细胞膜水通道：人类生命科学的革命性重大发现
长期以来，普遍认为细胞内外的水分子是以简单扩散的方式透过脂双层膜。后来发现某些细胞在低渗溶液中对水的通透性很高，很难以简单扩散来解释。
水通道
如将红细胞移入低渗溶液后，很快吸水膨胀而溶血，而水生动物的卵母细胞在低渗溶液不膨胀。因此，人们推测水的跨膜转运除了简单扩散外,还存在某种特殊的机制,并提出了水通道的概念。
20世纪50年代中期，科学家发现，细胞膜中存在着某种通道只允许水分子出入，人们称之为水通道。因为水对于生命至关重要，可以说水通道是最重要的一种细胞膜通道。
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。
研究者
一个更有趣的研究震撼了世人：年美国科学家Agre（阿格雷）在分离纯化红细胞膜上的Rh血型抗原时，发现了一个28KD的疏水性跨膜蛋白，称为CHIP28(Channel-Formingintegralmembraneprotein)，年得到CHIP28的cDNA序列，Agre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，并于5分钟内破裂，纯化的CHIP28置入脂质体，也会得到同样的结果。细胞的这种吸水膨胀现象会被Hg2+抑制，而这是已知的抑制水通透的处理措施。这一发现揭示了细胞膜上确实存在水通道，Agre因此而与离子通道的研究者RoderickMacKinnon（麦金农）共享年的诺贝尔化学奖。
年，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·阿格雷因此获得了年诺贝尔化学奖。
水通道蛋白
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），均具有选择性的让水分子通过的特性。在实验植物拟南芥（Arabidopsisthaliana）中已发现35个这类水通道。
水通道的活性调节可能具有以下途径：通过磷酸化使AQP的活性增强；通过膜跑运输改变膜上AQP的含量，如血管加压素(抗利尿激素)对肾脏远曲小管和集合小管上皮细胞水通透性调节；通过调节基因表达，促进AQP的合成。
决定水分出或入细胞的是细胞的水势。
水通过两种机制穿过膜。一种是通过脂双层的扩散。因为脂双层虽是疏水的，其中并非没有空间，水分子可以通过氢键在其中形成类似冰的结构，从而穿过膜。
水孔蛋白
第二种机制是通过专一的水通道——水孔蛋白（aquaporin)
水孔蛋白是一类膜蛋白，相对分子质量不大。植物细胞的质膜和液泡膜中各有不同的水孔蛋白。根据来自动物的水孔蛋白的研究，这类蛋白质可能是四聚体，每个亚基上各有一个小孔，水分子可以从中穿过。
水通道蛋白是一个非同寻常的发现；因为水通道是水进出细胞的关键，许多生理过程涉及体液的流动，例如出汗、排尿、发炎红肿以及流泪等等。水通道蛋白的功能使我们在炎热的夏天浓缩尿液而不致发生脱水，也能让我们在饥饿时把储存在脂肪组织的水释放出来。年12月，诺贝尔奖化学委员会主席本特·诺登这样评价：
“阿格雷的发现与生命有密不可分的关系，水通道蛋白是一个决定性的发现，它为人类打开一个新的领域，去研究细菌、哺乳动物和植物水通道的生物学、生理学和遗传学。”
目前，有10多个水通道蛋白发现，它们存在于血液、肾脏、大脑。
水通道技术应用
国际学术界乐观估计，水通道技术的研究和应用，将会打开人类长生不老的神秘大门。目前该技术已经开始使用于化妆品领域和纺织品技术领域。通过水通道技术，将人类需要的矿物金属元素通过化妆品和衣物面料和人体皮肤接触的机会渗透进人体组织之内。该技术的应用将会引发人类第一次关于自身的科学革命。目前瑞士苏黎世大学这方面的应用研究在全球处于领先位置。
