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運動有益健康:細胞怎麼做呢?

cacbug
・2012/02/21 ・1417字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 589 ・九年級

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運動有益健康是無庸置疑的。但是在分子層次上的機制,科學家也無法提供明確的解釋。最近發表於《自然》的一篇文章,研究人員首次證實細胞內的一項管家機制(housekeeping mechanism),自體吞噬(autophagy)作用是運動之所以有益健康的原因,其中還包括能夠避免罹患糖尿病。該篇研究的作者認為,透過啟動這項機制的訊息傳導,不用流汗就能夠享受運動帶來的好處,來幫助治療第二型糖尿病。

在天主教魯汶大學(Université catholique de Louvain)研究運動生化學的馬克‧弗朗克(Marc Francaux),本身沒有參與該項研究,他提到:「這真的是一個新觀念!他們選用三種不同的轉殖基因老鼠模式,結果非常有說服力。」

而哈佛大學公衛學院(Harvard School of Public Health)研究代謝調節途徑的辜坎‧侯塔米斯里基( Gökhan Hotamisligil),同樣沒有參與這項研究也表示:「這個研究提供一個嶄新的視野說明運動所帶來的效益。這是一篇重要而且讓人信服的文章。」

自體吞噬機制是細胞內的「資源回收」系統,負責分解損壞或是不需要的胞器與蛋白質,並且產生能量。從動物研究發現,這個機制已經被證實有助於對抗癌症、神經退化疾病、感染、及糖尿病等等。德州西南醫學中心大學的生物學家蓓絲‧萊敏(Beth Levine)表示:「運動也同樣被認為有助於降低罹患以上這些疾病的風險,因此運動會引發自體吞噬機制是合理的推論。」

萊敏的團隊首先分析帶有特殊轉殖基因的老鼠,當老鼠的細胞進行自體吞噬作用時,能夠發出綠色螢光的亮點。他們發現剛跑完滾輪的老鼠,至少在30分鐘內,牠們的細胞有更多的自體吞噬作用發生。這個結果顯示運動能夠直接促進在動物體內細胞的「資源回收」機制。

研究人員接著研究於Bcl2基因上發生突變的老鼠品系,Bcl2基因是自體吞噬的重要調節因子。這些帶有突變的老鼠仍然可以表現低程度的自體吞噬,但是無法在運動時提高自體吞噬作用的進行。將這些突變鼠跟控制組相比,牠們在滾輪上運動時,跑的距離較短而且葡萄糖的代謝也較差。該研究團隊還藉由檢驗在其他兩個不同自體吞噬機制路徑發生突變的老鼠,重複確認他們先前的結果。

最後,萊敏與她的團隊透過餵老鼠吃富含高脂肪食物,試圖驗證運動是否能夠避免糖尿病的發生。一般來說,運動的時候血糖會下降,而且對於胰島素的感受性提高,因此較低或正常濃度的胰島素有助於維持血糖的穩定以及避免糖尿病的發生。萊敏提到:「我們假定自體吞噬作用對於運動產生的保護效果具有必要性。」當給予正常或是突變的老鼠吃富含高脂肪的食物,牠們會增加體重以及對於胰島素的感受性發生失調,這是第二型糖尿病的徵兆。跑滾輪運動讓老鼠能夠誘發自體吞噬能力而改善這些症狀;另一方面,自體吞噬機制產生突變的老鼠雖然體重稍微減少,但是牠們無法獲得運動對於防止糖尿病發生的好處。

萊敏提到:「這項研究為糖尿病的治療帶來新契機,其中提高自體吞噬作用將會是具有潛力的方法來仿效運動所產生的效益。」他的團隊接下來將要檢驗自體吞噬作用是否也跟運動能夠降低其他疾病發生的效果有關,例如癌症與阿茲海默症。

這項研究還有另一個讓人感到驚訝的結果,運動對於自體吞噬作用的提高除了發生在骨骼肌與心肌之外,對於肝臟與胰臟都有相同的反應。侯塔米斯里基提到:「以往對運動之於健康的效益只被認為作用於肌肉上,而這項研究暗示著運動會促發肌肉組織以外的其他訊息途徑,進而影響其他關鍵的生理代謝反應。」

資料來源:TheScientist Cellular workout [January 18, 2012]

原始論文:C. He, et al., “Exercise-induced BCL2-regulated autophagy is required for muscle glucose homeostasis,” Nature, 481:511-5, 2012.

