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水如何進去細胞水通道

(臺中市雙十國民中學自然領域王淑卿教師/國立臺灣師範大學生命科學系張永達副教授責任編輯)

1988年，阿格雷（Peter Agre）以實驗分離出紅血球細胞膜上一種控制水分子進出的水通道蛋白(aquaporin，AQP)。

水通道只允許水分子單一方向的通過，速度高達每秒傳輸十億個水分子。水通道中因部分蛋白質結構帶正電並且會發生結構的轉變（rotate），造成局部電場的改變，如此水分子以排列方式快速滾動通過水通道。

例如紅血球、腎臟、小腸和根部等許多器官甚至細菌的細胞膜上都具有許多水通道可以快速調節細胞的體積和滲透壓。

1998年麥金農（Roderick MacKinnon）則利用X光繞射，從鏈黴菌(Streptomyces lividans)的細胞膜分離出第一個三度空間的KcsA鉀離子通道蛋白，鉀離子通道是細胞膜上分布最廣的離子通道。

研究發現位於通道上方的選擇性濾嘴（selectivity filter）可允許鉀離子通過，但是鈉離子的體積雖然較小卻無法通過，因為鈉離子有較強的電荷密度，會被水分子圍繞而變得較巨大。這種完美的結構造成了離子通道（ion channel）蛋白對鉀離子的高選擇性並且以每秒通過一億個離子的超高速度傳輸。

2002年麥金農研究團隊又解離出的鈣離子活化型鉀離子通道MthK的三度空間結構–門控環（Gating Ring）聚合體，透過鈣離子和pH值來進行控制。鈣離子的結合會誘導通道中感應區（sensor domain）的構型變化(conformational change)而開啟通道，因此鈣離子可調控該通道的開關，而pH值可調節門控環的穩定性。

其他如內整流型鉀離子通道、氯離子通道等陸續被研究發現。離子通道的發現不僅提供神經、肌肉、心臟血管等的分子機制研究，對於疾病與藥物設計的發展開啟另一片天空。麥金農和阿格雷於2003年共獲諾貝爾化學獎。

2004年臺灣大學趙治宇教授利用自製研發之「生物環境穿透式電子顯微鏡（Bio TEM）」–在奈米尺度下觀察活體細胞中水分子等物質進出細胞膜的情形，發現細胞膜具有液態的流動性與固態的有序性，是介於液態與液晶間的『第五態』物質，稱為脂膜結構（lipid bilayer），並推論水能夠經由與脂膜分子間的互動而滲透進出細胞膜。

綜上所述，可知細胞膜的構造是複雜且多樣性，兩側的構造是不對稱，因而造成膜電荷與流動性，藉由各種特殊構造調控著所有物質的進出。物質必須通過細胞膜上的通道，大分子物質必須先分解為小分子，再經由擴散作用、滲透作用和主動運輸等，有時可直接藉由吞噬作用與胞飲作用主動運輸來進出細胞膜。