水与细胞之谜:影响全球人类健康长寿的一个重大发现诺贝尔奖得主美国科学家彼得－阿格雷和罗德里克－麦*，他们发现细胞膜水通道，小分子团水自由进出细胞膜是人类长寿之谜。自来水与纯净水是大分子团水，难以进入人体细胞膜，又是“坏水”、“*水”、和“穷水”，是人类万病之源。小分子团水则是细胞健康代谢的生命活水，使细胞充满活力的功能水。
原理：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。细胞结构与功能：包括人类在内各种生物都是由细胞组成的。细胞如同一个由城墙围起来的微小城镇，有用的物质不断被运进来，废物被不断运出去。早在多年前，人们就猜测细胞这一微小城镇的城墙中存在着很多“城门”，它们只允许特定的分子或离子出入。诺贝尔化学奖表彰的美国科学家彼得－阿格雷和罗得里克－麦*，分别表彰他们发现细胞膜水通道，以及对离子通道结构和机理研究作出的开创性贡献。他们研究的细胞膜通道就使人们以前猜测的“城门”。生物体的主要组成部分是水溶液，水溶液占人体重量的70％。生物体内的水溶液主要有水分子和各种离子组成。它们在细胞膜通道中进进出出可以实现细胞的很多功能20世界50年代中期，科学家发现，细胞膜中存在着某种通道只允许水分子出入，人们称之为水通道。因为水对于生命至关重要，可以说水通道是最重要的一种细胞膜通道。尽管科学家发现存在在水通道，但水通道到底是什么却一直是个谜。
20世纪80年代中期，美国科学家彼得－阿格雷和罗得里克－麦*研究了不同的细胞膜蛋白，经过反复研究，他发现一种被稻为水通道蛋白的细胞膜蛋白就是人们寻找已久的水通道。为了验证自己的发现，彼得－阿格雷和罗得里克－麦*把有水通道蛋白的细胞和去除了这种蛋白的细胞进行了对比试验，结果前者能够吸水，后者不能。为进一步验证，他们又制造了两种人造细胞膜，一种含有水通道蛋白，一种则不含有这种蛋白。他将这两种人造细胞膜分别做成泡状物，然后放在水中，结果第一种泡状物吸收了很多水而膨胀，第二种则没有变化。这些充分说明水通道蛋白具有吸收水分子的功能，就是水通道。年，彼得－阿格雷与其他研究人员一起公布了世界第一张水通道蛋白的高清晰度照片。照片揭示了这种蛋白的特殊结构只允许水分子通过。
水通道的发现开辟了一个新的研究领域。目前，科学家发现水通道蛋白广泛存在于动物、植物和微生物中，它的种类很多，仅人体内就有11种。它具有十分重要的功能，比如在人的肾脏中就起着关键的过滤作用。通常一个成年人每天要产生升的原尿，这些原尿经肾脏小球中的水通道蛋白的过滤，其中大部分水分被人体循环利用，最终只有约1升的尿液排出人体。小分子团水自由进出细胞膜是人类长寿之谜。
年诺贝尔化学奖（水通道蛋白）
明天学校有个讲座，由年诺贝尔化学奖得主PeterAgre来讲，这些天都在看他以前做的工作。在这里贴一个，翻译自诺贝尔奖官方网站。其实想想，诺贝尔奖真的就是给这些做最基础研究工作的人的，对于他们（或许不久的将来也包括我），也就只有这样一个崇高而辉煌的奖项能够慰藉一下了。对于这一点很是欣慰啊，其实这样的基础学科很是重要的。每一次科学技术的重大突破其实都是由这样的基础知识（也就是人类对世界新的认识）开始的，剩下的各种高新科技也就是站在巨人的肩膀上而已。
年10月8日
