細胞膜滲透運輸技術

二○○三年諾貝爾化學獎頒給約翰霍普金斯大學愛瑞(Peter Agre)博士及洛克菲勒大學的麥金諾(Roderick Mackinon)醫師,肯定兩位學者於研究細胞膜上通道的傑出貢獻。人體細胞中,百分之七十由水組成,水如何進出細胞以維持細胞內外滲透壓的平衡,一直 是科學界欲解開之謎。一九八八年愛氏發現,水分子通道(water channel)能運送水進入細胞內,並成功地解開此細胞膜蛋白的三度空間結構。另一方面,細胞間可藉著荷爾蒙或離子濃度的改變以傳遞訊息及神經衝動。一 九五○年代,英國神經科學家霍吉金(A.L. Hodgkin)及赫虛黎(A. F. Huxley)博士(兩位乃一九六三年諾貝爾醫學獎得主),研究神經衝動傳導時,發現和細胞膜表面上鈉鉀離子濃度的改變有關,然而如何改變離子濃度,以及 哪些膜蛋白參與反應,並不清楚。一九七○年代僅少數科學家相信離子通道的存在。

 

最近二十年,研究人員才逐漸了解,離子通道是穿梭於細胞膜上的管道,膜上洞 口的開或關,將允許某些離子的進出。同時管中最窄部位,將決定離子的專一性。科學家已知鈉、鉀、鈣及氯離子管道,乃是細胞訊息傳遞的重要通路。一九九八年 麥氏乃一自學的結構生物學家,第一個揭開離子通道三度空間結構的奧秘,使科學界能進一步了解離子通道的內在美,同時也打開生物物理研究領域的另一片天空。 近年來,科學界也發現許多疾病和細胞膜上通道有關。兩位學者研究過程為何,乃本文重點所在。

一九八○年代中期,科學家才逐漸了解,水能藉由細胞膜上的孔進出,近三十年也才了解水通道的專一性。一九八○年代,愛氏以紅血球為材料,研究細胞 膜上的蛋白,他發現其中一蛋白也存在於腎細胞中。分析此蛋白的排列及cDNA順序後,他才了解這是前人尋找已久的水通道。他比較含有此蛋白的實驗組及對照 組細胞後發現,前者能吸收水份並膨脹,後者則無法。同時愛氏也以一種人工細胞,稱脂體(liposomes)為材料,發現含此蛋白的脂體,將允許水進入細 胞內,他並發現水銀能抑制此蛋白對水進出的控制,更進一步證明此即為水通道,並命名為「aquaporin」,即水孔。

二○○○年愛氏和其他團隊首先發表 此蛋白質三度空間的結構,解釋水通路運作的機制、專一性及由於通道蛋白中間部位帶正電,能排斥帶正電的離子溢出細胞外。最近幾年來,研究人員更發現水通道 存在於細菌、植物及動物細胞內,皆和其生理機能有關。例如:植物根對水的吸收作用,人類腎臟中,百分之七十經過腎小球的水份,即靠此蛋白執行再吸收作用。

麥氏結合電生理及分子生物的技術,經由一系列精緻的實驗,證明管道的特殊結構,使其能專一地讓鉀而非其他離子通過。穿越細胞膜內外的蛋白,如離子管道及接受體等,通常很難純化做進一步的研究,更何況了解其三度空間的結構。麥氏結合洛克菲勒大學生物物理的菁英,於一 九九八年四月,終於解開鉀離子管道的奧秘,物理結構一覽無遺,乃當時科學界一大盛事。

作者:許英昌、楊肇基 來源網站:自由時報電子新聞網-自由廣場

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專利證書

中國: Patent No.: ZL 02 1 41031.3, Int’l Patent Code: A61K 35/32, D.O.P.: 4/6/2005.

美國: Patent No.: US 7,005,144 B2,
          Date of Patent: Feb 28, 2006.
  台灣: Patent No.: I 297274, Date of
           Patent: 6/1/2008.
 

其三個國家的專利登記中,各有17~19項的獨家專利,是第一個以鹿茸為主題的專利。

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