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透视2003诺贝尔自然科学奖:离子通道不可能的任务

http://www.sina.com.cn 2003年10月18日 15:35 南方周末

  本报特约撰稿柯南

  100多年前阿尔弗雷德·诺贝尔立下遗嘱时,他的要求是奖励前一年作出卓越贡献的科学家。然而在大多数情况下,获奖者总要等上许多年才能接到那个来自斯德哥尔摩的著名电话。不过今年的诺贝尔奖形成了一个有趣的对比:京茨堡和阿布里科索夫(物理学奖)等待了将近半个世纪才获得了这个荣誉,而获得今年化学奖的两位科学家都是因为几年前的成果而
获奖的。

  出现在10月8日诺贝尔化学奖名单上的两位科学家是美国人阿格雷(Peter Agre)和麦金农(Roderick MacKinnon),他们的发现都涉及到了“细胞膜上的通道”。

  54岁的阿格雷是约翰·霍普金斯大学医学院的生物化学教授。1980年代中期,阿格雷发现了镶嵌在细胞膜上的一种专门供水分子进出的蛋白质。这种蛋白质就是30多年来科学家一直寻找的“水通道”——水分子进出细胞的通道。阿格雷把这种蛋白质称作“水孔”,正如树叶上负责气体进出的气孔。一些至关重要的生理活动依赖于水通道(比如肾脏细胞需要用水通道及时回收尿中的水分)。

  “获得诺贝尔奖是一项非凡的荣誉,因为它不仅仅肯定了这些发现,也肯定了它们在推进基础科学的作用。”阿格雷在一个简短的新闻发布会上说。

  不过,也有一些科学家对阿格雷的获奖感到惊奇:他的研究成果很好,当然也是真的,但是并没有好到够得诺贝尔奖。

  今年诺贝尔化学奖的另一名得主、洛克菲勒大学的麦金农则是一位近几年来人们经常猜测的最有希望得奖的科学家。麦金农领导的研究小组于1998年完成了一项几乎不可能的任务:绘制出了世界上第一张离子通道(蛋白质)的三维结构图。

  一个多世纪前,德国物理化学家奥斯特瓦尔德(Wilhelm Ostwald)首先提出,生物体内的电信号是离子进出细胞膜而产生的。到了1950年代初,两位英国科学家霍奇金(Alan Hodgkin)和赫胥黎(Andrew Huxley)发现,钾离子和钠离子进出神经细胞的细胞膜,从而让神经信号传递下去。

  “如果把人比喻为细胞,那么离子通道就像人的五官,”中科院神经所的周专研究员告诉《南方周末》,“以神经和心肌细胞为例,目前有关神经和心脏的药物中,有一半以上都是作用于这些细胞上的特种离子通道而起作用的。因而研究离子通道是认识细胞功能和发明治疗许多严重疾病的特效药物所必不可少的。”

  在过去的半个世纪中,科学家一直想知道离子进出细胞膜的具体机制是什么。20多年前,德国科学家萨克曼和内尔发现了离子通道是细胞膜上的蛋白质。“但是应用分子生物学方法只能得到蛋白质的序列,只有了解离子通道的三维结构,才能彻底解开离子通道功能的奥秘”。周专说。

  起初,麦金农通过电生理学的方法向弄清离子通道的结构逼近了一些。但是想彻底弄清楚离子通道的工作原理,还是需要测定出蛋白质中每一个原子的位置。

  通常,科学家会让一束X射线穿过需要研究的物质,根据X射线的衍射图案推测出分子中各个原子的空间位置。不过,进行这种分析需要一个前提:这种物质必须能制成纯净的晶体。

  试图弄清离子通道蛋白质结构的科学家并非麦金农一人,但是在此之前所有其他人都失败了。周专介绍说,“30年来已经用这种(X射线晶体学)方法解析了数以百计的蛋白质结构,但是关于离子通道蛋白质晶体化方面遇到了巨大的困难,因为离子通道蛋白质纯化很困难,纯化的离子通道蛋白质也很难形成晶体。”很多同事因此劝告麦金农,认为他不应该把时间浪费在这个问题上。但麦金农显然对离子通道充满了热情。

  为了解决它的结构,麦金农开始学习晶体学,并且常常出现在哈佛大学的晶体学实验室里。“学生们觉得这有点古怪:一个教授在实验室里转悠。但是他们习惯了,且确实成为我的良师益友。”麦金农在《自然》杂志上回忆说。

  “麦金农获奖是人们预料到的事情,他关于钾离子通道结构的工作是卓越的。”华盛顿大学的饶毅教授告诉《南方周末》,“这项研究为人们理解离子如何通过通道进出细胞膜的机制提供了重要见解。它是过去50年在离子通道领域最重要的三四个研究之一。”另外几个研究包括前面提到的霍奇金、赫胥黎、萨克曼与内尔,还有一位因评奖惯例而无法获奖的日本科学家。

  “对于日本来说,有点可惜的是一位卓越的科学家Shosaku Numa(绍正作)1992年因患癌症去世了。1980年代初期,Numa克隆出了许多离子通道的基因,在分子水平上获得了对它们的理解。”饶毅认为,“如果他还活着,也应该得奖。”

  有趣的是,麦金农在发现离子通道结构和因此而获奖的时候,都经历了一点对比鲜明的戏剧性场面:1998年元旦前夜,麦金农的同事全都去参加元旦的庆祝活动,只有他一个人留在实验室。就在那一天晚上,麦金农第一次看到了离子通道结构。而5年后,当诺贝尔化学奖揭晓、同事和亲友都在为他庆贺的时候,麦金农和他的妻子正在乡间度假,反而成为惟一蒙在鼓里的人。


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