Все живые существа, включая человека, состоят из клеток. Клетка похожа на маленький город, окруженный стеной, куда постоянно поступают полезные вещества и постоянно выводятся отходы. Более 100 лет назад люди предполагали, что в стенах крошечного города клеток есть множество «ворот», которые позволяют входить и выходить только определенным молекулам или ионам. Нобелевская премия по химии 2003 года была присуждена за результаты исследований, связанных с этими «городскими воротами».
8-го числа Королевская шведская академия наук объявила о присуждении Нобелевской премии по химии 2003 года американским ученым Питеру Агре и Родерику Маккиннону в знак признания их открытия водных каналов клеточной мембраны и их новаторского вклада в изучение структуры и механизма действия ионных каналов. Изученный ими канал клеточной мембраны — это «городские ворота», о которых люди предполагали ранее.
Основным компонентом живых организмов является водный раствор, на долю которого приходится 70% массы тела человека. Водный раствор в живых организмах в основном состоит из молекул воды и различных ионов. Их перемещение внутрь и наружу каналов клеточной мембраны обеспечивает выполнение многих клеточных функций.
В середине 1950-х годов ученые обнаружили, что в клеточной мембране существуют определенные каналы, которые позволяют входить и выходить только молекулам воды, и люди назвали их водными каналами. Поскольку вода необходима для жизни, можно сказать, что водные каналы являются важнейшими каналами клеточной мембраны. Хотя ученые и обнаружили существование водных каналов, что именно они собой представляют, оставалось загадкой.
В середине 1980-х годов американский ученый Питер Агре изучал различные белки клеточной мембраны. После повторных исследований он обнаружил, что белок клеточной мембраны, называемый аквапорин, является тем водным каналом, который люди искали долгое время. Чтобы проверить свое открытие, Агре провел сравнительный эксперимент на клетках, содержащих белки водных каналов, и клетках без этого белка. Результаты показали, что первые могли поглощать воду, а вторые — нет. Чтобы дополнительно это проверить, он создал две искусственные клеточные мембраны: одну, содержащую аквапорин, и одну без него. Он превратил два типа искусственных клеточных мембран в пузыри, а затем поместил их в воду. Первый тип пузырей впитал много воды и расширился, тогда как второй тип не изменился. Они в полной мере демонстрируют, что аквапорин выполняет функцию поглощения молекул воды, то есть водных каналов.
В 2000 году Агре и другие исследователи опубликовали первую в мире стереоскопическую фотографию аквапорина с высоким разрешением. На фотографиях видно, что особая структура белка пропускает только молекулы воды.
Открытие водного канала открыло новое направление исследований. В настоящее время ученые обнаружили, что аквапорины широко представлены в животных, растениях и микроорганизмах. Существует множество типов аквапоринов, из которых 11 типов обнаружены только в организме человека. Он выполняет очень важные функции, например, играет ключевую роль в фильтрации в почках человека. Обычно взрослый человек производит 170 литров первичной мочи каждый день. Эта первичная моча фильтруется через белки водных каналов в почечных клубочках, и большая часть воды перерабатывается человеческим организмом. В конечном итоге из организма выводится только около 1 литра мочи.
Еще в 1890 году Вильгельм Оствальд (лауреат Нобелевской премии по химии 1909 года) выдвинул гипотезу о том, что ионы, входящие и выходящие из клеток, передают информацию. В 1920-х годах ученые подтвердили существование каналов в клеточной мембране, которые позволяют ионам входить и выходить. В начале 1950-х годов Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли обнаружили, что ионы могут передавать информацию, переходя от одной нервной клетки к другой. За это они были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине 1963 года. Однако в то время ученые не знали структуру и принципы работы ионных каналов.
В 1988 году Родерик Маккиннон использовал рентгеновскую кристаллографию для получения первой в мире фотографии ионного канала с высоким разрешением и впервые раскрыл принципы работы ионных каналов на атомном уровне. Ионный канал на этой фотографии взят из цианобактерий Streptomyces и также является белком. Метод Маккиннона является революционным, поскольку он позволяет ученым наблюдать состояние ионов до того, как они попадут в ионный канал, их состояние внутри канала и их состояние после того, как они пройдут через канал. Большое значение имеют исследования водных и ионных каналов. Многие заболевания, такие как некоторые неврологические заболевания и сердечно-сосудистые заболевания, вызваны дисфункцией каналов клеточной мембраны. Исследования каналов клеточной мембраны могут помочь ученым найти конкретные причины и разработать соответствующие лекарства. Кроме того, используя различные каналы клеточной мембраны, можно регулировать функцию клеток для достижения цели лечения заболеваний. Важной функцией традиционной китайской медицины является регулирование состава жидкостей организма человека и концентрации различных компонентов, которые могут регулировать функции клеток через различные каналы клеточной мембраны. Некоторые эксперты полагают, что исследование каналов клеточной мембраны может стать важным способом раскрытия научных принципов традиционной китайской медицины.