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2003年諾貝爾化學獎─細胞膜中通道的奧祕

今年度諾貝爾化學獎的桂冠由發掘細胞膜中通道 (channels in cell membranes) 奧祕的美國科學家Peter Agre與Roderick MacKinnon共同獲得。

　　生物細胞乃以雙層脂質膜與外界隔離。此雙層脂質膜通常阻斷水、離子與其他極性分子之通透，但在許多狀況下，這些分子仍需迅速且具選擇性地通過細胞膜。順應離子梯度的運輸以細胞膜通道蛋白質 (membrane channel proteins) 為媒介，與離子梯度逆向的運輸則由細胞膜幫浦蛋白質 (membrane pump proteins) 來執行。水通道 (water channels) 使細胞得以調節其體積與內部滲透壓，在人體的泌尿系統及植物的根部扮演要角；離子通道 (ion channels) 則讓細胞能夠產生並傳遞電訊號，是建構神經系統的基本分子。

水通道

　　早在十九世紀中期，科學家便提出細胞膜中存在著通道的假設。一九五○年代後期，Sidel與Solomon發現紅血球細胞上含有對水分子具選擇性通透的通道。後續三十年的研究顯示水通道普遍存在於各種器官組織，在阻止帶正電之質子通過的同時，容許水分子以每秒十億個分子的速度進出細胞。然而，直到一九八七年，仍然沒有人能分離出單一水通道，而且水通道的概念依舊具爭議性。

　　令人難以捉摸的水通道最後終於被Peter Agre發現了。一九八八年，他從紅血球及腎小管中分離出一個28kDa的膜蛋白CHIP28。在獲知N端蛋白質與整段cDNA序列後，他發覺這可能是眾人尋覓已久的水通道。將表現CHIP28 (現稱為aquaporin 1或AQP1) 的Xenopus卵細胞置於低張溶液，細胞在三分鐘內吸水膨脹；重造 (reconstitute) 純化的CHIP28於微脂粒 (liposome) 上亦得到相同現象。汞離子對此膨脹反應的抑制效果更證實了CHIP28就是紅血球細胞膜上的水通道。

　　目前，已知與aquaporin相似的蛋白質在人體內至少有十一種，在阿拉伯芥中則多達三十五種。而AQP1及AQP2兩種水通道對每天自尿液再吸收一百五十至兩百公升水的腎臟最為重要。AQP1蛋白質的三度空間結構於二○○○年被解出後，科學家得以解釋水通道對水分子的高度選擇性──水分子在通道上半與下半部具有相反方向的偶極矩，故可防止質子的通過。Peter Agre當年無心插柳地發現水通道，無疑奠下一個重要的生理及醫學領域之生化基礎。

離子通道

　　一九○九年諾貝爾化學獎得主Wilhelm Ostwald在一八九○年時便推測：生物組織中的電流是由在細胞膜進出的離子所引起。一九○○年早期的研究指出膜電位的本質是電化學，而Machaelis則在一九二五年提出窄狹離子通道存在的可能性。一九六三年諾貝爾生理醫學獎得主Hodgkin與Huxley於一九五○年代早期在烏賊巨大軸突細胞膜上的離子傳導研究，開啟了神經生理學的新頁。鈉、鉀、鈣離子通道的存在由實驗證實，關於迅速運輸、離子選擇性、通道開關、通道去活化等概念也發展齊備，但其分子機制依然不明。

　　石破天驚的發展出現在一九九八年，Roderick MacKinnon成功解出第一個高解析度的離子通道三度空間結構──源自鏈黴菌Streptomyces lividans的KcsA鉀離子通道。位於通道上緣的selectivity filter恰好完美地容納去除了水分子的鉀離子，但卻堅決地將體積較小的鈉離子拒於千里之外，因而解釋了對鉀離子的高選擇性與每秒通過一億個離子的高運輸速度。KcsA顯現離子通道的關閉狀態，二○○二年同樣由MacKinnon研究小組解出的鈣離子活化型鉀離子通道MthK三度空間結構，則捕捉了離子通道的開放狀態。離子通道開關的機制在比較兩者之際呼之欲出──sensor domain的構象改變 (conformational change) 將離子通道靠近細胞內部的transmembrane helices分開，因此開啟了離子通道的門戶。

　　MacKinnon的研究小組隨後陸續發表了內整流型鉀離子通道、氯離子通道、及倍受質疑的電位調控型鉀離子通道之部份或完整結構。此間，機械式感應通道與乙醯膽鹼接受體的結構研究亦如雨後春筍般嶄露頭角。MacKinnon在鉀離子通道結構與功能研究的貢獻，不但揭開了離子選擇性、通道開關、通道去活化等概念的神秘面紗，更提供了多種神經、肌肉、心臟血管疾病的分子機制及未來藥物設計的可能性