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
所知，而麦金农正是要试图阐明它的构造。

与离子通道相关的研究已经得到过几次诺贝尔奖，在1909年最早获奖的是德国物理学家威廉·奥斯持瓦尔德。

他在1890年提出，从生物组织检出的电信号是由进出细胞的离子引起的，这个看法很快就得到了科学界的认同。

到了半个世纪后的20世纪50年代，英国科学家艾伦·劳埃德·霍奇金和安德鲁·赫胥黎发表了关于神经活动点位的离子理论，他们在1963年和测定了脑突触微弱电信号的澳大利亚生物学家约翰·克鲁·爱克勒斯一起获得了生物或医学奖其他的奖都是在90年代。

要让数千万个脑神经细胞保持协调并发挥作用，信号的传达至关重要。

细胞之间传达的信号来自离子或小分子。

这些离子或分子构造出无数的分支的化学反应的连链，从控制肌肉伸缩道理用眼泪来湿润眼球，它们控制着我们身体所有的机能。

神经细胞在脑内或神经内部传达信号的时候，离子的移动起着传达信息的作用。

比如读者在读这个文章的时候，在读者的脑子里有一千兆个离子通道在或开或关的活动着。

大多数离子通道是对某种特定的离子具有高的选择性。

其中最重要的是钠和钙。

麦金农在进入洛克菲勒大学之前是哈佛大学的教授。

在哈佛大学，麦金农想要研究离子通道空间构造的想法几乎没有得到任何支持。

他说：“哈佛的朋友和同事们都说想要搞清楚离子通道的构造至少要十年的时间。

”但到了洛克菲勒大学的麦金农仅用了不到两年的时间就成功“观察”到了通过细胞膜的离子。

1998年4月，麦金农和他的研究小组在《科学》杂志上发表了世界上第一篇关于钙离子通道构造的论文，其中的照片登上了那一期的《科学》的封面。

当时《科学》的论文审阅人对麦金农的业绩给出了“实现了生命物理学的一个梦想》这样高的评价。

做出了这样的决定的麦金农很快就确信自己一定是挖到了金子。

因为他发现“洛克菲勒大学提供了能让自己全心全意投入到困难课题的研究的最好环境“。

麦金农在那里首先开始了新领域——X射线结晶学的学习。

几位“热情的博士后”加入到他的研究里面，他的研究室迅速的成长壮大起来。

麦金农这样记述当时的这个研究小组：“细胞膜蛋白质的研究和预想的一样非常难。

我们几经灰心气馁的时期，但每当我们觉得没有别的选择的时候就会有好事发生，气馁又变成兴奋。

终于，我们的坚持和不懈努力收到了回报。

我们得到了比想象中更多的选择性的让钾离子通过的过滤器的原子构造的信息，它以更漂亮的姿态呈现在我们面前。

”
麦金农把他们发现的钾离子通道的构造称为“单纯中的优美”。

一个一个的通道具有四个相同的子单位，它们围绕在中心的孔周围想樽板一样排列，构成钾离子专用的通道。

成功观察到原子层次的研究者们看到了离子是怎样通过这些通道的，钾离子在就要进入离子过滤器、过滤器的内部和通过过滤器后和水相遇时被水分子所包围。

麦金农他们通过在纳米层次上对这种现象的观察，找到了为什么钾离子可以通过过滤器而钾离子不能通过的原因。

在这个实验结果的论文发表在《科学》杂志上仅仅五年之后的2003年，若贝尔委员会就决定授予麦金农偌贝尔奖。

从发现到得奖只用了非常短的时间，显示了这个研究的重要性。

不过还没有结束。

在接受克罗托教授的采访时，麦金农说在细胞膜里存在的6000个以上的通道里面，只有不到100个被研究者阐明了构造。

离子通道还是一个可能性非常大的研究领域。

他在偌贝尔奖演讲中这样说：“离子通道的研究是一个让人激动的时代的开始。

很多疑问还亟待解决，我们得到了找到答案的工具。

我对将来冲满信心，我向现在正致力于离子通道以及其他细胞膜蛋白质有那就的年轻科学家们保证，将来一定会有非常大的可能性在等着你们。

”
他在克罗托的访问中送给学生们一下的话：“如果从我的经验来讲的话，那就是不能被周围环境同化。

追踪自己自身的问题，不管哪里，只要是能找到答案的地方，就要勇往直前。

在偏离很多人追求的主流的地方，有着更加重要的工作。

”
大脑的神经细胞
钙离子通道
钾离子通道的选择性
离子通道的结构
生技1103班王旭锋高学凯秦俊超卢晓恒李晓华金大翔史达超张朔黄晓。