第27卷第1期 核技术 Vol 27. No I 2004年1月 NUCLEAR TECHNIQUES January 2004 细胞膜通道与同步辐射 文章3 闫晓辉12田亮1张新夷 1(复旦大学物理系上海200433) 2(复旦大学同步辐射研究中心上海200433) 3(复旦大学表面物理国家重点实验室上海200433 摘要长期以来很多科学家致力于研究物质,如水和离子是如何穿过细胞膜从而完成细胞内外物质交换的 1988年 Peter Agre第一次发现并描述了细胞膜水通道蛋白质的特性, Roder ic mack innon则在1998年阐明了 离子通道的结构和机理,使我们可以从原子水平了解这些精美的蛋白质结构和运行机理。由于这两位科学家 在细胞膜通道研究方面的卓越贡献,他们分享了2003年诺贝尔化学奖。在他们的研究中,基于同步辐射的蛋 白质结构测定发挥了很关键的作用 关键词同步辐射,K+通道,水通道,三维结构,细胞膜 中图分类号Q71,O43419 世界上每一个生物体都是由细胞组成,人体就 Source(简称ALS),用同步辐射Ⅹ衍射的方法得 有成千上万多如星汉的细胞。但这些细胞不是简单到了一种和水通道具有相似结构的甘油通道GlpF 的堆积,它们彼此之间存在着信息的交流,而成为分辨率为22A的电子密度图。关于膜蛋白离子通 复杂的有机整体,相互配合,完成一系列生理功能。道的结构,是 Roderic mackinnon第一次得到的, 例如肌肉的伸缩、大脑信号的传递都是由细胞间的他在美国 Cornell大学高能同步光源( Cornell High 信号交换和细胞内外物质和能量交换来协调完成 Energy Synchrotron Source,简称 CHESS)通过Ⅹ 的,它们的实现是一个复杂的过程,所以一直是科射线衍射解出了一种称为KcsA的K+通道 学家们探索的热点。 ( Potassium ion channel)的原子结构,分辨率为 人们早就已经认识到水和其他物质,如K+、3,2AA。他的这一研究成果震惊了整个科技界。水 Na、Ca2+、Cl-等离子能够经过一些孔道通过细通道和K+通道的结构是理解这些通道功能如何实 胞壁,但是它们的结构和功能如何实现却一直不为现的基础,证实并在原子水平解释了这些通道的特 人所知。1988年 Peter Agre第一次成功地分离出一性,如选择性、开关性等 种膜蛋白CHP281,分子量为28kDa(千道尔顿) Peter Agre和 Roderic mackinnon关于膜蛋白分 大约一年多以后,他意识到这就是人们长期以来人子和离子通道的研究成果开创了化学、生物化学和 们一直在寻找的水分子通道( Water channel,以下生理学的一个崭新的研究领域。2003年的诺贝尔化 简称水通道),他把这种水通道蛋白质命名为学奖授予 Peter Agre和 Roderic macKinnon,以表彰 aquaporin,后来人们就用AQPs来命名水通道家族他们在探索细胞膜通道上做出的创造性贡献。图 中的每一个成员,CHIP28即被叫做AQP1,从此打是瑞典皇家科学院公布该奖时用的一张示意图。 开了对水通道生物化学、生理和基因方面的全面研这是1997年获得诺贝尔化学奖的ATP合酶三维 究。2000年Agre公布了他和他的同事应用场发射结构后又一次和同步辐射有关而获得诺贝尔奖的重 电子源的电子衍射方法得到AQP1水通道电子衍射大成果,再一次显现了同步辐射在研究膜蛋白、病 图,为了减少辐射损伤和收集大量的数据,他们同毒、核糖体等大分子结构上的优势。同步辐射光源 时应用了He冷却的电镜来协助提高分辨率,最后的高通量,高准直以及波长连续可调的优点可以解 他们得到了分辨率38A的电子密度图,就在同时决其它X射线源在生物大分子结构研究上无法解决 另一位科学家 Robert m.Stud和他的同事在的问题 Lawrence Berkeley国家实验室的 Advanced Light 第一作者:闫晓辉,女,1978年1月出生,复旦大学在读硕士研究生,凝聚态物理专业 通讯作者:张新夷 收稿日期:2003-12-22第 27 卷 第 1 期 核 技 术 Vol. 27, No.1 2004 年 1 月 NUCLEAR TECHNIQUES January 2004 —————————————— 第一作者：闫晓辉，女，1978 年 1 月出生，复旦大学在读硕士研究生，凝聚态物理专业 通讯作者：张新夷 收稿日期：2003-12-22 细胞膜通道与同步辐射 闫晓辉 1,2 田 亮 1,2 张新夷 1,2,3 1（复旦大学物理系 上海 200433） 2（复旦大学同步辐射研究中心 上海 200433） 3（复旦大学表面物理国家重点实验室 上海 200433） 摘要 长期以来很多科学家致力于研究物质，如水和离子是如何穿过细胞膜从而完成细胞内外物质交换的。 