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cacbug
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研究昆蟲的人,腦袋不時地轉來轉去,對於這個世界充滿好多想像與疑問。

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「想像力」幫費爾普斯奪下了23面金牌,難道,我也可以嗎?——《心念的力量》
商業周刊
・2022/08/20 ・2148字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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泳壇的傳奇人物——「飛魚」費爾普斯

美國游泳健將麥可.費爾普斯(Michael Phelps)擁有二十八枚獎牌(其中二十三枚是金牌),至今仍然是最多榮譽獎牌的奧運選手。

費爾普斯的能力似乎超越了人體的極限,一些記者質疑他驚人的表現實在是「好到令人難以置信」。然而,費爾普斯在職業生涯中自願參加許多禁藥測試,也都全部通過。

也許他驚人的比賽成就可以用另一個異乎尋常的優勢來清楚地解釋,亦即他非凡的觀想能力。

在訓練期間、或為重大比賽做賽前準備時,他會想像一場完美的比賽。

他在《夢想,沒有極限》(No Limits)的自傳中寫道:「我能看到起點、游泳姿勢、蹬牆、轉身、終點、策略等所有細節。一切的想像,就像我在腦海中規畫了一場比賽,而這種規畫有時似乎讓比賽結果一如我所預期的」。他認為,正是這種能力幫助他成為最偉大的奧運選手,而不是純粹的身體能力。

費爾普斯是擁有最多奧運獎牌的游泳選手。圖/Getty Images

激發想像力、強化運動表現

科學實驗已經證實,觀想的效果是深遠的,對職業運動員和休閒鍛鍊者來說都是如此,最引人注目和驚人的影響在於人的肌肉力量。

在一項研究中,科學家在進行某種形式的心理訓練之前,測量了參與者的前臂力量。這項任務很無趣,但是很簡單:他們必須每天花十五分鐘,每週五天,想像自己在用前臂舉重物,例如一張桌子。

一些人被要求從內在觀想來做這件事,想像自己在舉重的動作;另一些人被要求從外在觀想來做這件事,就像他們從自己身體外面看自己一樣。對照組則完全沒有進行任何練習。

六週後,結果令人驚訝,運用自我內在觀想的人,力量新增了 11%——儘管這組人沒有任何實際的舉重練習。那些運用外在觀想的人顯示大約 5% 微幅的改善(但研究人員無法確定這具有統計顯著性),而對照組實際上似乎稍微弱一些。

與其他改善健康的心理技巧一樣,如果體力完全只是由肌肉質量決定,將會無法解釋這些發現。然而,根據心理生物學新的運動觀點,這一切是很有道理的。

請記住,運動表現取決於大腦對身體能達到的目標和運動強度的預期,然後再藉此規畫肌肉的力量和疲勞程度。

心理意象可以提高身體對自身能力的感知、增強發送給肌肉的訊號,並改善運動協調性。圖/Pexels

心理意象可以讓你有意識地完善這些預測、並提高身體對自身能力的感知、增強發送給肌肉的訊號,並改善運動協調性。

正如諾克斯的研究,即使在運動極度疲勞時,運動員通常也沒有運用到大部分的肌肉纖維,但這些心理意象可能會鼓勵身體召喚更多沒用到的肌肉纖維。

針對運動員對於賽事進行生動觀想的腦部掃描顯示,對身體運動的想像會啟動大腦內部主要的運動皮層和基底神經節的區域,這些區域通常涉及運動的規畫和執行,讓大腦準確地計算出需要刺激哪些肌肉、以及對身體的影響。而這些增強的預期心理將轉化為真正的表現提升。

