了研究。

在2009年夏天德国林道举办的诺贝尔奖获奖者的聚会上，阿格雷这样说道：“如果是聪明的科学家，也许会无视这个问题了。”但阿格雷并不聪明。他花了四年时间重复这个新的蛋白质的实验，而终于慢慢兴奋起来。

结果，阿格雷发现这个质量为28千道尔顿的蛋白质竟然是大量存在的。他是血球的细胞膜里含有的三四种最丰富的蛋白质里的一种，因为对通常的蛋白质着色剂不反应而一直没被发现。

随着更进一步的研究，阿格雷发现质量为28千道尔顿的蛋白质特别丰富的存在于肾脏的细胞里。这个蛋白质由四个要素构成，组成被称为“四聚体”的结构，分布在细胞膜全体。这个立体的空间的特点表明了这个分子具有孔状的通道。

到底这种蛋白质有哪些功能呢？不知道它的功能的话，没有人会对这种新的蛋白质感兴趣。阿格雷回想当时的情形时说：“我们停滞不前了。”

这时，阿格雷想到了被他称为“遇到困难时，解决问题的最强有利的资源”，那就是“同事的洞察力”。

他向很多研究血液细胞的研究者们征求了关于这个蛋白质的意见。可是没有一个人提出了有可能的想法。

给阿格雷提出了决定性意见的是曾经的临床医学的顾问约翰帕卡。他向阿格雷指出，红细胞和肾脏尿细管的水透过性非常高，“你有没有想过这可能是长时间大家探索寻找的水通道？”

水通道，阿格雷第一次听说这个词。而帕卡给的这个提示就像快刀斩乱麻一样给了阿格雷令人欣喜的灵感。

他们决定用青蛙卵来试验这个蛋白质到底有没有透水机能。青蛙卵最适合做这个实验，因为他的透水性非常低。

试验从一开始就非常成功。他们在卵细胞中注入这个新的蛋白质后将其放入蒸馏水中。同时把没有进行任何处理的卵细胞也放入水中，结果它没有任何变化。可是注入新蛋白质的细胞内部很快就充满了水，最后像爆米花一样破裂了。

1991年，阿格雷的科研小组终于解开了其中的秘密，证实了让水通过细胞膜的新的蛋白质的存在。1992年4月，他们的论文刊登在Science上，全世界这个领域的研究者们都知道了这件事情。

在此之后的很多研究者对的研究表明，阿格雷命名的这个蛋白质“水通道蛋白”实际上构成了一个大的蛋白质家族。他们不仅存在于各种动物细胞中，还存在于细菌、植物细胞内。仅从构成人体的各种细胞里面就发现了至少十一中不同的水通道蛋白。

彼得·阿格雷在先前接受纽约时报的采访时对水通道蛋白质做出了这样的叙述：“今后会更深入地对其进行了解，当然操作它也将成为可能。”

如果能实现这种操作技术的话，例如心脏病患者的水分储藏、引起脑中风的脑浮肿、干眼症侯群也就是眼球干燥等疾病也许就能得到治疗。基础研究已经在进行，剩下的就是医学方面的应用研究。

在彼得·阿格雷的研究小组发现了水通道蛋白的四年后，生化学家罗德里克·麦金农开始了以后让他获得诺贝尔化学奖的研究。

1996年，麦金农称为纽约洛克菲勒大学的分子神经生物学、生命物理学研究所的教授。

与因为机缘巧合而发现了水通道蛋白的彼得·阿格雷正相反，麦金农对自己所探索的东西就有明确的想法。他所寻找的东西就是应该同样存在于细胞膜中与水通道不同的通道，也就是细胞之间进行信息交流的离子通道。

这个通道及其机能的存在早在一个世纪前就被发现，但对它在原子水平上的构造却一无