二○○三年諾貝爾化學獎
93/04/12
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劉宣良｜
臺北科技大學化學工程系
林進中｜
臺北科技大學化學工程與生物科技系
陳錦文｜
臺北科技大學化學工程與生物科技系
由於愈來愈多的學者和科學家投入生物化學領域的研究和發展，以及生物資訊的急速暴漲，使我們認識的蛋白質種類也愈來愈多，但是我們所了解和已知的蛋白質仍只是冰山的一角，因為還有太多的蛋白質結構和其作用機制仍然是個謎。
自一九五七年第一個蛋白質肌血紅素的立體結構被確定以來，目前約有二萬二千多個蛋白質的立體結構已被Ｘ射線結晶繞射或核磁共振等實驗方法解出來，並置於國際公開的蛋白質結構資料庫中。其中大部分人所感興趣的是蛋白的作用機制，因為某些蛋白質機制的失調很可能引起一些疾病，而科學家可以經由這些機制和蛋白質的結構設計出具有專一性的藥物，所以對於蛋白結構的探討是很迫切需要的，這也就是美國科學家彼得．阿格雷（Peter Agre）和羅德里克．麥金農（Roderick MacKinnon）奪得二○○三年諾貝爾化學獎的主要原因。
瑞典皇家科學院去（2003）年在十月八日發布的新聞稿中指出他們獲獎的研究都和細胞膜上的通道蛋白有關：彼得．阿格雷的研究是因為發現了「水通道」；而羅德里克．麥金農的主要貢獻是在「離子通道的結構與作用機制上的研究」。
諾貝爾化學獎得主
在認識水通道和鉀離子通道之前，讓我們先大致了解一下這二位諾貝爾化學獎得主的背景。彼得．阿格雷現年54歲，生於美國明尼蘇達洲，一九七四年在巴爾地摩的約翰．霍普金斯大學醫學院獲得醫學博士，現在是該學院的生物化學教授和醫學教授。阿格雷有四個小孩，三個小孩已經上大學，在接受記者採訪時，阿格雷表示他最近在考慮一些社會問題，其中包括聲援在美國和世界其他地方受到迫害的科學家，所以他將用部分獎金來捍衛學術自由。當他做出突破性的發現時曾謙虛地說：「這不會成為治療癌症或其他任何疾病的方法，但是對人體祕密的了解又前進了一大步。」
羅德里克．麥金農現年47歲，在美國波士頓附近的小鎮長大，一九七八年在波士頓布蘭代斯大學獲得學士學位，一九八二年在塔夫茨醫學院獲得醫學博士學位，現在是紐約洛克菲勒大學分子神經生物學和生物物理學教授。麥金農家中連同他在內共有七人，他曾經說：「我喜歡觀察最微小的東西游動。」所以他從小就喜歡顯微鏡，至今還能回憶起在顯微鏡下觀察青草、樹葉和昆蟲的樂趣。雖然他拿到的是醫學博士學位，但是為了進行在生物化學領域的博士後研究，他放棄了行醫的計畫，他說：「我的科學生涯實際上是在30歲才開始的。」可是他的研究對人類的貢獻可謂是真正的無價之寶。
水通道的發現
水通道的故事要從一百多年前說起，早在十九世紀中葉，人們便猜測在細胞中一定有一些特定的通道負責水或其它物質的輸送和流量的管制，果然在一九五○年的中期，有學者發現在細胞中有一個專司水分子進出的通道。在這之後的30年間不斷地有學者做實驗來研究和推論，結果他們得到了一個更確定的結綸是：一定有個具有某種選擇性的過濾裝置，這種過濾裝置能阻斷離子和其它物質通過細胞膜，只允許中性的水分子自由進出，而且每秒鐘所通過的水分子有成千上萬個，並且普遍存在於各種器官組織中，這不禁讓人對造物者的神奇感到讚嘆！
但是科學家們想知道的是，這個水通道蛋白的長相究竟如何？這個問題一直到一九八七年都無人能解出，也沒有人能分離出單一的水通道分子。然而到了一九八八年終於有了突破性的發展，當時阿格雷從紅血球中分離出一種蛋白質，而且在腎臟細胞中也發現同樣的蛋白質，在得知這個蛋白質的胺基酸序列和cDNA基因序列後，他驚覺這就是大家尋覓已久的「水通道」蛋白。
阿格雷更進一步做了些實驗來證明他的假設，在這實驗中，他比較含有這種膜蛋白與不含這種膜蛋白的細胞。當這些細胞放入水中時，那些含有這種膜蛋白的細胞會因為滲透壓之故吸收水分而漲大，而那些沒有這種膜蛋白的則沒有明顯的變化。在另外一個實驗中也發現，當人造細胞上植有這種膜蛋白時，水便可以自由地進出細胞。另外，由於阿格雷知道汞離子會阻礙細胞吸收及釋放水分子，而他所發現的這個膜蛋白也會因為汞離子的存在而抑制水分子的進出，這種種的現象讓他確信這個蛋白就是真正的「水通道」。阿格雷將他所發現的膜蛋白命名為「aquaporin（AQPI）」，就是「水洞」的意思。
