|
2003年的诺贝尔化学奖，颁给了两位美国科学家：约翰霍普金斯大学医学院的阿格雷（Peter Agre）与洛克斐勒大学霍华休斯医学研究中心的麦金农（Roderick MacKinnon）。他们获奖的研究都与细胞膜上的通道有关，瑞典皇家科学院在10月8日发布的新闻稿中指出，阿格雷是因为“发现水通道”与麦金农“在离子通道的结构与机制上的研究”，而共享今年的诺贝尔化学奖。
神秘水通道终于现身
 生命现象与水脱不了关系。与生命有关的一切生理、生化反应，都是在水中发生的。当细胞以双层磷脂质组成的细胞膜隔出内外，阻绝了水与离子的通透，如何维持细胞膜内外渗透压的平衡，就变得非常重要了。因为如果细胞里的水太多（或离子浓度太低），细胞会被撑破，如果细胞里的水太少（或离子浓度太高），细胞会变得干瘪，生化反应无法顺畅进行。
长久以来，科学家便知道细胞膜上有一些蛋白质，负责细胞内外物质的通透，这些蛋白质可以说是细胞膜上的密道，能够选择性地让细胞内外的物质进行交换。有些通道只是进行单纯的流量管制，而有些物质的进出，因为要对抗浓度上的差异（渗透压），则需要消耗能量（例如钠离子与钾离子的通交换通道，便会消耗ATP）。然而，水分子如何进出细胞，则一直是个谜。
1988年，阿格雷成功从红血球分离出一种膜蛋白，在经过多种分析、蛋白质定序与该蛋白质cDNA的定序后，他确定这就是大家寻觅已久的水通道。阿格雷将之命名为“aquaporin”，意即“水孔”。到了2000年，阿格雷与其他的研究团队合作，做出了aquaporin蛋白质三维结构的高解析度影像，使他们得以进一步研究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，就是它们具有选择性，而Aquaporin的形状，正是它只能让水分子通过的原因。水分子会成单一纵列，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，以适当的角度挤过狭窄的通道；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偷渡。
Aquaporin的发现才没几年，有关它的性质与作用的分子机制，都已经有相当的了解。科学家在其他生物身上，也发现了类似的水通道，从细菌、植物到动物都有。光是人类身上，就有至少11种水通道蛋白质，而植物的水通道蛋白质数量更多，种类也高达35种。
水通道的研究之所以热门，是因为它与体液的排出有关。特别是肾脏，它每天都得从尿液中回收水份，以调节体内的含水量。体液的滞留，可能会引起郁血性心脏衰竭，而许多遗传疾病也与aquaporin的缺陷有关，例如肾性尿崩症（nephrogenic diabetes insipidus）。水通道的发现，可以说是为生物科技与医学界开启了另一个相当重要的研究领域。
挑剔的离子通道
本届诺贝尔化学奖的另外一个主题，就是细胞膜上的另外一种通道“离子通道”。细胞膜上离子通道的功能，除了前述可以调节细胞内外的渗透压，也是维持细胞膜电位的重要分子，而神经细胞要进行讯号传导，便是靠离子的进出以造成膜电位的变化。虽然科学家对于细胞膜上离子通道已有相当程度的了解，对于离子通道所具有的特殊选择性，也从能蛋白质的结构大略获得解释，但是一直缺乏一套完整详细的分子作用机制。原因是，要做出膜蛋白三维结构的高解析度影像，非常不容易。
1998年，麦金农做出了链霉菌的离子通道蛋白质KcsA的高解析三维结构影像，并首度从原子层次去了解离子通道的作用方式。KcsA离子通道中有一种“滤嘴”，能让钾离子（K+）通过，却不允许同族元素中体积更小的钠离子（Na+）通过，这令科学家百思不得其解。但是麦金农根据KcsA的立体结构，发现离子通道中“滤嘴”边上的四个氧原子的位置，恰好跟钾离子在水溶液中的情况一样，亦即滤嘴边上的氧与水分子的氧距离相同，所以钾离子能够安然通过通道，一如在水中一样；但钠离子尺寸较小，无法顺利接上滤嘴边上的四个氧原子，因此只能留在水溶液，而无法轻易穿过通道。而离子通道的开关会受到细胞的控制，麦金农发现，离子通道的底部有个闸门，当离子通道接收到特定的讯号，离子通道蛋白质结构便会发生改变，因此造成闸门的开关。
麦金农对于钾离子通道的结构与作用机制的研究，是生物化学、生物物理等领域的一大突破，也为神经疾病、肌肉与心脏疾病的新药物开发，指引了新的方向。
阿格雷与麦金农的发现，虽然只是解开生命中一个非常细微部位的奥秘，却能为我们的医疗成果带来莫大的帮助。离子通道这个研究领域能够获得诺贝尔奖，其实是迟早的事！ | 