所有的生命都由细胞组成。一个人是由大约000000000个细胞组成，几乎是银河系中的星星的数量。在我们每一个人的身体里，不同的细胞——例如肌肉细胞、肾细胞和神经细胞——一起行使功能形成一个复杂系统。年的诺贝尔化学奖得主：PeterAgre和RoderickMacKinnon，因为他们对于细胞功能在化学方面的基础研究做出的贡献。
水通道
早在十九世纪中叶，人们就已经想到细胞膜上必须有开口才能允许水和盐通过。在以后，人们发现了细胞上只有水才能通过的通道。在接下来的30年里，这一通道被详细研究，最后得出结论：相对于不带电荷的水分子能自由通过这一通道，一定有一些能选择性的过滤机制避免离子通过。
一个水通道，每一秒钟通过的水分子有几亿个之多！
即使这一推论由来已久，但是直到年还没有一个人知道这一精密的分子机器到底是什么样的，也就是说找到到底有哪个或哪些蛋白质组成了这一通道。PeterAgre在20世纪80年代中期研究了各种来源于血细胞的蛋白。在肾细胞中，他发现了一种蛋白，通过对它的氨基酸测序和相对的DNA测序后，他发现这就是在他之前许多人一直寻找的细胞水通道。
PeterAgre通过一个很简单的实验验证了他的猜想（见图1），他比较了还有这种蛋白和没有还有这种蛋白的细胞。当细胞被放置在水溶液中，那些细胞膜上含有这种蛋白的细胞通过渗透作用吸收水分而体积增大，而对那些缺少这种蛋白的细胞却没有任何影响。Agre又在“人工细胞”（也就是脂质体，像包着水的肥皂泡）上重复了这个试验，结果他发现如果在脂质体的膜表面加入这种蛋白，就会使水可以透过脂质体膜。
图1：PeterAgre在存在和缺少水通道的细胞上的试验。水通道对于细胞吸水是必须的。
由于汞离子能够阻止细胞吸取和放出水分，PeterAgre在他的试验中证实了通过他发现的这种水通道的水分运输也可以以同样的方法被汞阻止。这一发现更确定了他的新发现就是水通道。PeterAgre命名他发现的这种蛋白为“水通道蛋白”（aquaporin）。
水通道是怎么工作的？一个形状和功能的问题
年，Agre和他的同事们第一次报道了这一水通道的高分辨率三维结构图，通过它我们知道了水通道运行的细节。他是怎么样只允许水分子通过而不是其他分子或是离子呢？至今为止，我们所知道的是细胞膜不会透过氢离子（质子）。这一点对于细胞极其重要，因为细胞内外质子浓度差是细胞能量储备的基础。
选择性是通道的重要特性。通道壁上的原子会形成微小的电场，由此形成了一条狭窄的通道，水分子就是通过这条弯弯曲曲的狭缝通过通道的，而质子（此时一改确切地说是水和阳离子H3O+）却因为它自身的正电荷被排斥。
图2.水分子通过水通道AQP1。由于带有正电荷，像H3O+这样的阳离子不能通过。
水通道在医学的重要性
在这过去的10年里，水通道已经成为了研究的热点，水通道蛋白也成了一个庞大的蛋白质家族，存在于细菌，植物和动物中。只在人类体内，就至少有11种之多已经被发现。
人类的肾脏是一个精密的可以吧身体想要排除的物质清理出去的器官。在肾小管前段生成的原尿中，80%的水是通过AQP1通道蛋白重新吸收回体内，而在末端，又有10%的水通过AQP2通道蛋白被重吸收。抗利尿激素（血管紧张素）能够刺激AQP2蛋白向细胞膜方向的运输从而加大尿液中水的吸收量。血管紧张素缺陷的病人会因此得尿崩症，每天的排尿量达到10-15升。
细胞膜水通道年，两位美国科学家因为发现了，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
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
细胞膜水通道是什么？
