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manbet手机版2003年10月8日

manbet手机版所有的生物都是由细胞构成的。manbet手机版一个人的数量相当于一个星系中的星星，大约有十亿亿颗。manbet手机版我们每个人体内的各种细胞，例如肌肉细胞、肾脏细胞和神经细胞，在一个复杂的系统中共同作用。manbet手机版通过对细胞水和离子通道的开创性发现，今年的诺贝尔奖得主manbet手机版彼得阿格雷manbet手机版而且manbet手机版罗德里克麦金农manbet手机版对细胞功能的基础化学知识做出了贡献。manbet手机版他们打开了我们的眼界，让我们看到了一个奇妙的分子机器家族:通道、门和阀门，所有这些都是细胞运作所必需的。

manbet手机版分子通道通过细胞膜

manbet手机版为了维持细胞内均匀的压力，水能通过细胞膜是很重要的。manbet手机版这一点早已为人所知。manbet手机版这些气孔的外观和功能，长期以来一直是生物化学的经典未解问题之一。manbet手机版直到1990年左右，彼得·阿格雷才发现了第一条水道。manbet手机版就像活细胞里的其他许多东西一样，这都是一种蛋白质。

manbet手机版水分子并不是唯一进出细胞的实体。manbet手机版对于成千上万的细胞来说，要想以不同于一个大肿块的形式运作，就需要协调。manbet手机版因此细胞之间的通信是必要的。manbet手机版细胞内部和细胞之间发送的信号由离子或小分子组成。manbet手机版这些会引发一连串的化学反应，导致我们的肌肉紧张，我们的眼睛流泪——实际上，这些化学反应控制着我们所有的身体功能。manbet手机版我们大脑中的信号也涉及这种化学反应。manbet手机版当我们踩到脚趾时，信号开始向上向大脑移动。manbet手机版沿着神经细胞链，通过化学信号和离子电流的相互作用，信息在细胞之间传递，就像接力赛中的接力棒一样。

manbet手机版1998年，罗德里克·麦金农第一次成功地展示了离子通道在原子水平上的样子——这一成就与阿格雷发现水通道一起，开辟了生物化学和生物学的全新研究领域。

manbet手机版阿格雷和麦金农的发现对医学的影响也很重要。manbet手机版一些疾病可归因于人体水和离子通道功能不良。manbet手机版在对它们的外观和作用机理的基本知识的帮助下，现在有了开发新的和更有效的药物的新的可能性。

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manbet手机版图1所示。manbet手机版细胞和外界之间的分隔墙——细胞膜——远非一个不透水的外壳。manbet手机版相反，它是由各种通道穿孔的。manbet手机版其中许多都是专门适应于一种特定的离子或分子，不允许任何其他类型的离子或分子通过。manbet手机版左边是水通道，右边是离子通道。

manbet手机版水通道

manbet手机版寻找水道

manbet手机版早在19世纪中期，人们就认识到细胞膜上必须有开口才能允许水和盐的流动。manbet手机版在20世纪50年代中期，人们发现水可以通过只允许水分子进入和离开细胞的孔快速运输。manbet手机版在接下来的30年里，人们对这个问题进行了详细的研究，得出的结论是，一定存在某种类型的选择性过滤器，可以防止离子通过膜，而不带电荷的水分子则可以自由流动。manbet手机版每秒有成千上万的水分子通过一个通道!

manbet手机版尽管这一点已经为人所知，但直到1992年，才有人能够确定这种分子机制到底是什么样子的;manbet手机版也就是说，确定哪些蛋白质或哪些蛋白质形成了实际的通道。manbet手机版在20世纪80年代中期，Peter Agre研究了来自红细胞的各种膜蛋白。manbet手机版他在肾脏里也发现了一个。manbet手机版在确定了它的肽序列和相应的DNA序列后，他意识到这一定是许多人一直在寻找的蛋白质

manbet手机版阿格雷在一个简单的实验中验证了他的假设(图2)，他将含有该蛋白的细胞与不含该蛋白的细胞进行了比较。manbet手机版当这些细胞被放入水溶液中时，那些细胞膜中含有蛋白质的细胞通过渗透作用吸收水分并膨胀起来，而那些缺乏蛋白质的细胞则完全不受影响。manbet手机版阿格雷还对人工细胞进行了试验，这种细胞被称为脂质体，是一种内外都被水包围的肥皂泡。manbet手机版他发现，如果蛋白质被植入脂质体的膜中，脂质体就能渗透水。

