Julia Chen

前言

2003
年諾貝爾化學獎是由兩位研究水與離子如何通透細胞膜的科學家獲得。Peter
Agre（任職於美國約翰霍普金斯醫學院生化所，54歲，美國籍）；發現第一個水通道蛋白，而Roderick
MacKinnon（任職於美國洛克斐勒大學分子神經生物及生物物理研究所，47歲，美國籍）則定出離子通道蛋白的結構與功能。
細胞利用脂質雙層膜來與其他細胞及外界的環境分隔，而細胞內也利用這層膜來區分出一些胞器，如：細胞核、粒線體和葉綠體。通常水、離子和極性分子不能通透
雙層脂質膜。但是在某些情況下，細胞為了對胞內或胞外的刺激做出回應，這些分子需要快速且具有選擇性的通過細胞膜。藉由離子梯度的運輸通常是利用膜通道蛋
白，而逆向離子梯度的運輸通常是利用膜幫浦，如鈉鉀幫浦（這是在1957年由Jens Skou所發現的，並且在1997年贏得諾貝爾化學獎）。

水通道使細胞能夠調節體積及細胞內滲透壓，同時也能使得水分子由體液回收，如當腎臟濃縮尿液時。在植物中，水通道對於根部吸收水分及維持植物整體的水分平衡有很重要的角色。水通道對於從細菌到人類的各種生物都是非常重要的。
離子通道使細胞產生並傳遞電子訊號，因此是建構神經系統基本的分子單位。離子通道可以針對不同的刺激（如：接合物的結合、膜電位、溫度、或物理刺激）而開或關，
許多離子通道都對於某種離子（如：鈉、鉀、鈣、氯離子）有很高的專一性，並且可以達到很高的傳送速率（每秒一億個離子）。在人體當中，離子通道參與在腦、心臟、及肌肉等各種器官的疾病中。

水通道

早
在十九世紀中期，科學家便提出細胞膜中存在著可調節水分或極小分子物質通透的通道之概念。1950年代後期，Sidel與Solomon發現紅血球細胞膜
上含有對水分子選擇性通透的通道，可快速運輸水分子及小分子物質進出細胞膜。後續三十年的研究暗示水通道普遍存在於各種器官組織。然而，直到1987年，
仍然沒有人能直接證明水通道蛋白（ water-specific channel）的存在。 1988年，Peter
Agre從紅血球及腎小管中分離出一個28kDa的膜蛋白CHIP28。在獲知N端蛋白質與完整cDNA序列後，他發現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時，發現細胞在三分鐘內快速吸水膨脹；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
前發現與aquaporin相似的蛋白質在生物界普遍存在。單在人體內至少就有十一種以上，而在阿拉伯芥中則不少於三十五種。腎臟需要負責每天約150-
200公升水分的再吸收，而其中大部分是由AQP1（位於近端腎小管）及AQP2（位於集尿管）所負責。AQP1本身就具有活性而AQP2則受到
Vasopressin的嚴格調節。AQP2調節失衡將導致尿崩症及心臟衰竭。蛋白質的三度空間結構於2000年被解出後，水通道只允許單一方向水分子的
通過且對水分子具高度選擇性。通道中因部分蛋白質結構帶正電，因此可防止質子（H₃O⁺）的通透（proton
hopping）。而蛋白質結構的轉變（rotate）亦會因局部電場的改變，使得通道上半與下半產生相反的偶極距，如此水分子（H₂O）可藉由氫鍵產生雙級的排列方式而滾動通過水通道。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

　　早在1890年Wilhelm Ostwald（1909諾貝爾化學獎得主）根據人工膠膜的實驗提出：當離子在細胞膜間進出可能會造成生物體內的電流。1900年早期的研究指出膜電位本質為電化學，而1952年Michaelis提出離子通道存在的可能性。

　
　1950年早期Hodgkin與Huxley（1963諾貝爾生理醫學獎得主）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，而根據
細胞膜上存在一些獨立的鈉、鉀離子通道這個想法，揭開了一連串對於神經細胞動作電位詳盡的研究。而後也證實了鈉、鉀、鈣離子能以單行的形式穿越細胞膜，並
進一步證明這些離子通道的存在及其構造。在這時期，關於迅速的運輸、離子選擇性、通道開關、通道去活化等概念也發展齊備，然而，關於其分子機制卻仍舊不瞭
解。

　　1960至1970年間，許多實驗室藉由研究電魟（electric ray），最早鑑定出的離子通道蛋白為離子管道型乙烯膽鹼受器（ligand-gated
acetylcholine receptor）。之後藉由低解析度的構造研究顯示，這個離子管道型乙烯膽鹼受器在細胞膜外有一個巨大的漏斗狀構造，緊接著是一個細窄的膜通道構造。

　　之後的二十年，科學家們對於膜離子通道雖仍有研究，但對於調控此通道開關的機制仍不明白，此時，只有獲得高解析度的結構資料，才能使此一領域的研究有更長足的進展。
石破天驚的發展出現在1998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恰好完美地容納鉀離子，但卻能將體積較小的鈉離子拒於千里之外，這樣的結構解釋了為何此離子通道蛋白對鉀離子有高選擇性與每秒通過一億個離子
的高運輸速度，此KcsA顯現離子通道的關閉狀態，在2002年同樣由MacKinnon研究小組解出的鈣離子活化型鉀離子通道MthK的三度空間結構，
則獲得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的構造改變 (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。此後，氯離子通道、機械式感應通道
(mechanosensitive ion
channel)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。

結語

　　膜通道蛋白能夠快速且有選擇性的讓水分子、離子或其他的小分子通過細胞膜。這些膜蛋白在所有的生物中都存在，並且在神經細胞訊息傳遞、肌肉收縮、心臟功能、腎臟水分再吸收、植物根部水分的吸收、以及微生物對滲透壓改變的反應扮演了非常重要的角色。

　　在近幾十年來對於膜蛋白通道的功能瞭解的發展，大多是由於發現了水分子及離子通道蛋白。Peter Agre發現了水分子通道蛋白，而Roderick
MacKinnon對於鉀離子通道蛋白的結構及功能的仔細研究，讓後來的科學家能夠以原子的層級來研究這些膜通道蛋白。