2003 年诺贝尔化学奖简介.pdf

第 19 卷 　第 1 期 大学化学 2004 年 2 月 膜分子通道揭示了生命现象的化学机制 ———2003 年诺贝尔化学奖简介 李娜 杨晓达 ( ) ( ) 北京大学化学与分子工程学院 　北京 100871 　 北京大学医学部药学院 　北京 100085 　　摘要 　2003 年度的诺贝尔化学奖授予洛克菲勒大学的 Roderick MacKinnon 博士和约翰斯·霍普 金斯大学的 Peter Agre 博士 , 以表彰他们在细胞膜水分子通道和离子通道方面所做的开创性工作。 本文简介 2003 年诺贝尔化学奖获得者及其工作。 　　2003 年 10 月 8 日,瑞典皇家科学院在瑞典首都斯德哥尔摩宣布 ,将 2003 年诺贝尔化学奖 授予美国科学家 Peter Agre 和 Roderick MacKinnon ,分别表彰他们发现细胞膜水通道以及对钾 离子通道结构和机理研究的开创性贡献。 图 1 　2003 年诺贝尔化学奖得主 1 　水通道 　　Agre 博士 1949 年生于美国明尼苏达州小城诺斯菲尔德 ,1974 年在约翰斯·霍普金斯大学 医学院获医学博士 ,是一位血液病症学家 ,现为约翰斯·霍普金斯大学医学院生物化学和医学 教授 ,研究妊娠 Rh 抗原的不相容性。对于 Rh 阴性的母亲 ,如果胎儿是 Rh 阳性 ,那么胎儿有 可能发生溶血现象而死亡。Agre 博士和同事在提纯 Rh 蛋白质时 ,发现了一种“污染物”——— 存在于红血球中的另一种蛋白质。如果按照常理 ,用 Agre 博士的话来讲 :“最明智的做法是扔 掉这个蛋白质 ,去做更重要的工作”。但是 ,这种“神秘”的膜蛋白质在人类的肾脏和植物中普 李娜 : 北京大学化学与分子工程学院副教授。 杨晓达 : 北京大学医学部药学院副教授。 16 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 遍存在 ,因而引起了他的兴趣。这种兴趣驱使Agre 博士进一步开展这方面的科学研究 ,并最 终导致了一个伟大的发现。 　　Agre 关于 AQP 蛋白族的意外发现使水通道的研究经历了一场革命 ,并且为生理学和医学 的重要领域奠定了坚实的生物化学基础。诺贝尔化学奖评选委员会对此的评价是:水通道的 发现 ,开启了细菌、植物和哺乳动物水通道的生物化学、生理学和遗传学研究之门 ,具有重大的 科学意义。 　　人体的 75 %是水 ,可以说水是生命的溶剂。1920 年代以前 ,人们认为水分子以扩散机理 通过细胞膜 ,但水凭借扩散方式通过细胞膜的通量很低以及活化能很高 ,难以解释水分子以很 快的速度大量通过细胞膜的现象。该领域的开拓者们提出细胞膜上可能存在调控水分子和其 他小的溶质分子进入细胞以及通过膀胱等生物组织的某种分子通道。1950 年代 ,人们发现水 分子可以很快地通过选择性通道进入红细胞 ,而其他溶质分子和离子则不能通过红细胞膜。 在以后 30 年的研究表明 ,细胞膜上的水通道是一种具有高度选择性的过滤器 ,在渗透梯度的 9 驱动下 ,允许水分子以约 3 ×10 分子/ s 的速度通过 ,而质子则不能通过。科学家们一直在寻 找水通道蛋白质 ,但是由于水分子是非常简单的分子 ,很难进行修饰 ,所以 ,水通道蛋白质的分 离与鉴定是非常困难的。 　　1988 年 ,Agre 从红细胞和肾小管中分离出一种功能未知的新的膜蛋白 ———CHIP28 ( 现称 为 aquaporin1 或 AQP1) ,分子量 28kDa 。1991 年 ,经过 N端肽链测序和整个 cDNA 序列测定获 得了蛋白的氨基酸序列结构 ,Agre 敏感地意识到 CHIP28 可能就是一直寻求的水通道。不久 , 他证明了这一点。在爪蟾属卵母细胞中表达 CHIP28 使得细胞在低渗介质中很快溶胀。Agre 将纯化的 CHIP28 在脂质体上进行了结构