浙江大学研究生揭示纳米水通道的分子机制

顾汉现

浙江大学研究生揭示纳米水通道的分子机制

(转)

(2007年)

    从浙江大学了解到，浙大研究生李敬源等人通过对水通道蛋白的简化模型的分子动力学模拟研究，揭示了在纳米尺度下水通道所具有的独特开关特性的分子机制：“排成一列”的水分子之间稳定的氢键相互作用，使纳米水通道一方面可以不受外界环境中无处不在的“噪声”影响，另外一方面又可以有效的对真正的信号作出反应。

    据了解，李敬源是中科院院士唐孝威的博士研究生。他在唐孝威院士的指导下，参考了计算机学院吴朝晖教授的建议，和美国IBMWatson研究中心研究员、浙大生物信息中心客座教授周如洪、上海应用物理研究所的方海平等从2005年10月开始该课题的研究，

    众所周知，细胞是组成生物体的基本单位，每个细胞像一座城，细胞膜上的磷脂双分子是负责隔绝的“城墙”，而镶嵌其中的各种膜蛋白分子则是流通物质和能量“门窗”。美国科学家彼得•阿格雷博士研究发现，细胞膜中存在一种专门允许水分子出入的水通道蛋白，他因此获得了2003年的诺贝尔化学奖。在人体中，目前已经确定的水通道蛋白有11种，其中的大部分存在于肾脏、大脑和眼睛中。这种蛋白功能的损伤与多种疾病有关。但是，细胞膜蛋白水通道究竟是如何让水分子进出的具体工作机制，尚有待科学家进一步探索。

    他们的研究成果表明：水通道蛋白有非常奇妙的特性，虽然通道内的电场环境会有一定程度的变化，但水通道蛋白仍能在这种情况下保持一个稳定的流量，同时又能根据真正的开/关信号迅速实现通道的门控，纳米尺度下水通道的这个特性对于水通道蛋白实现它的生物学功能非常关键。李敬源介绍说，科学家把在水通道蛋白中不同电环境下的这种变化称为“噪声”，原因是由于纳米通道是个非常微观的系统，一个在宏观看来很微小的变化，在纳米尺度下，都会是很大的变化。

    李敬源等人以具有合适半径的纳米碳管作为模型系统，用全原子动力学的模拟方法进行研究，发现这种完美开关特性的背后的机制是，在纳米通道中，一个个水分子，是“排成一列”后通过一个水通道蛋白出入细胞的，形成水流。水分子之间的氢键作用，使得“排成一列”的水分子成为具有协同作用水分子链。当外加电荷与水分子的静电相互作用破坏了水分子间氢键的协同作用，才会降低水的流量。研究发现，正是由于水分子之间稳定、协同的氢键相互作用，使水分子能够很好的屏蔽外界的“噪声”，令纳米水通道有如此奇妙的开关特性。

    李敬源认为，之所以能够清楚地揭示纳米水通道独特的开关特性的分子机制，得益于对分子动力学模拟的数据分析方法的研究。“这种方法让我们清楚地‘看到’原子是如何运动的，为我们详细刻画在纳米尺度下的分子运动的规律提供了基础。由于纳米系统和生物系统的独特性，会产生很多奇特现象，有时候需要利用交叉学科的优势，从物理学角度出发，用全新的分析手段，才能清楚刻画其中的物理图像，发现这里面全新的物理规律。我想这也是我们生物物理学科学者的任务，也是中科院唐孝威院士领导的交叉学科实验室所倡导的。”

顾汉现

生命离不开水

    水是一切生命的源泉。在我国邢台、唐山大地震中，救援人员在倒塌的房屋下成功地营救出不少幸存者，他门在废墟下与外界失去联系，没有食物仅靠少许的沟水或不洁水，度过了一个个日日夜夜。假如他们失去水，那最多只能坚持5～6天。可见，水在维持生命的意义上远比食物重要，仅次于空气。

    水又是一切活体的重要组成。人体内大约60％的重量是水，在有些水生物体内，水的含量更高。如水母体内水份竟达体重的95％。没有水，植物会枯死，动物会渴死，一切生命将会终止，地球将失去一切生机，变得万般寂静和荒凉。

    翻开世界地图，映入我们眼帘的首先是一片蓝色的海洋。仔细计算一下，海洋竟占地球表面的70％，加上陆地上成千上万条江、河、湖泊，我们的地球简直就是一个水球。地球表面的海水、江水、湖水在阳光的照射下，逐步升温蒸发成水蒸汽进入大气层。形成云雾，在风的作用下四处漂流，遇冷空气后凝结成雨、雪、冰雹等，又重新降落到地面。汇集成江、河、湖泊，最后直接或间接流入海洋。水就这样蒸发、降落、再蒸发、再降落，无休止地循环着，使地球表面始终保持一定的水含量，养育着地球上成千上万的生命。

    一个健康人每天都要摄取一定量的水，并排出同等量的水，达到水循环的平衡，一般来说，成年人每天约从饮用水中获取1200毫升的水，从食物中获取1000毫升水，每天摄入的糖、蛋白质等经过代谢产生大约300毫升水，这样，总进水量约为2500毫升、同时人体通过肾脏每天排尿约为1500毫升，粪便排出水份约200毫升、皮肤蒸发约400毫升，肺呼出空气含水份约400毫升，其总排水量也是2500毫升。不论是摄入或排出哪一方面发生变化，人体都会进行适当调节。如高温作业区或从事重体力劳动的人，其皮肤排水量特别大，因此需增加相应摄水量。人体的水循环平衡一旦破坏，即出现不良结果。如长期摄水量大于排水量，则可出现水肿、水中毒等恶果，这就需用利尿药物增加水份的排出，并减少水分的摄取，以达到水的平衡。