阿格雷得奖是由于他发现了第一个细胞膜水通 道并完成了其功能鉴定 ,而麦金农的贡献主要是在 细胞膜离子通道的结构和机理研究方面 。他们的发 现阐明了盐分和水是如何进出活体细胞的 。阿格雷 的发现于 1988 年完成 ,而麦金农的成果于 5 年前完 成 ,媒体评论说 ,如此新的成果奖 ,在诺贝尔科学奖 历史上是比较罕见的 。而且 ,今年诺贝尔化学奖同 生理学和医学奖一样显示出了当代科学跨领域研究 的趋势 。
1988 年阿格雷等对红细胞膜分离纯化 Rh 多肽 时发现了一个分子量为 28 000 的疏水性跨膜蛋白 , 称之为形成通道的整合膜蛋白 28 ( CHIP28 ,Chan2 nel - Forming - integral membrane protein) ,随后又 在肾 脏 细 胞 中 发 现 了 这 样 的 蛋 白[3 ] 。1991 年 ～ 1992 年 ,阿格雷及其同事又先后完成了该蛋白的分
(4) :23 - 24 [ 6 ] 新华网北京 ,2003 年 10 月 8 日电 [ 7 ] 长橹巧. 通过作用于离子通道的药物来治疗疼痛. 日本医学介
绍 ,2001 , (9) :388 [ 8 ] 人民网新华社斯德哥尔摩 ,2003 年 10 月 8 日电
第六届全国微型化学实验研讨会继续征文通知
细胞能够控制离子通道的开和关 ,麦金农的研 究表明 ,这种功能是通过离子通道底部的阀门来完 成的 。靠近阀门的分子“传感器”控制着阀门 ,特定 的传感器与特定的信号相关 。
2 获奖成果的现实和历史意义
对水通道和离子通道的研究意义重大 。很多疾 病 ,比如一些神经系统疾病和心血管疾病就是由于 细胞膜通道功能紊乱造成的 ,对细胞膜通道的研究 可以帮助科学家寻找具体的病因 ,并研制相应药物 。 例如 ,研究表明水通道蛋白与泌尿系统的疾病就有 着很大的关系 ,其中 AQ P1 与肾细胞癌密切相关 ,这
瑞典皇家科学院 2003 年 10 月 8 日宣布 , 将 2003 年诺贝尔化学奖授予美国科学家彼得·阿格雷 ( Peter Agre) 和罗德里克·麦金农 ( Roderick Mackin2 non) ,以表彰他们在细胞膜通道研究方面做出的开 创性贡献[1 ] 。
1 关于获奖成果的介绍
各种生物都是由细胞组成的 ,一个人的身体至 少有一千亿个细胞 。细胞可以形象地比喻成一个由 围墙围起来的小城镇 。早在 100 年前 ,人们就猜测 细胞这一小城镇的城墙中存在着许多“城门”,它们 只允许特定的分子或离子进出[3 ] 。
现在阿格雷和麦金农以及其他科学家的研究成 果揭示了细胞膜上同时存在着水分子通道和离子通 道 ,这些通道掌控着水分子和离子进出细胞 (如图 1 所示) ,恰如人们之前所猜测的“城门”。
彼得·阿格雷 罗德里克·麦金农
阿格雷 1949 年出生在美国明尼苏达州小城诺 斯菲尔德 ,1974 年在巴尔的摩约翰斯·霍普金斯大 学医学院获得医学博士学位 ,1993 年起一直担任该 学院生物化学教授和医学教授 。麦金农 1956 年出 生 ,在美国波士顿附近的小镇伯灵顿长大 ,1982 年 获得塔夫茨医学院医学博士学位 ,1996 年起担任洛 克菲勒大学分子神经生物学和生物物理学教授[1 ] 。
图 4 所示为钾离子通道的结构示意图 ,图中可 以看出 ,离子通道中的确具有“离子过滤器”。这样
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化 学 教 育 2004 年第 1 期
的结构解释了为什么钾离子通道能够选择性地通过 钾离子 。钾离子在进入通道之前是由水分子包围 的 。在离子进入通道后通道内壁的氧原子取代了水 分子与钾离子相互作用 。通过通道以后钾离子被通 道另一侧的水分子所包围 。如果试图通过钾离子通 道的不是钾离子而是钠离子 ,由于钠离子的半径比 钾离子小 ,离子通道内的氧原子就不能和钠离子很 好的结合 ,钠离子因而不能脱离水溶液进入离子通 道 (如图 5 所示) 。离子通道中这种使离子脱离水溶 液并进入离子通道的过程并不需要消耗能量 ,只是 一种类似于选择催化的选择性离子传输 。其他如钠 离子 、氯离子等的离子通道也具有与钾离子通道类 似的结构 。
就提示人们可研制出一种有效药物 , 通过改变 AQ P1 功能改变细胞膜对水的通透性 ,来治疗肾细 胞癌[4 ] 。近年来 ,科学家已弄清离子进入细胞可影 响神经兴奋性等神经功能 。通过投入作用于离子通 道的药物 ,可降低疼痛神经兴奋性 ,抑制痛感的发 生 、传导 ,从而达到镇痛的目的[7 ] 。中药的一个重 要功能是调节人体体液的成分和不同成分的浓度 , 这些成分可以通过不同细胞膜通道调节细胞的功 能 ,有专家认为对细胞膜通道的研究可以为揭示中 医药的科学原理提供重要的途径[8 ] 。
总之 ,2 位科学家的发现使人们从根本上了解 了细胞上的通道 ,这表明当代生物化学家在寻求了 解生命的基本过程时已经深入到了原子水平 。这为 生物化学开创了一个全新的纪元 。
参 考 文 献 [ 1 ] http :/ / www. nobel. se/ chemistry/ laureates/ 2003/ mackinnon -