根據這個理論,內在想像比外在想像更成功,因為能夠更詳細地預測你在運動期間的感受,進而使身體能夠更有效地執行動作。

注意!想像不能讓你變超人,僅僅是運動的輔助工具

當然,心理訓練不能、也不應該取代身體訓練,但卻可以讓運動員充分利用休息時間,以及避免受傷後力量流失。

例如,當人的四肢被打上石膏時,身體肌肉通常會變弱,但俄亥俄大學(Ohio University)的科學家發現,每天幾分鐘的心理練習可以將這些損失降低一半。

對於一般人來說,心理訓練應該只是另一種工具,藉此強化運動的好處。

雖然「想像」可以提升運動表現,但並不代表可以直接取代身體的訓練,也不代表可以讓一般人超出人體的極限!圖/Pixabay

如果你覺得上健身房是一種壓力,想要改變你對運動的心態,那麼定期想像運動的好處可以使你更享受整個過程。如今,針對青少年、中年和老年人參與者的各種研究已證明,每週有規律地練習幾分鐘的運動想像,可提高人的動機、對運動的享受、以及運動表現。

當你親自測試這一點,在想像你的表現時不要好高騖遠。

你不想讓自己失望,這會降低你的動力,或是要小心過度勞累導致受傷(如果沒有持續的體能鍛鍊,身心合一的效果也是有限的)。當你在想像運動時,試著把注意力集中在過程中希望感受到的積極感:例如,充滿活力和興奮的感覺,而不是疲勞或倦怠。

就像費爾普斯一樣,你將會「重新規畫」身心合一,讓自己克服任何可能妨礙表現的心理限制,如此一來,運動就不再是一個無法克服的挑戰。

——本文摘自《心念的力量:運用大腦的期望效應,找到扭轉人生的開關》,2022 年 7 月,商業週刊

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運動聽音樂,讓你越動越活躍!
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・2022/08/15 ・2255字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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你有過邊聽音樂邊跑步的經驗嗎?讓我們先來看一段動畫,再開始今天的主題!動畫裡的主角阿辰有個熱愛跑步的阿公,他想要挑戰路跑,於是向阿辰下戰帖,想看誰可以先跑完四圈操場。沒想到,原本落後的阿辰,戴上耳機後,竟然逆轉局勢,贏得了比賽。這究竟是什麼魔法?為什麼音樂能讓阿辰瞬間變成飛毛腿呢?

「音樂關鍵字(Unlocking Music)」EP2:奔跑吧!阿公(Go, Grandpa, Go!)。影/YouTube

日常生活中的音樂與運動

2014 年,美國音樂潮牌 Sol Republic 調查 1,000 位民眾使用耳機的習慣,有 62% 的民眾表示「一整天沒有聽音樂,比一整天沒有社交活動」更糟,另外也有 40% 的民眾表示,如果沒有搭配音樂,他們想要運動、鍛鍊身體的欲望就會大幅降低。

在臺灣,如果你曾經踏進健身房或運動中心,想必聽過從喇叭傳出來的快節奏音樂,或是看過不少人戴著耳機跑步、舉重、騎飛輪。如果你在學校或熱鬧的商圈看過街舞表演,通常也都是選用節奏明快的流行歌。可是,為什麼音樂和運動有關呢?一邊運動,一邊聽音樂,真的對我們有幫助嗎?如果有,背後的科學原理又是什麼?

聲音如何穿越耳朵、抵達大腦?

想知道為什麼音樂和運動有關,就得先瞭解聲音如何穿越耳朵、抵達大腦。

從生理構造來看,我們的耳朵可分為三部分:外耳、中耳和內耳。外耳負責將接收到的聲波傳入中耳。中耳有「耳膜」和「聽小骨」,能夠增強聲波,將聲波轉換成內耳能夠解讀的訊號。內耳有「耳蝸」和「前庭系統」,分別掌管聽覺和平衡感。這兩個結構會在末端合體,成為「前庭耳蝸神經」,也就是 12 對腦神經中的第 8 對,可以將聲音訊號直接送進大腦。

聽小骨(綠色)、耳蝸(粉紅色)與前庭耳蝸神經(藍色)。圖/iStock

擅長平衡、喜歡打節拍的前庭系統

說到平衡感,那就和運動有關了!前庭系統的功能就是穩定身體,讓我們走路時不易跌倒、運動時能保持平衡,眼睛追蹤移動物體時,也不至於暈頭轉向。這些都要歸功於前庭系統裡頭的「半規管」和「耳石」,前者感知旋轉,後者感知重力與加速度。