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manbet手机版图2所示。manbet手机版彼得·阿格雷用含有或缺乏水通道蛋白的细胞做的实验。manbet手机版水通道蛋白是使细胞吸水和膨胀所必需的。

manbet手机版彼得·阿格雷也知道汞离子会阻止细胞吸收和释放水分，他证明了水通过他的新蛋白质以同样的方式被汞阻止。manbet手机版这使他更加确信他已经发现了真正的水道。manbet手机版阿格雷给这种蛋白质命名manbet手机版水通道蛋白,manbet手机版“水孔隙”。

manbet手机版2000年，阿格雷与其他研究团队一起，首次报道了水通道三维结构的高分辨率图像。manbet手机版有了这些数据，就有可能详细绘制出水道的运作方式。manbet手机版为什么它只接纳水分子而不接纳其他分子或离子?manbet手机版例如，膜不允许泄漏质子。manbet手机版这是至关重要的，因为细胞内外质子浓度的差异是细胞能量储存系统的基础。

manbet手机版选择性是通道的核心特性。manbet手机版水分子通过在通道壁原子形成的局部电场中定位，缓慢地通过狭窄的通道。manbet手机版质子(或者说氧离子H_{manbet手机版3.}manbet手机版O^{manbet手机版+}manbet手机版)因为带正电荷而在途中被阻挡并被拒绝。

manbet手机版水道的医学意义

manbet手机版在过去的十年中，水渠已经发展成为一个备受关注的研究领域。manbet手机版水通道蛋白已被证明是一个庞大的蛋白质家族。manbet手机版它们存在于细菌、植物和动物中。manbet手机版仅在人体中，就至少发现了11种不同的变异。

manbet手机版这些蛋白质的功能现在已经在细菌、植物和动物中被定位，重点是它们的生理作用。manbet手机版在人体中，水通道在肾脏等器官中发挥着重要作用。

manbet手机版肾脏是一种巧妙的器官，可以排出身体想要排出的物质。manbet手机版在它的缠绕(称为肾小球)，它的功能是一个筛子，水，离子和其他小分子离开血液作为“初级”尿液。manbet手机版在24小时内，大约产生170升初级尿。manbet手机版大部分尿液通过一系列巧妙的机制被重新吸收，最终每天大约有一升的尿液离开身体。

manbet手机版原发性尿液从肾小球通过缠绕管传递，其中约70%的水被水通道蛋白AQP1重新吸收到血液中。manbet手机版在管的末端，另外10%的水被类似的水通道蛋白(AQP2)重新吸收。manbet手机版除此之外，钠、钾和氯离子也会被重新吸收到血液中。manbet手机版抗利尿激素(抗利尿激素)刺激AQP2运输到管壁的细胞膜，因此增加了尿液的水吸收。manbet手机版缺乏这种激素的人可能会受到这种疾病的影响manbet手机版尿崩症manbet手机版每日尿量为10-15升。

manbet手机版离子通道

manbet手机版细胞用盐发出信号!

manbet手机版第一位物理化学家，德国的威廉·奥斯特瓦尔德(1909年诺贝尔化学奖获得者)在1890年提出，在活体组织中测量到的电信号可能是由离子通过细胞膜进出引起的。manbet手机版这个电化学的想法很快得到了接受。manbet手机版存在某种窄离子通道的概念出现于20世纪20年代。manbet手机版20世纪50年代初，两位英国科学家艾伦·霍奇金和安德鲁·赫胥黎取得了重大突破，并因此获得了1963年的诺贝尔生理学或医学奖。狗万世界杯manbet手机版他们展示了离子通过神经细胞膜时如何产生信号，该信号像接力赛的接力棒一样在神经细胞之间传递。manbet手机版它主要是钠和钾离子，钠^{manbet手机版+}manbet手机版和K^{manbet手机版+}manbet手机版，在这些反应中很活跃。

manbet手机版因此，早在50年前，人们就对离子通道的中心功能有了很好的了解。manbet手机版他们必须能够选择性地接纳一种离子类型，而不能接纳另一种。manbet手机版同样地，通道必须能够打开和关闭，有时只能向一个方向传导离子。manbet手机版但这种分子机制究竟是如何工作的一直是个谜。