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 ,仅人体内就有 11
图 5 离子进入离子通道前后的状态 上图为离子进入通道前的状态 , 下图为离子进入通道后的状态
1998 年罗德里克·麦金农利用 X 射线晶体成像 技术获得了世界上第一张钾离子通道的高清晰度照 片 ,第一次从原子层次揭示了离子通道的工作原理 。 这张照片上的离子通道取自青链霉菌 ,也是一种蛋 白[2 ] 。麦金农的方法是革命性的 ,它可以让科学家 弄清离子在进入离子通道前 、在通道中以及穿过通 道后的情况 。
阿格雷用自己的发现和实验证明了水通道蛋白 理论 , 他 发 现 的 水 通 道 蛋 白 被 命 名 为 Aquaporin (AQ P1) 。以后科学家陆续从哺乳动物组织中鉴定 出的各种水通道蛋白 ,统称“Aquaporins (AQ Ps) ”。
图 2 注入 CHIP28 的爪蟾的卵母细胞与 未注入 CHIP28 的爪蟾的卵母细胞对比
由于 SARS ,第六届全国微型化学实验研讨会暨第四届全国中学 ML 研讨会延至 2004 年 7 月与海峡两 岸微型实验研讨会同时在齐齐哈尔大学举行 ,现继续征文 ,征文要求与格式详见本刊 2002 年 12 期 。征文截 止日期 2004 年 4 月 20 日 ,请以电子函件附件方式发至 qsl @ysu. edu. cn 。(齐齐哈尔大学李青山教授收) 。 原投稿部分文章应作者要求 ,已在内蒙民族大学学报 2003 年 1 期上刊出 。但仍可作为会议论文在会上 交流与评奖 。
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知识介绍
细胞膜通道揭秘
———2003 年诺贝尔化学奖简介
徐 惠 马宏佳 Ξ 张守林
(南京师范大学化学教育研究所 江苏南京 210097)
摘要 2003 年的诺贝尔化学奖颁给了 2 位发现盐 (离子) 和水如何进出细胞的科学家 ———彼得· 阿格雷和罗德里克·麦金农 。本文详细介绍了他们的发现 ,重点介绍了细胞膜水通道和离子通道的 机理 。 关键词 诺贝尔化学奖 细胞膜通道 水通道 离子通道
2000 年 ,阿格雷与其他研究人员一起公布了世 界上第一张水通道蛋白的高清晰度立体图像 。图像 所显示的结构和细节可以解释为什么水通道具有高 渗透性 、严格的水通过选择性 ,以及为什么质子不能 通过水通道蛋白 AQ P1 。
种 。它具有十分重要的功能 ,比如在人的肾脏中就 起着关键的过滤作用 。通常一个成年人每天要产生 150L～200L 的原尿 ,这些原尿经肾脏肾小球中的水 通道蛋白的过滤 ,其中大部分水分被人体循环利用 , 最终只就会得多尿症 。 1. 2 离子进出细胞的“城门”———离子通道
离子通道是另一种细胞膜通道 。早在 1890 年 , 威廉·奥斯特瓦尔德 ( Wilhelm Ostwald 1909 年诺贝 尔化学奖获得者) 就推测离子进出细胞会传递信息 。 20 世纪 20 年代 ,科学家证实存在一些供离子出入 的细胞膜通道 。50 年代初 ,阿兰·霍奇金 ( Hodgkin) 和安德鲁·哈克斯利 ( Huxley) 发现了离子如何像田 径接力赛的接力棒一样从一个神经细胞中出来进入 另一个神经细胞从而传递信息 。为此 ,他们获得了 1963 年诺贝尔生理学和医学奖 。20 世纪 70 年代的 研究表明离子通道由于具有类似于“离子过滤器”的 装置 ,而能选择性地通过离子 。那么离子通道的结 构和工作原理又是怎样的呢 ?
Ξ 通讯联系人
2004 年第 1 期 化 学 教 育
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子克隆和功能鉴定 。 在进行功能鉴定时 ,阿格雷等人将在体外转录
合成的 CHIP28 注入到非洲爪蟾的卵母细胞中 ,结 果发现在低渗透溶液中 ,卵母细胞因为吸水迅速膨 胀[2 ] (如图 2 所示) 。若上述实验中同时注入 Hg2 + , 则卵母细胞的吸水膨胀明显受到抑制 ,因为 Hg2 + 是 阻止细胞膜水传输的常用离子 。这些实验充分说明 水通道蛋白具有允许水分子进入的功能 ,就是水通 道。
会议筹备组 承办单位 :燕山大学 、齐齐哈尔大学
下 期 要 目
·平衡的营养观与微量元素的二重性 ·有机含氮化合物碱性强弱规律 ·发现化学美 感悟科学魅力 ·化学网络课程有效实施 的课程观及教学策略
·新课程标准下中考化学命题改革 的实践与探索 ·“问题研究法”在高三化学综合复习 中的应用研究 ·河北省中学化学实验情况调查与思考
or. ht ml [ 2 ] 才丽平 ,赵金茹 ,林庶茹等. 水通道蛋白研究进展. 解剖科学进
展 ,2003 , (2) :167 - 169 [ 3 ] http :/ / www. nobel. se/ chemistry/ laureates/ 2003/ public. ht ml [ 4 ] 王卫东. 水通道蛋白. 生物学通报 ,2002 , (6) :23 - 24 [ 5 ] 钟远. 水通道蛋白的研究进展. 国外医学泌尿系统分册 ,1999 ,