如果我們一邊跑步一邊聽音樂,讓節奏規律的低頻重拍經由前庭系統刺激大腦,就能讓大腦誤以為是雙腳落地的低頻聲響。如此一來,大腦就會透過前庭系統發送訊號給肌肉,幫助腳步保持規律。換句話說,如果音樂節奏與步伐速度相近,跑起來就能更輕鬆;反之,如果換成節奏較慢的音樂,前庭系統就會讓我們不自覺放慢腳步,導致運動效果不佳。

研究顯示,聽音樂運動「效果十分顯著」

早在 1911 年,美國統計學家艾爾斯(Leonard Ayres)就發現,如果賽道旁有樂隊演奏,自行車選手踩踏板的速度也會隨之加快。[1] 2012 年,英國雪菲爾哈倫大學(Sheffield Hallam University)的研究進一步證明,相較於踩踏速度沒有和音樂節拍同步的選手來說,同步選手的耗氧量減少 7%,意思就是比較不容易疲累或缺氧。由此可見,音樂就像身體的節拍器,可以穩住運動節奏,減少體力耗損。[2]

2017 年,印度幾所大學的醫學院教授共同研究音樂對青少年運動表現的影響。這些教授找來 50 位年齡介於 19 到 25 歲的學生,讓他們連續 10 個早晨在跑步機上運動,速度不限,累了就可以停下來。研究數據顯示,在沒有播放任何音樂時,男性的平均運動時間約為 26 分鐘,女性則是 18 分鐘;相較之下,當他們聆聽各自喜歡的音樂時,男性的平均運動時間可以達到 42 分鐘,女性則是 31 分鐘,前後有非常明顯的落差。[3]

音樂能夠顯著延長青少年的慢跑時間。圖/IJPPP

2020 年,美國桑福德大學(Samford University)的研究也顯示,只要在暖身時,聆聽喜歡的音樂,就可以提高臥推槓鈴的表現。雖然臥推速度幾乎沒有差異,如圖(a),可是臥推次數明顯增加。根據圖(b)的數據,如果聆聽不喜歡的音樂(NON-PREF),平均只能推 11.1 下,經過兩分鐘休息後,只能再推 8.0 下;但如果聆聽喜歡的音樂(PREF),平均可以推 13.5 下,經過兩分鐘休息後,也可以再推 9.4 下,可見聽音樂運動的效果確實非常顯著。[4] 

研究顯示,只要在暖身時,聆聽喜歡的音樂,就可以提高臥推槓鈴的表現。圖/JFMK

註解

參考資料

  1. Sound Over Pounds: Survey Finds Two Out Of Three People Cut Their Workout Short Or Ditch It Completely Without Headphones
  2. 認識耳朵 – 歡迎光臨林口長庚耳鼻喉部
  3. Let’s Get Physical: The Psychology of Effective Workout Music
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【2003 諾貝爾化學獎】細胞膜的分子通道
諾貝爾化學獎譯文_96
・2022/06/03 ・4659字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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本文轉載自諾貝爾化學獎專題系列,原文為《【2003 諾貝爾化學獎】細胞膜的分子通道

  • 譯者/蔡蘊明|台大化學系名譽教授

譯者前言:今年的諾貝爾化學獎頒給了兩位醫生,或許有些奇怪,然而仔細的去瞭解他們所做的工作就會發現,其實他們的研究已經深入到了原子的層次,那不是化學又會是什麼呢!這其實也告訴了眾多對生命科學有興趣的年輕人,其實真正精采的還是在這個化學的層次。考慮加入我們吧。

所有的生命體都是由細胞所構成,一個人身上所擁有的細胞數目就好像銀河中的星星一般,約有上千億個,在每一個人身上,例如肌肉,腎臟與神經等不同的細胞,聯合的運作而形成一個精密的系統。透過他們有關細胞中水與離子通道的開創性發現,今年的化學諾貝爾獎得主, Peter Agre 與 Roderick MacKinnon,在增進瞭解細胞如何運作的基礎化學知識方面,有重要的貢獻。他們讓大家看到一個精采的分子機器家族:通道、閘門與活栓,這些元件是細胞功能所必須的。

通過細胞膜的分子通道

為了維持細胞內外壓力的平衡,讓水能通過細胞膜是非常重要的,這是早為大家所熟知的。然而這種通道的形狀與功能,卻成為生物化學中一個典型的久未解開的問題,一直等到約 1990 年 Peter Agre 發現了第一個水的通道,就如同細胞中許多其它功能所需一般,都是由於一個蛋白質。

水分子並非唯一能進出細胞的分子,為了讓成千上萬的細胞成功的運作而非聚集在一起的肉塊而已,協調是很重要的,因此細胞之間必須溝通,而細胞之間的訊號傳遞則是靠著離子或是一些小分子,由此導致一系列的化學反應,造成我們的肌肉緊繃,眼睛濕潤 ─ 實際上包括了整個身體的運作。在我們腦部的訊號亦與這些化學反應有關。當我們弄斷了一個腳趾時,一個訊號就會上傳至腦部,透過一連串的神經細胞以及化學訊號及離子的流動,訊息就好像接力賽的棒子般在細胞間傳遞。

在 1998 年 Roderick MacKinnon 第一次成功的展示了離子通道在原子的層次到底長的是什麼樣子 ─ 這個成就加上 Agre 的水通道之發現,打開了生化與生物學中一個嶄新的研究領域。

Agre 與 MacKinnon 的發現在醫學上的貢獻也是很重要的,有一些疾病的成因就是因為水與離子的通道不能流暢的運作有關。隨著逐漸的瞭解這些通道的長相以及它們如何運作,我們就有機會發展更新更有效率的藥物。

水通道

搜尋水通道

早在 19 世紀中葉,人們就知道細胞一定有一個管道讓水與鹽類流通。在 1950 年代中期,發現有一個只能讓水分子迅速進出細胞的通道存在,在這之後的三十年間,透過詳細的研究,結論是一定有某種選擇性的過濾裝置能阻斷離子通過細胞膜,但卻能讓中性的水分子自由通過,而且每秒鐘有成千上萬的水分子通過一個單一的通道!

雖然知道這些,但一直等到 1992 年都尚無人能指出這個分子機器到底長相如何;換言之,就是能找到一個或多個蛋白質所構成的真正通道。在 1980 年代中期,Peter Agre 研究紅血球細胞上的各種細胞膜蛋白質(插在細胞膜上),他也在腎臟中發現一個同類型的蛋白質,在解開了這個蛋白質的序列以及相對應的 DNA 序列之後,他體認到這一定就是在他之前的眾多學者所搜尋的那個蛋白質:細胞的水通道。

Agre 利用一個簡單的實驗(圖 1)來測試他的假設,在此實驗中,他比較含有此膜蛋白與不含此膜蛋白的細胞,當這些細胞放入水中時,那些含有此膜蛋白的細胞因為滲透壓之故會吸收水分而漲大,而那些沒有此膜蛋白者則聞風不動。Agre 又利用一種稱為 liposome 的人造細胞來測試,那是一種內外都是水的一種肥皂泡泡,他發現當此肥皂泡的膜上植有此膜蛋白時,水就可以自由進出。

(圖 1)Agre 在含有 aquaporin 與不含 aquaporin 的細胞所做的實驗。要有 aquaporin 在細胞上才能吸水而脹大。

由於 Agre 知道汞離子會阻礙細胞吸收及釋放水,因此他也證明了這個他所發現能控制水進出細胞的蛋白質,也會因為汞離子的存在而無法讓水通過。這使得他更確定這個蛋白質就是真正的水通道,他命其名為 aquaporin,即"水洞"之意。

一個結構與功能的問題:水通道如何運作?