水通道的運作
二○○○年，阿格雷與其他的團隊合作找出了水通道蛋白質三維結構的高解析影像。由於三維結構的解出，終於可以解釋水通道的作用機制，例如：為什麼水通道只選擇讓水分子通過，卻不允許其它離子或分子通過，就連水分子和氫離子形成的水合質子（H3O+）也無法從中通過？原因是這種蛋白的構造會讓水分子成單一縱列進入彎曲狹窄的通道中，而通道中極性與偶極力會將水分子旋轉，並以適當的角度幫助水分子通過狹長的通道。此外，通道中有一個帶正電的區域，這個區域會排斥帶正電的離子，如此一來，帶正電的水合質子也就無法通過。
到目前為止，在人體內已知和所謂的水通道相似的蛋白質至少就有11種，而植物中的水通道更多，種類更高達35種以上，其中腎臟中的AQP1和AQP2二種水通道每天會自尿液中吸收100～150公升的水再回收至人體，進行循環利用。
水通道的重要性
生命現象與水脫不了關係，人體內約70％的成分是水，與生命有關的生理現象和生化反應都在水中發生，因此，負責調節水分子進出細胞的水通道蛋白就顯得格外重要。
水通道對腎臟特別重要，因為腎臟每天都得從尿液中回收水分以調節體內的水含量，而這些工作都要依靠水通道來完成。尿液中的水有70％藉由水通道AQP1回收至血液，有10％的水通過另一種水通道蛋白AQP2然後被吸收，所以許多腎臟和遺傳的疾病都和水通道有關，例如腎性尿崩症就是水通道蛋白的缺陷所引起的。此外，某些類型的水通道也和體液的排出有關，人體若有些體液發生滯留而無法代謝，就可能會引起例如鬱血性心臟衰竭的疾病。
當年阿格雷無心插柳地發現水通道，無疑奠定了下一個重要的生理及醫學領域的生化基礎，也帶動了現今研究水通道的熱潮。
神奇的離子通道
一九○九年諾貝爾化學獎得主奧斯華（Wilhelm Ostwald）在一八九○年就推測在活體組織中所量測到的電流訊號，應該是在細胞膜中進出的離子所引起的，而這個電化學的想法很快地就被大家接受。到了一九二○年代科學家又興起了另一種看法，那就是離子通道，科學家們認為應該有某種狹長的離子通道讓離子進出細胞。
一九五○年，兩位英國的學者何傑金（Alan Hodgkin）與赫胥黎（Andrew Huxley）有了突破性的發現，因此而得到了一九六三年的諾貝爾醫學獎。因為他們對烏賊巨大軸突細胞膜上的離子傳導研究而開啟了神經生理學的新視界。其研究結果顯示，透過神經細胞膜的離子傳輸，所產生的訊號可透過一個個神經細胞，以接力賽的方式傳遞，這些反應裡面最主要的角色就是鈉離子（Na＋）與鉀離子（K＋）。因此，早在五十年前，科學家就已經對離子通道的功能有大概的了解，這些離子通道必須選擇性地只讓一種離子通過，而且這些通道也必須有能力打開、關閉、或只讓離子往一個方向流動。
其後關於鈉、鉀、鈣等離子通道的存在陸陸續續經由實驗證實，而關於離子的迅速傳輸、離子的選擇性、通道的開關、以及通道的去活化等概念也慢慢地發展齊備，但這些離子通道的分子結構和更正確細微的作用機制卻仍然不明。一九七○年代的研究結果已經確定，離子通道應該如同水通道一樣具有選擇性，大家推測它的構造上也會有一個篩選的裝置。一個有趣的例子是鉀離子通道，雖然鈉離子比鉀離子小，但是實驗發現有一種通道只會讓鉀離子通過，卻不允許鈉離子進入，於是科學家就把這類只讓鉀離子通過的通道稱為鉀離子通道。
對於離子通道的高選擇性科學家只是推測，但要進一步去證實這個猜測，和詳細地去了解整個的作用機制實在相當困難。唯一的方法是使用核磁共振法或Ｘ射線結晶繞射等方法來得到離子通道的三維結構影像，只要知道這種蛋白的長相就可以對它的一些作用機制得到一個合理的解釋。不過由於受限於核磁共振只能解出小分子的立體結構，而離子通道是非常巨大的蛋白，所以科學家們只能靠X射線結晶繞射的技術來求得它的三維立體構像。
離子通道通常是位在細胞膜上，是屬於膜蛋白的一種，要用Ｘ射線結晶繞射的技術去解出蛋白的三維結構，必須將蛋白結晶，而膜蛋白又是出了名的難以結晶，要使它結晶可能要花好幾年也不一定會成功，因此許多研究人員在這方面都無功而返。但是麥金農先生在一九九八年的四月發表了驚人的結果，他首先得到第一個離子通道的三維立體構像。麥金農先生所解出的離子通道屬於鉀離子通道，源自於鏈黴菌Streptomyces liridans 的鉀離子通道蛋白，並將其命名為KcsA。
