本文转载自诺贝尔化学奖专题系列，原文为《【2003 诺贝尔化学奖】细胞膜的分子通道》
- 译者／蔡蕴明｜台大化学系名誉教授
译者前言：今年的诺贝尔化学奖颁给了两位医生，或许有些奇怪，然而仔细的去了解他们所做的工作就会发现，其实他们的研究已经深入到了原子的层次，那不是化学又会是什麽呢！这其实也告诉了众多对生命科学有兴趣的年轻人，其实真正精采的还是在这个化学的层次。考虑加入我们吧。
所有的生命体都是由细胞所构成，一个人身上所拥有的细胞数目就好像银河中的星星一般，约有上千亿个，在每一个人身上，例如肌肉，肾脏与神经等不同的细胞，联合的运作而形成一个精密的系统。透过他们有关细胞中水与离子通道的开创性发现，今年的化学诺贝尔奖得主， Peter Agre 与 Roderick MacKinnon，在增进了解细胞如何运作的基础化学知识方面，有重要的贡献。他们让大家看到一个精采的分子机器家族：通道、闸门与活栓，这些元件是细胞功能所必须的。
通过细胞膜的分子通道
为了维持细胞内外压力的平衡，让水能通过细胞膜是非常重要的，这是早为大家所熟知的。然而这种通道的形状与功能，却成为生物化学中一个典型的久未解开的问题，一直等到约 1990 年 Peter Agre 发现了第一个水的通道，就如同细胞中许多其它功能所需一般，都是由於一个蛋白质。
水分子并非唯一能进出细胞的分子，为了让成千上万的细胞成功的运作而非聚集在一起的肉块而已，协调是很重要的，因此细胞之间必须沟通，而细胞之间的讯号传递则是靠着离子或是一些小分子，由此导致一系列的化学反应，造成我们的肌肉紧绷，眼睛湿润 ─ 实际上包括了整个身体的运作。在我们脑部的讯号亦与这些化学反应有关。当我们弄断了一个脚趾时，一个讯号就会上传至脑部，透过一连串的神经细胞以及化学讯号及离子的流动，讯息就好像接力赛的棒子般在细胞间传递。
在 1998 年 Roderick MacKinnon 第一次成功的展示了离子通道在原子的层次到底长的是什麽样子 ─ 这个成就加上 Agre 的水通道之发现，打开了生化与生物学中一个崭新的研究领域。
Agre 与 MacKinnon 的发现在医学上的贡献也是很重要的，有一些疾病的成因就是因为水与离子的通道不能流畅的运作有关。随着逐渐的了解这些通道的长相以及它们如何运作，我们就有机会发展更新更有效率的药物。
水通道
搜寻水通道
早在 19 世纪中叶，人们就知道细胞一定有一个管道让水与盐类流通。在 1950 年代中期，发现有一个只能让水分子迅速进出细胞的通道存在，在这之後的三十年间，透过详细的研究，结论是一定有某种选择性的过滤装置能阻断离子通过细胞膜，但却能让中性的水分子自由通过，而且每秒钟有成千上万的水分子通过一个单一的通道！
虽然知道这些，但一直等到 1992 年都尚无人能指出这个分子机器到底长相如何；换言之，就是能找到一个或多个蛋白质所构成的真正通道。在 1980 年代中期，Peter Agre 研究红血球细胞上的各种细胞膜蛋白质（插在细胞膜上），他也在肾脏中发现一个同类型的蛋白质，在解开了这个蛋白质的序列以及相对应的 DNA 序列之後，他体认到这一定就是在他之前的众多学者所搜寻的那个蛋白质：细胞的水通道。
Agre 利用一个简单的实验（图 1）来测试他的假设，在此实验中，他比较含有此膜蛋白与不含此膜蛋白的细胞，当这些细胞放入水中时，那些含有此膜蛋白的细胞因为渗透压之故会吸收水分而涨大，而那些没有此膜蛋白者则闻风不动。Agre 又利用一种称为 liposome 的人造细胞来测试，那是一种内外都是水的一种肥皂泡泡，他发现当此肥皂泡的膜上植有此膜蛋白时，水就可以自由进出。
