第1期 闫晓辉等:细胞膜通道与同步辐射 键,把水分子看成一个偶极子,水分子在经过水通展也是促进科学家对它们了解的重要因素,同步辐 道时由于氢键作用会发生转向,图10的右图还形象射优势在这里被充分的表现出来,它也将在后来的 地显示了水分子通过通道的整个过程,当水分子从研究中发挥更大的作用 外部进入通道,氧原子受到正电荷的吸引面转向下 对细胞膜分子通道的结构能有如此精细的了 当在和天冬酰胺酸作用时,会发生弹跳,继续行进解,得益于同步辐射的X射线结构分析。但也应该 时,氧原子的面又会转向上。 看到我们现在得到的蛋白质结构是很多分子的平均 结果,而且具有活性的蛋白质分子都处于运动之中 为了更进一步揭示生命过程所有微妙的细节,我们 需要能够对单个生物大分子进行X射线衍射结构分 析。对于这样的要求,目前世界上最好的同步辐射 光源,也因亮度不够和光源尺寸不够小而爱莫能助。 值得庆幸的是,以自由电子激光为代表的第四代同 步辐射光源,在本世纪的第一个十年即可投入运行, 与第三代同步辐射光源相比,预计亮度将提高10 个数量级,电子束团的尺寸缩小100倍18!可以确 信,生命科学的研究又将翻开新的一页! 参考文献 I Denker B M, Smith B L, Kuhajda F P, et al. J Biol Chem Inhibition 1988,263(30):15634-1 (6804):599-605 3 Fu D. Libson A. Mierke L J. et al. Science. 2000. 290 图11AQP1单元的横向原子示意图,水分子在隧道最窄处 (5491):481-486 被F56、R195、H180和C189包围;G188、c189、G1904 Doyle D, Cabral J, Pfuetzner r,eral. Science,1998,280 和I91替代了氢键的作用 Fig 11 Atomic model of AQPI subunit in horizontal 5http://www.nobel.se of the channel surrounded by functionally important residues6田亮,张新夷.核技术,200326(1):28 (F56, R195, H180, and C189). hydrogen bonding occurs between carbonyl oxygen atoms on the peptide backbone 7 Ostwald w. Z Phys Chem, 71-82 (G188, C189, G190, and 1191)at the other surface of the pore 8 Hodgkin A L. The ionic basis of nerve conduction. In 3结束语 Amsterdam: Elsevier Publishing Company, 1970 细胞膜的通道是任何生命体生存的前提条件,9 luxley A F. The quantitative analysis of excitation and 因此很好地理解它们的功能对于了解很多疾病非常 conduction in nerve. In Nobel Lectures in Physiology or 重要。如各种形式的脱水、对于热的敏感以及肾脏 Medicine 1963-1970. Amsterdam: Elsevier Publishing 功能的紊乱,都与水通道的效率有关。在保持体液 Company, 1970 平衡的过程中,水通道至关重要。离子通道的功能0 rmstrong C M. Quart Rev Biophys,1973.7:19210 紊乱也会导致神经系统、肌肉和心脏的种种疾病, 11 Armstrong C M, Hille B Neuron, 1998, 20(3): 371-380 因此水通道和离子通道成了制药业的重要的药物目12 odgkin A L, Keynes. ys,193138 P Agre发现的水通道和 R. MacKinnon对于K+ 13 Morais-Cabral J H, Zhou Y, MacKinnon R. Nature, 2001 通道结构和功能细节的研究,在生物学和生物化学 414(6859):37-42 上开创了一个全新的研究领域,使我们可以在分子14 Jiang Y,LeA,Chen, et al. Nature200417(688y 和原子水平“看”到这些分子机器美妙的设计,从而 515-522 使我们从分子和原子水平来理解生命的基础过程成 15 Heginbotham L, LeMasurier M, Kolmakova-Partensky L, 为可能。在对它们长时间的探索中,科学技术的发 et al. Gen Physiol. 1999. 114(4): 551-560第 1 期 闫晓辉等：细胞膜通道与同步辐射 7 键，把水分子看成一个偶极子，水分子在经过水通 道时由于氢键作用会发生转向，图 10 的右图还形象 地显示了水分子通过通道的整个过程，当水分子从 外部进入通道，氧原子受到正电荷的吸引面转向下， 当在和天冬酰胺酸作用时，会发生弹跳，继续行进 时，氧原子的面又会转向上。 