知識力

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。

α–螺旋約為每3.6個胺基酸旋轉一圈，雖然側基有分子大小之別，可以讓這段螺旋圓柱的中空管徑稍作不同變化，然而變化範圍極其有限，無法為不同大小的物質「量身訂做」專屬通道，因此，許多通道蛋白是以數個螺旋結構排成一圈，隔開磷脂質分子，圈圍出一個中空的通道。這些螺旋所圈圍出的通道，在中空的通道面，須要是有極性或帶電的側基來打造，這些側基間的弱吸引力大小不一，會讓螺旋彼此之間不只是直挺挺地排排站，而可以用不同角度、位置在空間中排列，造成特定的通道大小。例如水通道的兩端開口皆呈現漏斗狀，可以讓多個水分子進入，然而到了通道中段便突然變得狹窄，只能讓一個水分子通過，而使專一性提高。除了通道的特殊形狀外，如果側基是帶有電荷的，那些正電或負電所造成的電場性質，也會對專一性提供加值貢獻。就像水通道蛋白中段的狹窄處，除了通道大小只能讓水分子通過外，該處胺基酸的側基提供了一個特定方向的電場，吸引水分子中帶有負電極性的氧，使分子向前轉動，轉動之後又遇到另一方向的電場，再使其向前轉動，通過這個狹窄的區域。也就是說，側基的多樣性可與不同物質形成弱吸引力，而促使該物質通過通道。這些側基所提供的吸引力或排斥力，也為本文一開始的問題提供了可能的解答，水孔蛋白的狹窄處主要是以正電去吸引水分子的氧，而較水分子小的氫離子反而會因為正電相斥而無法通過。

鉀離子通道的設計更為神奇，它不但只能夠讓鉀離子通過，還能拒絕讓同為正電、尺寸較小的鈉離子進入。當鉀離子溶於水中，水分子中的帶有負電極性的氧會受到正電的吸引，而圍繞於鉀離子四周形成水合層，離子在進入通道時就必須脫掉這層水分子。鉀離子通道的尺寸，不但適合鉀離子的大小，而且在通道入口，剛好有四個氧在門口的適當距離「迎接」鉀離子，該距離剛好是鉀與水分子的距離。接下來，通道上的氧會與鉀離子形成鍵結，便能使鉀離子脫離水分子而進入通道。鈉離子雖然也會受到氧的吸引，但是由於鈉的電荷密度較高，與氧的距離較鉀接近，因此反而無法被通道上的四個氧迎接進入通道。

以上這些結構的知識，科學家都必須辛苦地使用X光繞射等複雜的工具來研究蛋白質晶體，以計算各個原子間的距離來解開胺基酸序列巧妙安排之謎。不過要提醒讀者的是，畢竟專一性主要是來自於結構與帶電性質等物理因素的篩選所造成的，因此專一性通常也沒有那麼的專一，例如可以讓鈣離子通過的通道，也可能讓鎂離子通過；水通道除了可讓水分通過外，仍可以讓甘油、二氧化碳、氨和尿素等不帶電荷的物質通過。然而，就通透性來說，鈣離子通道讓鈣離子通過的效率會是最高的，水通道讓水分子通過的效率也會是最高的，因此，「專一性」在此應該理解成「對某一物質有最高效率的」，而不是「僅僅只有某一物質」，就如「專一性」的英文原名詞是「specificity」，而不是「only」。

陳妙嫻

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