manbet手机版离子选择性通道

manbet手机版在20世纪70年代，人们发现离子通道只能吸收特定的离子，因为它们装有某种“离子过滤器”。manbet手机版特别令人感兴趣的是发现了允许钾离子而不允许钠离子的通道——尽管钠离子比钾离子小。manbet手机版人们怀疑，蛋白质中的氧原子作为水分子的“替代品”发挥了重要作用，钾离子在水溶液中与水分子包围自己，在进入通道时必须从水分子中释放出来。

manbet手机版但这一假设的进一步进展很困难——现在需要的只是只有x射线晶体学才能提供的高分辨率图像。manbet手机版问题是，用这种方法确定膜蛋白的结构极其困难，离子通道也不例外。manbet手机版来自植物和动物的膜蛋白比来自细菌的膜蛋白更加复杂和难以处理。manbet手机版尽可能使用与人类离子通道相似的细菌通道蛋白可能会提供一条前进的道路。

manbet手机版许多研究人员的尝试都是徒劳的。manbet手机版这一突破来自一个意想不到的方向。manbet手机版罗德里克·麦金农，在学习了生物化学后，转向医学，并取得了医生的资格。manbet手机版当了几年医生后，他对离子通道产生了浓厚的兴趣，并开始从事这一领域的研究:“我的科学生涯实际上是从30岁开始的，”他承认。manbet手机版但他的事业迅速起飞。manbet手机版意识到需要更好、更高分辨率的结构来理解离子通道的功能，他决定学习x射线晶体学的基础知识。manbet手机版仅仅几年之后，他就提出了离子通道的结构，震惊了整个研究界。manbet手机版那是1998年4月。

manbet手机版第一个离子通道——一个原子一个原子地映射

manbet手机版1998年，麦金农从细菌中测定了第一个被称为KcsA的离子通道的高分辨率结构manbet手机版链霉菌属lividans。manbet手机版麦金农第一次揭示了离子通道在原子水平上的作用。manbet手机版可以吸收钾离子、阻止钠离子的离子过滤器现在可以进行详细研究了。manbet手机版这不仅可以揭示离子是如何通过通道的，还可以在晶体结构中看到它们——在它们进入离子过滤器之前被水分子包围;manbet手机版麦金农可以解释为什么钾离子而不是钠离子可以通过过滤器:即，因为钾离子和过滤器中的氧原子之间的距离，与钾离子在过滤器外时，钾离子和围绕在钾离子周围的水分子中的氧原子之间的距离相同。manbet手机版因此它可以不受阻碍地通过过滤器。manbet手机版然而，钠离子，它比钾离子小，可以manbet手机版不manbet手机版通过通道。manbet手机版这是因为它不适合过滤器中的氧原子之间，因此留在水溶液中。manbet手机版通道能够将钾离子从水中剥离出来，并让它在能量上不付出任何代价地通过，这是一种选择性催化离子运输。

manbet手机版电池还必须能够控制离子通道的打开和关闭。manbet手机版麦金农已经证明，这是通过通道底部的一个门来实现的，这个门可以打开和关闭一个分子“传感器”。manbet手机版这个传感器位于栅极附近。manbet手机版特定的传感器对特定的信号做出反应，例如钙离子浓度的增加，细胞膜上的电压或某种信号分子的结合。manbet手机版通过将不同的传感器连接到离子通道，大自然创造了对大量不同信号作出反应的通道。

manbet手机版图4所示。manbet手机版离子通道允许钾离子通过，但不允许钠离子通过。manbet手机版离子过滤器中的氧原子形成的环境与过滤器外的水环境非常相似。manbet手机版该单元还可以控制通道的打开和关闭。

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manbet手机版离子过滤器外(a) manbet手机版在细胞膜外，离子与水分子结合，与水的氧原子有一定距离。

manbet手机版了解疾病

manbet手机版膜通道是所有生物存在的前提条件。manbet手机版因此，对其功能的进一步了解是了解许多疾病状态的重要基础。manbet手机版不同类型的脱水和对热的敏感性与水通道蛋白的效率有关。manbet手机版例如，欧洲近年来的热浪导致许多人死亡，其原因有时与维持体液平衡的问题有关。manbet手机版在这些过程中，水通道起着至关重要的作用。

manbet手机版离子通道功能紊乱可导致神经系统和肌肉(如心脏)的严重疾病。manbet手机版这使得离子通道非常重要

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