1988 年 Peter Agre 第一次发现并描述了细胞膜水通道蛋白质的特性，Roderic MacKinnon 则在 1998 年阐明了 离子通道的结构和机理，使我们可以从原子水平了解这些精美的蛋白质结构和运行机理。由于这两位科学家 在细胞膜通道研究方面的卓越贡献，他们分享了 2003 年诺贝尔化学奖。在他们的研究中，基于同步辐射的蛋 白质结构测定发挥了很关键的作用。 关键词 同步辐射，K+通道，水通道，三维结构，细胞膜 中图分类号 Q71, O434.19 世界上每一个生物体都是由细胞组成，人体就 有成千上万多如星汉的细胞。但这些细胞不是简单 的堆积，它们彼此之间存在着信息的交流，而成为 复杂的有机整体，相互配合，完成一系列生理功能。 例如肌肉的伸缩、大脑信号的传递都是由细胞间的 信号交换和细胞内外物质和能量交换来协调完成 的，它们的实现是一个复杂的过程，所以一直是科 学家们探索的热点。 人们早就已经认识到水和其他物质，如 K+、 Na +、Ca2 +、Cl − 等离子能够经过一些孔道通过细 胞壁，但是它们的结构和功能如何实现却一直不为 人所知。1988 年 Peter Agre 第一次成功地分离出一 种膜蛋白 CHIP28[1]，分子量为 28 kDa（千道尔顿）， 大约一年多以后，他意识到这就是人们长期以来人 们一直在寻找的水分子通道（Water channel，以下 简称水通道），他把这种水通道蛋白质命名为 aquaporin，后来人们就用 AQPs 来命名水通道家族 中的每一个成员，CHIP28 即被叫做 AQP1，从此打 开了对水通道生物化学、生理和基因方面的全面研 究。2000 年 Agre 公布了他和他的同事应用场发射 电子源的电子衍射方法得到 AQP1 水通道电子衍射 图，为了减少辐射损伤和收集大量的数据，他们同 时应用了 He 冷却的电镜来协助提高分辨率，最后 他们得到了分辨率 3.8Å 的电子密度图[2]，就在同时 另一位科学家 Robert M. Stroud 和他的同事在 Lawrence Berkeley 国家实验室的 Advanced Light Source（简称 ALS），用同步辐射 X 衍射的方法得 到了一种和水通道具有相似结构的甘油通道 GlpF 分辨率为 2.2Å 的电子密度图[3]。关于膜蛋白离子通 道的结构，是 Roderic MacKinnon 第一次得到的， 他在美国 Cornell 大学高能同步光源（Cornell High Energy Synchrotron Source，简称 CHESS）通过 X 射 线 衍 射 解出 了 一 种称 为 KcsA 的 K+ 通 道 （Potassium ion channel）的原子结构，分辨率为 3.2 Å[4]。他的这一研究成果震惊了整个科技界。水 通道和 K+通道的结构是理解这些通道功能如何实 现的基础，证实并在原子水平解释了这些通道的特 性，如选择性、开关性等。 Peter Agre和Roderic MacKinnon关于膜蛋白分 子和离子通道的研究成果开创了化学、生物化学和 生理学的一个崭新的研究领域。2003 年的诺贝尔化 学奖授予 Peter Agre 和 Roderic MacKinnon，以表彰 他们在探索细胞膜通道上做出的创造性贡献。图 1 是瑞典皇家科学院公布该奖时用的一张示意图[5]。 这是 1997 年获得诺贝尔化学奖的 ATP 合酶[6]三维 结构后又一次和同步辐射有关而获得诺贝尔奖的重 大成果，再一次显现了同步辐射在研究膜蛋白、病 毒、核糖体等大分子结构上的优势。同步辐射光源 的高通量，高准直以及波长连续可调的优点可以解 决其它X射线源在生物大分子结构研究上无法解决 的问题[6]。 文章 3