2014年3月27日

誰該通過?

作者/陳妙嫻(任教於板橋高中生物科)

生物課談及尿液的形成時,會提到水分再吸收的過程:腎小管上的細胞先以主動運輸再吸收特定的物質,如離子,造成腎小管內液體與其周圍的組織間液產生了足夠的滲透壓差異,水分子才會由腎小管滲透回到血液內。某次上課,學生問了一個令我印象深刻的問題,他說:「離子進入腎小管細胞時,水分不就跟著進來了嗎?為什麼還要分離子和水?」我以通道蛋白的專一性,也就是只會讓特定的離子通過,而水分不會跟著通過來回答他,但學生仍驚訝地說:「通道可以專一到只讓離子通過嗎?」

事後我琢磨學生的驚訝,發現認為此事是天經地義的我,才是非常奇怪的。當像食鹽這樣的可溶性固體置於水中時,水會因為極性而接近物體表面,而把正離子和負離子分別「帶」出來,並圍繞在它的周圍。若以溶解現象來思考細胞膜上的通道蛋白,就會理解學生的驚訝,如果要讓某一特定離子通過,要先將該離子外的水合層給「脫掉」,才能進入通道中,也就是說,這個通道一定要為這個離子量身訂做,尺寸要做得剛剛好,增一寸不行,減一分也不行。

通道蛋白還有另一個令人驚異的特徵,就算通道蛋白上的孔洞只專屬於某一種物質的大小,那麼比它小的物質應該可以順利通過才對啊?然而通道蛋白卻能做到接近完美的專一性,也就是說,就算比該離子要小的物質也無法順利通過。就像是房間的門依照你的身材尺寸來製作,照理說,你,以及身材比你瘦小的人應該都能進到房間內,但是通道蛋白只會讓尺寸剛好的物質進入,這到底是怎麼辦到的呢?

這個大問題,我們得從細胞這個「門」是怎麼打造的說起。通道蛋白是細胞膜上的一種跨膜蛋白,蛋白質的基本結構是許多胺基酸聚合成的長鏈,但這長鏈中常會因相鄰幾個胺基酸骨架的亞胺基與羰基間的氫鍵結合,使得部分胺基酸長鏈的骨架彎折成α– 螺旋,這種圓柱螺旋結構的環聚排列,成為跨越細胞膜的通道常見的構型。然而,螺旋狀結構並非是蛋白質的專利,細胞內的其他兩種巨分子——多醣和核酸都能形成螺旋狀,那麼為什麼跨膜通道是利用蛋白質,而不是利用多醣類或核酸來製造呢?這是因為在細胞膜中間是道疏水性層,中空的螺旋若要安穩的穿越脂雙層,螺旋構造的外側一定要是疏水性的。檢視由親水性單醣形成的澱粉,或是構成DNA 骨架的去氧核糖和磷酸基,其親水特性都不可能安穩地與這層疏水性層「和平共處」,而蛋白質則可利用疏水性側基分佈在外側以達成這個目標。......【更詳細的內容,請參閱第532期科學月刊】

沒有留言: