细胞膜水通道,离子通道结构和机理研究
2003年，两位美国科学家因为发现了细胞膜水通道，以及对离子通道结构和机理研究作出了开创性的贡献而获得了诺贝尔化学奖。他们之所以获得诺贝尔化学奖而不是生理奖或医学奖是因为：
A.它们的研究与化学物质有关
B.它们的研究有利于研制针对一些神经系统疾病和心血疾病的药物
C.它们的研究深入到分子，原子层次
D.它们的研究深入到细胞层次
C.它们的研究深入到分子，原子层次生物研究的层次可以深入到细胞，再微观的层次（分子甚至原子）就属于化学研究的范畴了，水通道研究的是通道结构和机理，这就涉及到具体的分子结构和性质，以及分子间相互作用的机制，所以获得的是化学奖
通道蛋白是一类横跨细胞膜,能使适宜大小的分子及带电荷的分子通过简单的自由扩散运动, 从质膜的一侧转运到另一侧的蛋白质。通道蛋白可以是单体蛋白,也可以是多亚基组成的蛋白,它们都是通过疏水的氨基酸链进行重排,形成水性通道。通道蛋白本身并不直接与小的带电荷的分子相互作用, 这些小的带电荷的分子可以自由的扩散通过由脂双层中膜蛋白带电荷的亲水区所形成的水性通道。而通道蛋白的运输作用具有选择性,所以在细胞膜中有各种不同的通道蛋白。通道蛋白参与的只是被动运输,在运输过程中并不与被运输的分子结合,也不会移动,并且是从高浓度向低浓度运输,所以运输时不消耗能量。
钙离子通道的化学本质是蛋白质，称为载体。钙离子与载体结合被转运。这种蛋白质与钙离子的结合类似酶与底物的结合。解释酶与底物专一结合的学说：一、锁钥学说：解释酶专一性的理论，已经过时，但是解释得很形象。1.酶的活性中心：酶与底物直接接触和作用的部位。一般而言，底物比酶要小得多。2. 锁钥学说：酶的活性中心的构象与底物的结构（外形）正好互补，就像锁和钥匙一样是刚性匹配的，这里把酶的活性中心比作钥匙，底物比作锁。在此理论的基础上还衍生出一个三点附着学说，专门解释酶的立体专一性。二、诱导锲合理论：这是为了修正锁钥学说的不足而提出的一种理论。它认为，酶的活性中心与底物的结构不是刚性互补而是柔性互补。当酶与底物靠近时，底物能够诱导酶的构象发生变化，使其活性中心变得与底物的结构互补。就好像手与手套的关系一样。该理论已得到实验上的证实，电镜照片证实酶“就像是长了眼睛一样”。
细胞膜水通道科学家们做了许多有趣的研究，发现细胞膜中存在着一系列物质交换的“城门”，一种“城门”只允许某一种分子出入，人们称
之为细胞膜通道。一个更有趣的研究震撼了世人：2000年美国科学家彼得·阿格雷成功地拍摄了世界上第一张细胞膜水通道蛋白质的高清晰度照片并向世人公布。他的伟大发现揭示了这种蛋白的物质结构只允许水分子通过，并且有着十分重要的作用，比如在人的肾脏中就起着关键的过滤作用，水通道蛋白的细胞膜蛋白就是水通道，这些物质的组成被称为“细胞膜水通道”。彼得·阿格雷因此获得了2003年诺贝尔化学奖。
大分子团结构的水是难以进入人体细胞的，只有那些具有类似液晶的短链状结构的小分子团水，才更容易进入细胞内，参与生命新陈代谢活动，并把各种离子带到细胞膜离子通道进入细胞内。污染造成退化的水，水分子团凝聚变大，因此，人体细胞是难以吸收的。水不被细胞吸收，就不能参加人体一系列生命代谢活动。此外，水分子团小，活性就大，这种水就好喝；而水分子团越大活性越小，也就不好喝了。
二)通道蛋白(channel protein)是跨膜的亲水性通道,允许适当大小的离子顺浓度梯度通过,故又称离子通道.有些通道蛋白长期开放,如钾泄漏通道;有些通道蛋白平时处于关闭状态,仅在特定刺激下才打开,又称为门通道(gated channel).主要有4类:电位门通道,配体门通道,环核苷酸门通道,机械门通道.Ion ChannelsIon Channels--------oror--------1,配体门通道(ligandgated channel) 特点:受体与细胞外的配体结合,引起门通道蛋白发生构象变化,"门"打开.又称离子通道型受体.可分为阳离子通道,如乙酰胆碱,谷氨酸和五羟色胺受体,和阴离子通道,如甘氨酸和γ-氨基丁酸受体.Ach受体是由4种不同的亚单位组成的5聚体蛋白质,形成一个结构为α2βγδ的梅花状通道样结构,其中的两个α亚单位是同两分子Ach相结合的部位.Nicotinic acetylcholine receptorThree conformation of the acetylcholine receptor2,电位门通道(voltage gated channel)特点:细胞内或细胞外特异离子浓度或电位发生变化时,致使其构象变化,"门"打开.K+电位门有四个亚单位,每个亚基有6个跨膜α螺旋(S1-S6) ,N和C端均位于胞质面.连接S5-S6段的发夹样β折叠(P区或H5区),构成通道的内衬,大小可允许K+通过.K+通道具有三种状态:开启,关闭和失活.目前认为S4段是电压感受器.Na+,K+,Ca2+三种电压门通道结构相似,在进化上是由同一个远祖基因演化而来.Voltage gated K+channel KK++channelchannel4th subunit not shownIon-channel linked receptors in neurotransmission神经肌肉接点由Ach门控通道开放而出现终板电位时,可使肌细胞膜中的电位门Na+通道和K+通道相继激活,出现动作电位;引起肌质网Ca2+通道打开,Ca2+进入细胞质,引发肌肉收缩.3,环核苷酸门通道CNG通道与电压门钾
通道结构相似,也有6个跨膜片段.细胞内的C末端较长,上面有环核苷酸的结合位点.CNG通道分布于化学感受器和光感受器中,与膜外信号的转换有关.-如气味分子与化学感受器中的G蛋白偶联型受体结合,可激活腺苷酸环化酶,产生cAMP,开启cAMP门控阳离子通道(cAMP-gated cation channel),引起钠离子内流,膜去极化,产生神经冲动,最终形成嗅觉或味觉.4,机械门通道感受摩擦力,压力,牵拉力,重力,剪切力等.细胞将机械刺激的信号转化为电化学信号,引起细胞反应的过程称为机械信号转导(mechanotransduction).目前比较明确的有两类机械门通道,其一是牵拉活化或失活的离子通道,另一类是剪切力敏感的离子通道,前者几乎存在于所有的细胞膜(如:血管内皮细胞,心肌细胞,内耳毛细胞),后者仅发现于内皮细胞和心肌细胞.牵拉敏感的离子通道的特点:对离子的无选择性,无方向性,非线性以及无潜伏期.为2价或1价的阳离子通道,有Na+,K+,Ca2+,以Ca2+为主.5,水通道水扩散通过人工膜的速率很低,人们推测膜上有水通道.1991年Agre发现第一个水通道蛋白CHIP28 (28 KD ),他将CHIP28的mRNA注入非洲爪蟾的卵母细胞中,在低渗溶液中,卵母细胞迅速膨胀,5 分钟内破裂.细胞的这种吸水膨胀现象会被Hg2+抑制.2003年Agre与离子通道的研究者MacKinnon同获诺贝尔化学奖.目前在人类细胞中已发现的此类蛋白至少有11种,被命名为水通道蛋白(Aquaporin,AQP).2003年,美国科学家彼得·阿格雷和罗德里克·麦金农,分别因对细胞膜水通道,离子通道结构和机理研究而获诺贝尔化学奖.