在 2000 年,透過與其他研究團隊的合作,Agre 發表了一個 aquaporin 的高解析度 3D 圖像,藉這這些數據,就能按圖索驥,仔細的描繪出一個水通道是如何運作的(圖 2)。為何它只讓水通過而不讓其它的分子或離子放行?例如細胞膜是不允許質子(H+)滲漏的,這點非常重要,因為細胞就是靠著內外質子濃度的差異來維持細胞能量儲存的系統。

(圖 2)水分子通過 aquaporin AQP2 。由於通道中心的正電荷,如 H3O+ 般帶正電荷的離子會被驅逐,這可避免質子的滲漏。

選擇性是這個通道的主要性質,水分子必須順著由構成通道壁的原子所形成的電場方向,鑽過一個狹窄的通道,質子(或應稱之為 oxonium 離子,H3O+)將會在中途因為其所帶的正電荷而被驅逐。

水通道在醫學上的重要性

在過去十年裡,水通道已發展成為一個不斷被討論的研究領域。大家發現 aquaporin 是屬於一個蛋白質大家族的成員,它們存在於細菌與動植物中;僅在人體就發現至少有七種不同的變體。

這些蛋白質在細菌與動植物中的功能正被勘測中,特別集中在企圖瞭解它們在生理上扮演的角色。在人體的各組織中,水通道在腎臟扮演了重要的角色。

腎臟是一個人體用來排除廢棄物的精巧裝置,在它做為篩子用的線圈中(稱為絲球體),水、離子與其它的小分子與血液分離成為所謂的初尿,在 24 小時中,約生成 170公升的初尿,其中大部分透過一系列靈巧的機制被重新吸收,最終每日產生約 1 公升的尿排出體外。

初尿通過絲球體後繼續通過一個彎管,在其中約 70% 的水通過 aquaporin AQP1 而被重新吸收回血液中,在此管的末端,另外 10% 的水通過另一個類似的 aquaporin AQP2 而被吸收。除此之外,鈉、鉀與氯離子亦被吸收回血液中。抑制尿分泌荷爾蒙(vasopressin)的功能,是促進 AQP2 傳送到腎管壁的細胞膜,因此增加了初尿中水的回收,如果一個人缺乏這種荷爾蒙,將會得到一種稱為 diabetes insipidus 的疾病,每天產生10-15 公升的尿。

離子通道

鹽類產生的細胞訊號

第一個物理化學家奧斯華(Wilhelm Ostwald , 1909 年諾貝爾化學獎)在 1890 年就認為在活體組織中所量到的電流訊號,應該是來自於離子透過細胞的進出,這個電化學的想法很快的廣為接受。到了 1920 年代,又興起了一種看法,認為有某種狹窄的離子通道存在,有兩位英國的學者 Alan Hodgkin 與 Andrew Huxley 在 1950 年代初期得到了一項重大的突破,因此得到了 1963 年的諾貝爾醫學獎,他們的研究顯示,透過神經細胞膜的離子傳輸,所產生的訊號可透過一個個神經細胞,以接力賽的方式傳遞,這些反應裡面最主要的角色就是鈉離子(Na+)與鉀離子(K+)。

這也就是說,早在 50 年前就已經充分瞭解了離子通道的主要功能,這些通道必須選擇性的只讓一種離子通過,同樣的這些通道也必須有能力打開、關閉或只讓離子往一個方向流動。然而這個分子機器到底真正是如何運作的,卻長久以來一直是個謎團。

選擇性的離子通道

在 1970 年代的研究就已顯示,離子通道只能讓某些離子通過,是因為它裝有某種"離子過濾器"。特別有趣的是,雖然鈉離子比鉀離子要小,卻發現有一種通道只能讓鉀離子通過,卻不會讓鈉離子通過。猜測這可能是由於蛋白質中的氧原子們扮演了一個重要的"取代角色",取代了原先溶於水中的鉀離子周圍所包的水分子層,當鉀離子要進入通道中,必須先脫離這個水層的包圍。

但是進一部要證實這個猜測卻很困難,因為真正需要做的是需取得只有 X-射線晶體繞射才能得到的清楚圖像,問題是運用這種方式去解膜蛋白的結構是非常困難的,當然要去解鉀離子通道的結構也不會例外。動植物的膜蛋白比細菌中者要更複雜而更難研究,但是藉著與人類離子通道非常類似的細菌通道蛋白質之研究,或許能提供進一步的瞭解。