图 11 AQP1 单元的横向原子示意图，水分子在隧道最窄处 被 F56、R195、 H180 和 C189 包围； G188、 C189、G190 和 I191 替代了氢键的作用 Fig.11 Atomic model of AQP1 subunit in horizontal cross-section, a single water molecule at the narrowest segment of the channel surrounded by functionally important residues (F56, R195, H180, and C189). hydrogen bonding occurs between carbonyl oxygen atoms on the peptide backbone (G188, C189, G190, and I191) at the other surface of the pore 3 结束语 细胞膜的通道是任何生命体生存的前提条件， 因此很好地理解它们的功能对于了解很多疾病非常 重要。如各种形式的脱水、对于热的敏感以及肾脏 功能的紊乱，都与水通道的效率有关。在保持体液 平衡的过程中，水通道至关重要。离子通道的功能 紊乱也会导致神经系统、肌肉和心脏的种种疾病， 因此水通道和离子通道成了制药业的重要的药物目 标。 P. Agre 发现的水通道和 R. MacKinnon 对于 K+ 通道结构和功能细节的研究，在生物学和生物化学 上开创了一个全新的研究领域，使我们可以在分子 和原子水平“看”到这些分子机器美妙的设计，从而 使我们从分子和原子水平来理解生命的基础过程成 为可能。在对它们长时间的探索中，科学技术的发 展也是促进科学家对它们了解的重要因素，同步辐 射优势在这里被充分的表现出来，它也将在后来的 研究中发挥更大的作用。 对细胞膜分子通道的结构能有如此精细的了 解，得益于同步辐射的 X 射线结构分析。但也应该 看到我们现在得到的蛋白质结构是很多分子的平均 结果，而且具有活性的蛋白质分子都处于运动之中， 为了更进一步揭示生命过程所有微妙的细节，我们 需要能够对单个生物大分子进行X射线衍射结构分 析。对于这样的要求，目前世界上最好的同步辐射 光源，也因亮度不够和光源尺寸不够小而爱莫能助。 值得庆幸的是，以自由电子激光为代表的第四代同 步辐射光源，在本世纪的第一个十年即可投入运行， 与第三代同步辐射光源相比，预计亮度将提高 10 个数量级，电子束团的尺寸缩小 100 倍[18]！可以确 信，生命科学的研究又将翻开新的一页！ 参考文献 1 Denker B M, Smith B L, Kuhajda F P, et al. J Biol Chem 1988, 263（30）:15634-15642 2 Murata K, Mitsuoka K, Hirai T, et al. Nature, 2000, 407 （6804）:599-605 3 Fu D, Libson A, Mierke L J, et al. Science, 2000, 290 （5491）:481-486 4 Doyle D, Cabral J, Pfuetzner R, et al. Science, 1998, 280 （5360）: 69-77 5 http://www.nobel.se 6 田亮, 张新夷. 核技术, 2003, 26（1）: 2-8 7 Ostwald W. Z Phys Chem, 1890, 6: 71-82 8 Hodgkin A L. The ionic basis of nerve conduction. In Nobel Lectures in Physiology or Medicine 1963-1970. Amsterdam: Elsevier Publishing Company, 1970 9 Huxley A F. The quantitative analysis of excitation and conduction in nerve. In Nobel Lectures in Physiology or Medicine 1963-1970. Amsterdam: Elsevier Publishing Company, 1970 10 Armstrong C M. Quart Rev Biophys, 1975, 7: 179-210 11 Armstrong C M, Hille B. Neuron, 1998, 20（3）: 371-380 12 Hodgkin A L, Keynes R D. J Physiol, 1955, 128 （1）:61-88 13 Morais-Cabral J H, Zhou Y, MacKinnon R. Nature, 2001, 414（6859）: 37-42 14 Jiang Y, Lee A, Chen J, et al. Nature, 2002, 417（6888）: 515-522 15 Heginbotham L, LeMasurier M, Kolmakova-Partensky L, et al. Gen Physiol, 1999, 114（4）: 551-560