是一个医学上的名词年诺贝尔化学奖包括人类在内的各种生物都是由细胞组成的。细胞如同一个由城墙围起来的微小城镇，有用的物质不断被运进来，废物被不断运出去。早在１００多年前，人们就猜测细胞这一微小城镇的城墙中存在着很多“城门”，它们只允许特定的分子或离子出入。２００３年诺贝尔化学奖表彰的就是有关这些“城门”的研究成果。瑞典皇家科学院８日宣布，将２００３年诺贝尔化学奖授予美国科学家彼得·阿格雷和罗德里克·麦金农，分别表彰他们发现细胞膜水通道，以及对离子通道结构和机理研究作出的开创性贡献。他们研究的细胞膜通道就是人们以前猜测的“城门”。生物体的主要组成部分是水溶液，水溶液占人体重量的７０％。生物体内的水溶液主要由水分子和各种离子组成。它们在细胞膜通道中的进进出出可以实现细胞的很多功能。
２０世纪５０年代中期，科学家发现，细胞膜中存在着某种通道只允许水分子出入，人们称之为水通道。因为水对于生命至关重要，可以说水通道是最重要的一种细胞膜通道。尽管科学家发现存在水通道，但水通道到底是什么却一直是个谜。２０世纪８０年代中期，美国科学家彼得·阿格雷研究了不同的细胞膜蛋白，经过反复研究，他发现一种被称为水通道蛋白的细胞膜蛋白就是人们寻找已久的水通道。为了验证自己的发现，阿格雷把含有水通道蛋白的细胞和去除了这种蛋白的细胞进行了对比试验，结果前者能够吸水，后者不能。为进一步验证，他又制造了两种人造细胞膜，一种含有水通道蛋白，一种则不含这种蛋白。他将这两种人造细胞膜分别做成泡状物，然后放在水中，结果第一种泡状物吸收了很多水而膨胀，第二种则没有变化。这些充分说明水通道蛋白具有吸收水分子的功能，就是水通道。２０００年，阿格雷与其他研究人员一起公布了世界第一张水通道蛋白的高清晰度立体照片。照片揭示了这种蛋白的特殊结构只允许水分子通过。
水通道的发现开辟了一个新的研究领域。
目前，科学家发现水通道蛋白广泛存在于动物、植物和微生物中，它的种类很多，仅人体内就有１１种。它具有十分重要的功能，比如在人的肾脏中就起着关键的过滤作用。通常一个成年人每天要产生１７０升的原尿，这些原尿经肾脏肾小球中的水通道蛋白的过滤，其中大部分水分被人体循环利用，最终只有约１升的尿液排出人体。早在１８９０年，威廉·奥斯特瓦尔德（１９０９年诺贝尔化学奖获得者）就推测离子进出细胞会传递信息。２０世纪２０年代，科学家证实存在一些供离子出入的细胞膜通道。
５０年代初，阿兰·霍奇金和安德鲁·哈克斯利发现，离子从一个神经细胞中出来进入另一个神经细胞可以传递信息。为此，他们获得了１９６３年诺贝尔生理学或医学奖。不过，那时科学家并不知道离子通道的结构和工作原理。１９８８年，罗德里克·麦金农利用Ｘ射线晶体成像技术获得了世界第一张离子通道的高清晰度照片，并第一次从原子层次揭示了离子通道的工作原理。这张照片上的离子通道取自青链霉菌，也是一种蛋白。
麦金农的方法是革命性的，它可以让科学家观测离子在进入离子通道前的状态，在通道中的状态，以及穿过通道后的状态。对水通道和离子通道的研究意义重大。
很多疾病，比如一些神经系统疾病和心血管疾病就是由于细胞膜通道功能紊乱造成的，对细胞膜通道的研究可以帮助科学家寻找具体的病因，并研制相应药物。另外，利用不同的细胞膜通道，可以调节细胞的功能，从而达到治疗疾病的目的。中药的一个重要功能是调节人体体液的成分和不同成分的浓度，这些成分可以通过不同细胞膜通道调节细胞的功能。
有专家认为，对细胞膜通道的研究可以为揭示中医药的科学原理提供重要的途径。
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