許多研究人員在這個方面的努力均無功而返,可是卻在另一個方向的研究中意外的得到了突破。 Roderick MacKinnon 在修完生化的學位後,轉入了醫學的領域,成為一個合格的醫師。在成為醫師之後若干年,他開始對離子通道產生極高的興趣,並開始了這方面的研究。他自承"我的研究生涯從 30 歲才開始",不過他的研究卻快速的起飛。由於體認到要瞭解離子通道如何運作,必須要有更好而且更高解析度的結構圖像,他決定從最基本的 X-射線結晶學開始學起,在短短的數年之後,他提出了一個清楚的離子通道圖像而震撼了整個學界,這個重要的事件正是發生在 1998 年的一個四月天。

(圖 3)離子通道只允許鉀離子通過而非鈉離子。在過濾器中的氧原子形成的環境與過濾器外的水中環境類似。細胞也可以透過閘門控制通道的開啟與關閉。

第一個被圖解的離子通道

在 1998 年 MacKinnon 所決定的第一個高解析度的離子通道結構稱為 KcsA,乃是由一個稱為 Streptomyces liridans 的菌株得到的。 MacKinnon 第一次展示了在原子的層次,一個離子通道是如何運作的,那個只允許鉀離子通過而拒絕鈉離子的離子過濾器,現在可以仔細的去研究,他不僅能弄清楚離子如何通過這個通道,其實在其晶體結構中甚至於可看到正在通道前被水包圍著的離子,在過濾器之中的離子,以及離開過濾器的離子,水是如何的來迎接它們(圖 3)。 MacKinnon 也能解釋為何是鉀離子而非鈉離子被允許通過此過濾器,說穿了,這主要是由於鉀離子在過濾器中,周圍所圍繞的氧原子之位置,與在外面被水分子包圍著時,水分子的氧原子之位置是相同的,但是對較小的鈉離子而言,它在過濾器中與氧原子的相對位置,就無法與在水中時一樣(圖 4),因此就較喜歡留在水中(因為有較佳的水合能)。這種能讓鉀離子脫離水層,通過通道而且不損失能量的做法,屬於一種所謂選擇性催化的離子傳輸。

圖 4. 上方為通道外,離子被一層水分子包圍著。下方為通道內,由於鈉離子太小,而與氧原子形成的孔洞不能搭配,造成了鈉離子因為能量的原因不願進入。

細胞也需要能控制通道的開啟與關閉, MacKinnon 也說明了這是藉著一個通道下方的閘門,這個閘門可開啟或關閉一個分子"感知器",這個感知器就在門的附近。不同的感知器會回應於不同的訊號,例如,鈣離子濃度的增加,或一個細胞膜兩邊的電壓差異,或與某種訊息分子的螫合,藉著不同的感知器與離子通道的連接,大自然創造了能回應於眾多不同訊號的各種通道。

瞭解疾病

膜上的通道是所有生命體的基本要件,由於此,增加對它們的認識就成為瞭解許多疾病狀態的重要基礎。各種不同的脫水現象,以及對熱的敏感度,就與 aquaporin 的效率有關;例如最近幾年歐洲的熱浪,導致了許多的死亡,這些死亡,有部分是歸諸於無法保持體液的平衡,在這些過程中 aquaporin 是非常重要的。

離子通道的功能一但受到干擾,就會導致神經系統方面的疾病,以及肌肉,例如心肌,方面的問題,這使得離子通道成為一個製藥界開發新藥的重要目標。

參考資料

這份文章是譯自諾貝爾獎委員會公佈給大眾的閱讀資料:

http://www.nobel.se/chemistry/laureates/2003/public.html

有意進一步的瞭解就得詳讀以下資訊:

http://www.nobel.se/chemistry/laureates/2003/public.html

諾貝爾化學獎譯文_96
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「諾貝爾化學獎專題」系列文章,為臺大化學系名譽教授蔡蘊明等譯者,依諾貝爾化學獎委員會的新聞稿編譯而成。泛科學獲得蔡蘊明老師授權,將多年來的編譯文章收錄於此。 原文請參見:諾貝爾化學獎專題系列