2003年诺贝尔化学奖

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1、2003年諾貝爾化學獎                                                                                                            蔡蘊明譯 譯者按：今年的諾貝爾化學獎頒給了兩位醫生，或許有些奇怪，然而仔細的去瞭解他們所做的工作就會發現，其實他們的研究已經深入到了原子的層次，那不是化學又會是什麼呢！這其實也告訴了眾多對生命科學有興趣的年輕人，其實真正精采的還是在這個化學的層次。考慮加入我們吧。這份文章是譯自諾貝爾獎委員會公佈給大眾的閱讀資料：http://www.nobel.se/

2、chemistry/laureates/2003/public.html。有意進一步的瞭解就得詳讀以下資訊：http://www.nobel.se/chemistry/laureates/2003/public.html。  所有的生命體都是由細胞所構成，一個人身上所擁有的細胞數目就好像銀河中的星星一般，約有上千億個，在每一個人身上，例如肌肉，腎臟與神經等不同的細胞，聯合的運作而形成一個精密的系統。透過他們有關細胞中水與離子通道的開創性發現，今年的化學諾貝爾獎得主，PeterAgre與RoderickMacKinnon，在增進瞭解細胞如何運作的基礎化學知識方面，有重要的貢獻。他們讓大家

3、看到一個精采的分子機器家族：通道、閘門與活栓，這些元件是細胞功能所必須的。 通過細胞膜的分子通道 為了維持細胞內外壓力的平衡，讓水能通過細胞膜是非常重要的，這是早為大家所熟知的。然而這種通道的形狀與功能，卻成為生物化學中一個典型的久未解開的問題，一直等到約1990年PeterAgre發現了第一個水的通道，就如同細胞中許多其它功能所需一般，都是由於一個蛋白質。水分子並非唯一能進出細胞的分子，為了讓成千上萬的細胞成功的運作而非聚集在一起的肉塊而已，協調是很重要的，因此細胞之間必須溝通，而細胞之間的訊號傳遞則是靠著離子或是一些小分子，由此導致一系列的化學反應，造成我們的肌肉緊繃，眼睛濕潤─實

4、際上包括了整個身體的運作。在我們腦部的訊號亦與這些化學反應有關。當我們弄斷了一個腳趾時，一個訊號就會上傳至腦部，透過一連串的神經細胞以及化學訊號及離子的流動，訊息就好像接力賽的棒子般在細胞間傳遞。在1998年RoderickMacKinnon第一次成功的展示了離子通道在原子的層次到底長的是什麼樣子─這個成就加上Agre的水通道之發現，打開了生化與生物學中一個嶄新的研究領域。Agre與MacKinnon的發現在醫學上的貢獻也是很重要的，有一些疾病的成因就是因為水與離子的通道不能流暢的運作有關。隨著逐漸的瞭解這些通道的長相以及它們如何運作，我們就有機會發展更新更有效率的藥物。 水通道 搜尋

5、水通道早在19世紀中葉，人們就知道細胞一定有一個管道讓水與鹽類流通。在1950年代中期，發現有一個只能讓水分子迅速進出細胞的通道存在，在這之後的三十年間，透過詳細的研究，結論是一定有某種選擇性的過濾裝置能阻斷離子通過細胞膜，但卻能讓中性的水分子自由通過，而且每秒鐘有成千上萬的水分子通過一個單一的通道！雖然知道這些，但一直等到1992年都尚無人能指出這個分子機器到底長相如何；換言之，就是能找到一個或多個蛋白質所構成的真正通道。在1980年代中期，PeterAgre研究紅血球細胞上的各種細胞膜蛋白質(插在細胞膜上)，他也在腎臟中發現一個同類型的蛋白質，在解開了這個蛋白質的序列以及相對應的D

6、NA序列之後，他體認到這一定就是在他之前的眾多學者所搜尋的那個蛋白質：細胞的水通道。Agre利用一個簡單的實驗(圖1)來測試他的假設，在此實驗中，他比較含有此膜蛋白與不含此膜蛋白的細胞，當這些細胞放入水中時，那些含有此膜蛋白的細胞因為滲透壓之故會吸收水分而漲大，而那些沒有此膜蛋白者則聞風不動。Agre又利用一種稱為liposome的人造細胞來測試，那是一種內外都是水的一種肥皂泡泡，他發現當此肥皂泡的膜上植有此膜蛋白時，水就可以自由進出。 圖1. Agre在含有aquaporin與不含aquaporin的細胞所做的實驗。要有aquaporin在細胞膜上才能吸水而脹大。  由於Agre知道

7、汞離子會阻礙細胞吸收及釋放水，因此他也證明了這個他所發現能控制水進出細胞的蛋白質，也會因為汞離子的存在而無法讓水通過。這使得他更確定這個蛋白質就是真正的水通道，他命其名為aquaporin，即“水洞”之意。一個結構與功能的問題：水通道如何運作？ 在2000年，透過與其他研究團隊的合作，Agre發表了一個aquaporin的高解析度3D圖像，藉這這些數據，就能按圖索驥，仔細的描繪出一個水通道是如何運作的(圖2)。為何它只讓水通過而不讓其它的分子或