由於 Agre 知道汞离子会阻碍细胞吸收及释放水，因此他也证明了这个他所发现能控制水进出细胞的蛋白质，也会因为汞离子的存在而无法让水通过。这使得他更确定这个蛋白质就是真正的水通道，他命其名为 aquaporin，即＂水洞＂之意。
一个结构与功能的问题：水通道如何运作？
在 2000 年，透过与其他研究团队的合作，Agre 发表了一个 aquaporin 的高解析度 3D 图像，藉这这些数据，就能按图索骥，仔细的描绘出一个水通道是如何运作的（图 2）。为何它只让水通过而不让其它的分子或离子放行？例如细胞膜是不允许质子（H+）渗漏的，这点非常重要，因为细胞就是靠着内外质子浓度的差异来维持细胞能量储存的系统。
选择性是这个通道的主要性质，水分子必须顺着由构成通道壁的原子所形成的电场方向，钻过一个狭窄的通道，质子（或应称之为 oxonium 离子，H3O+）将会在中途因为其所带的正电荷而被驱逐。
水通道在医学上的重要性
在过去十年里，水通道已发展成为一个不断被讨论的研究领域。大家发现 aquaporin 是属於一个蛋白质大家族的成员，它们存在於细菌与动植物中；仅在人体就发现至少有七种不同的变体。
这些蛋白质在细菌与动植物中的功能正被勘测中，特别集中在企图了解它们在生理上扮演的角色。在人体的各组织中，水通道在肾脏扮演了重要的角色。
肾脏是一个人体用来排除废弃物的精巧装置，在它做为筛子用的线圈中（称为丝球体），水、离子与其它的小分子与血液分离成为所谓的初尿，在 24 小时中，约生成 170公升的初尿，其中大部分透过一系列灵巧的机制被重新吸收，最终每日产生约 1 公升的尿排出体外。
初尿通过丝球体後继续通过一个弯管，在其中约 70% 的水通过 aquaporin AQP1 而被重新吸收回血液中，在此管的末端，另外 10% 的水通过另一个类似的 aquaporin AQP2 而被吸收。除此之外，钠、钾与氯离子亦被吸收回血液中。抑制尿分泌荷尔蒙（vasopressin）的功能，是促进 AQP2 传送到肾管壁的细胞膜，因此增加了初尿中水的回收，如果一个人缺乏这种荷尔蒙，将会得到一种称为 diabetes insipidus 的疾病，每天产生10-15 公升的尿。
离子通道
盐类产生的细胞讯号
第一个物理化学家奥斯华（Wilhelm Ostwald , 1909 年诺贝尔化学奖）在 1890 年就认为在活体组织中所量到的电流讯号，应该是来自於离子透过细胞的进出，这个电化学的想法很快的广为接受。到了 1920 年代，又兴起了一种看法，认为有某种狭窄的离子通道存在，有两位英国的学者 Alan Hodgkin 与 Andrew Huxley 在 1950 年代初期得到了一项重大的突破，因此得到了 1963 年的诺贝尔医学奖，他们的研究显示，透过神经细胞膜的离子传输，所产生的讯号可透过一个个神经细胞，以接力赛的方式传递，这些反应里面最主要的角色就是钠离子（Na+）与钾离子（K+）。
这也就是说，早在 50 年前就已经充分了解了离子通道的主要功能，这些通道必须选择性的只让一种离子通过，同样的这些通道也必须有能力打开、关闭或只让离子往一个方向流动。然而这个分子机器到底真正是如何运作的，却长久以来一直是个谜团。
选择性的离子通道
在 1970 年代的研究就已显示，离子通道只能让某些离子通过，是因为它装有某种＂离子过滤器＂。特别有趣的是，虽然钠离子比钾离子要小，却发现有一种通道只能让钾离子通过，却不会让钠离子通过。猜测这可能是由於蛋白质中的氧原子们扮演了一个重要的＂取代角色＂，取代了原先溶於水中的钾离子周围所包的水分子层，当钾离子要进入通道中，必须先脱离这个水层的包围。