鉀離子通道的作用機制
解出KcsA鉀離子通道的三維立體結構震驚了整個學界，因為我們首次可以從原子的層次看到一個離子通道是如何運作的。而且從KcsA的三維結構我們可以清楚地了解為什麼鉀離子通道具有篩選鉀離子的功能，其它離子則不允許通過；麥金農先生不僅解釋鉀離子如何通過此通道，從他所解出來的蛋白晶體結構中還可看到正要進入通道前的鉀離子被水包圍著。原來鉀離子通道具有篩選離子的「濾嘴」，稱之為「selectivity filter」。
KcsA鉀離子通道是由四個相同的次單元所組成的蛋白質，每個次單元由六個疏水性區段S1～S6構成，這四個次單元的S5～S6區段在細胞膜中環繞成一個供鉀離子進出的孔狀濾嘴，在進入濾嘴之前的鉀離子是由水分子所包圍的，而濾嘴裡的氧原子的位置和包圍鉀離子的水分子中的氧原子具有相同的相對位置，所以鉀離子進入通道之前會脫去包圍它的水分子，然後濾嘴裡的氧原子正好取代水分子中的氧原子，迎接鉀離子進入通道內。
相對於較小的鈉離子而言，它在濾嘴中的氧原子的相對位置並不像在水中時一樣，因此，鈉離子比較喜歡留在水中，而不願脫去水進入濾嘴中。以能量的觀點來解釋，鈉離子留在水中會有較佳的水合能。這種能讓鉀離子脫離水的包圍而不會造成能量上的損失的方法，是屬於一種所謂選擇性催化的離子傳輸。
麥金農先生還發現在離子通道的下方有一個區域扮演類似「閘道（gate）」的功能，因為離子進入通道後細胞也需要能控制通道的開啟與關閉的元件，而這個「閘道」就是負責這個功能的元件之一，另一個元件則是控制閘道的開和關，其功能就像是「感應器」一樣。
麥金農先生藉由Ｘ射線結晶繞射方法所解出的KcsA通道結構是屬於關閉狀態。在二○○二年，他的研究小組也解出了鈣離子活化性鉀離子通道（MthK）的三維空間立體結構，這個結構則捕捉了鉀離子通道的開放狀態。將二者的結構進行比較，發現由於感應器構形的改變造成了閘道開和關的動作。不同的感應器會回應不同的訊號來開啟或關閉閘道，例如鈣離子濃度的增加（鈣離子活化型鉀離子通道）、細胞膜二邊的電壓差異（電位調控型鉀離子通道）、或是和某種訊息分子的結合（基質結合調控型鉀離子通道）。
藉著不同的感應器與離子通道的連接，大自然創造了能回應眾多不同訊號的各種通道。離子從水中脫離，透過濾嘴進入通道，再經由感應器來打開閘門使離子進入細胞內的過程，這一連串的動作可能只有千萬分之一秒，甚至更快。對於離子通道這樣精密的設計可以說是一件精緻和美麗的藝術品，讓人覺得驚奇和讚嘆！
很幸運地，剛好筆者的實驗室也搭上這股研究離子通道的熱潮，我們的目標蛋白是人體的電位調控型鉀離子通道（Kv1.1-Kv1.6），並利用同源比對法，以KcsA鉀離子通道為模板蛋白來架構目標蛋白的結構模型。研究結果顯示，目標蛋白在濾嘴部分的鍵結位置和KcsA是一樣的，其濾嘴的構形和KcsA是非常相似的。
這類的鉀離子通道通常位在神經細胞中，而一些蠍毒、蛇毒等類的毒蛋白，都會堵住位在神經細胞上的鉀離子通道，使鉀離子無法進出細胞，這麼一來就造成了所謂的神經性中毒，因此我們也利用蠍毒來探討這些作用機制，以期能增加對鉀離子通道結構的了解，並對往後藥物設計的發展有所幫助。
通道的應用發展
細胞膜上的通道是所有生命體的基本要件，很多疾病，例如一些神經系統疾病和心血管疾病就是由於細胞上的離子通道功能發生紊亂或蛋白結構的缺陷所造成。最近幾年歐洲的熱浪導致許多人死亡，部分是歸因於無法保持體內水分平衡的關係。因為各種不同的脫水現象和水通道有相當大的關聯，因此，增加對它們的認識是幫助了解許多疾病狀態的重要基礎。
另外利用不同的細胞膜通道，可以調節細胞的功能，進而達到治病的目的；例如，中藥的一個重要功能就是用不同成分的濃度來調節人體細胞內不同液體的成分，這當然是要通過不同的細胞膜通道來完成，所以有科學家認為，對細胞膜通道的研究可以為中藥的科學原理提供重要的途徑。水通道和離子通道等膜蛋白已成為製藥界開發新藥的目標，膜蛋白的研究還有非常大的潛力和應用空間。
