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细胞膜通道之谜!
来源：《健康报》2003.12.31报道
所有的生命体都是由细胞所构成，一个人体上的细胞数目就好像银河中的星星一样，至少有1千亿个，不同的细胞联合运作形成一个精密的系统。细胞通过膜通道将有用的物质不断运进来，废物被不断排出去，以维持细胞功能和结构的稳定和平衡。
2003年10月8日，瑞典皇家科学院将本年度诺贝尔化学奖颁发给了两位美国的生物物理学家：彼得·阿格雷（PeterA－gre）和罗德里克·麦金农（RoderickMackin－non），以分别表彰他们在细胞膜水通道（WaterChannels）和离子通道（IonChannels）的结构与机理研究方面的开创性贡献。他们让大家看到一个精彩的分子“机器”家族：通道、闸门与活栓，这些“元件”是细胞功能所必需的。
细胞膜上的分子通道
水分子通过细胞膜对维持细胞内外压力的平衡是很重要的，这早为大家所熟知。然而水通道的形状与功能，却是生物化学中一个典型的未解之谜。一直到1988年，彼得·阿格雷发现了第一个水通道是一种蛋白质。
水分子并非惟一能进出细胞的分子，为了让成千上万的细胞成功的协调运作，细胞之间必须沟通，而细胞的信号传递则是靠着离子或一些小分子，由此导致一系列的化学反应，造成诸如我们肌肉的收缩、眼睛流泪等，甚至控制着整个身体的功能。我们脑部的信号也与这些化学反应有关。当我们断了一个脚趾时，信号就会上传至脑部，通过一连串神经细胞的化学信号及离子的流动，于是信号就像接力棒一样在细胞之间传递。
1998年，罗德里克·麦金农第一次成功展示了离子通道在原子层次上的样子。这一成就加上阿格雷的水通道的发现，开创了生化与生物学中的一个新的研究领域。
水通道的发现
水是生命体最基本的组成成分，人体的70％是水，各种脱水、热敏感疾病都与细胞内水分改变有关。近年来欧洲的酷暑导致许多人死去，一个主要原因是这些人无法保持体液平衡。这表明水对人体至关重要。水在细胞膜通道中的进进出出可以实现细胞的很多功能，可以说水通道是最重要的一种细胞膜通道。
早在19世纪中期，科学家就猜测细胞膜有允许水和盐进出的孔道，但这一猜想一直未得到证实。20世纪50年代中期，西迪尔（Sidel）与所罗门（Solomon）发现红细胞上含有对水分子具选择性通透的通道，称之为水通道。尽管科学家发现存在水通道，但水通道到底是什么却一直是个谜。此后的三十年间，通过详细的研究，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！
但仍然没有人能分离出单一水通道。
1988年，阿格雷成功地分离了存在于红细胞膜和肾脏细胞膜上的一种蛋白，在分析了这个蛋白质的序列以及相应的DNA序列之后，他意识到它就是科学家孜孜以求的水通道。
为了验证自己的发现，阿格雷把含有水通道蛋白的细胞和去除了这种蛋白的细胞进行了对比试验，结果发现前者能够吸水，后者不能。为了进一步验证，他又制造了两种人造细胞，称之为脂质体，一种含有水通道蛋白，一种则不含这种蛋白。他将这两种人造细胞膜分别做成泡状物，然后放在水中，结果第一种泡状物吸收了很多水而膨胀，第二种则没有变化。这些实验充分说明水通道蛋白具有吸收水分子的功能，他命其名为水孔蛋白aquaporin（AQP），这也就是科学家们长期搜寻的水分子通道。
后来，阿格雷与他的合作者用高分辨成像技术研究AQP水通道膜蛋白，并在2000年公布了世界第一张分辨率为0.38纳米的高清晰度立体结构图。他们进一步研究了这个水通道的详细作用机制：为什么它只让水分子通过，却不允许其他离子或分子通过？或者为什么就连水分子与氢离子形成的水合质子（H3O＋）也无法从中通过呢？
这是因为细胞膜通道有一个很重要的特性，就是具有选择性，而AQP的形状，正是它只能让水分子通过的原因。水分子成单一纵列进入弯曲狭窄的通道，通道中的极性与偶极力会帮助水分子旋转，以适当的角度通过狭窄的通道，而通道中有一个带正电的区域，会排斥带正电的离子，便可以避免水合质子的通过。
目前，科学家发现水通道蛋白广泛存在于动物、植物和微生物中，它的种类很多，仅人体就有11种，而植物的水通道蛋白质数量更多。
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作者:admin@医学,生命科学 2011-06-28 05:48
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