但是进一部要证实这个猜测却很困难，因为真正需要做的是需取得只有 X-射线晶体绕射才能得到的清楚图像，问题是运用这种方式去解膜蛋白的结构是非常困难的，当然要去解钾离子通道的结构也不会例外。动植物的膜蛋白比细菌中者要更复杂而更难研究，但是藉着与人类离子通道非常类似的细菌通道蛋白质之研究，或许能提供进一步的了解。
许多研究人员在这个方面的努力均无功而返，可是却在另一个方向的研究中意外的得到了突破。 Roderick MacKinnon 在修完生化的学位後，转入了医学的领域，成为一个合格的医师。在成为医师之後若干年，他开始对离子通道产生极高的兴趣，并开始了这方面的研究。他自承＂我的研究生涯从 30 岁才开始＂，不过他的研究却快速的起飞。由於体认到要了解离子通道如何运作，必须要有更好而且更高解析度的结构图像，他决定从最基本的 X-射线结晶学开始学起，在短短的数年之後，他提出了一个清楚的离子通道图像而震撼了整个学界，这个重要的事件正是发生在 1998 年的一个四月天。
第一个被图解的离子通道
在 1998 年 MacKinnon 所决定的第一个高解析度的离子通道结构称为 KcsA，乃是由一个称为 Streptomyces liridans 的菌株得到的。 MacKinnon 第一次展示了在原子的层次，一个离子通道是如何运作的，那个只允许钾离子通过而拒绝钠离子的离子过滤器，现在可以仔细的去研究，他不仅能弄清楚离子如何通过这个通道，其实在其晶体结构中甚至於可看到正在通道前被水包围着的离子，在过滤器之中的离子，以及离开过滤器的离子，水是如何的来迎接它们（图 3）。 MacKinnon 也能解释为何是钾离子而非钠离子被允许通过此过滤器，说穿了，这主要是由於钾离子在过滤器中，周围所围绕的氧原子之位置，与在外面被水分子包围着时，水分子的氧原子之位置是相同的，但是对较小的钠离子而言，它在过滤器中与氧原子的相对位置，就无法与在水中时一样（图 4），因此就较喜欢留在水中（因为有较佳的水合能）。这种能让钾离子脱离水层，通过通道而且不损失能量的做法，属於一种所谓选择性催化的离子传输。
细胞也需要能控制通道的开启与关闭， MacKinnon 也说明了这是藉着一个通道下方的闸门，这个闸门可开启或关闭一个分子＂感知器＂，这个感知器就在门的附近。不同的感知器会回应於不同的讯号，例如，钙离子浓度的增加，或一个细胞膜两边的电压差异，或与某种讯息分子的螫合，藉着不同的感知器与离子通道的连接，大自然创造了能回应於众多不同讯号的各种通道。
了解疾病
膜上的通道是所有生命体的基本要件，由於此，增加对它们的认识就成为了解许多疾病状态的重要基础。各种不同的脱水现象，以及对热的敏感度，就与 aquaporin 的效率有关；例如最近几年欧洲的热浪，导致了许多的死亡，这些死亡，有部分是归诸於无法保持体液的平衡，在这些过程中 aquaporin 是非常重要的。
离子通道的功能一但受到干扰，就会导致神经系统方面的疾病，以及肌肉，例如心肌，方面的问题，这使得离子通道成为一个制药界开发新药的重要目标。
参考资料
这份文章是译自诺贝尔奖委员会公布给大众的阅读资料：
http://www.nobel.se/chemistry/laureates/2003/public.html
有意进一步的了解就得详读以下资讯：
http://www.nobel.se/chemistry/laureates/2003/public.html
