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细胞生物学课本该改改了:“离子通道”和“离子泵”是一种复合体

2017/06/29 来源:生物通
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导读
《Nature》文章揭示了一种既包含离子泵又含有离子通道超家族的膜蛋白复合体,揭示了钾离子主动转运的机制。研究结果使人重新定义了现有的“泵”和“通道”概念。


本文转载自“生物通”

钾(potassium)高度集中在所有细胞中,是细胞膨压(turgor pressure)的主要决定因素。钾太多胞外水涌入,细胞破裂;太少胞内水份流失,细胞皱缩。这种渗透原理也适用于腌制肉类、水果和蔬菜的食品保存。

由于钾不可直接透过细胞膜,生物便进化出钾转运器介导钾吸收。在单细胞生物(unicellular organisms)中,细胞内钾水平维持机制极度敏感,因为自然环境波动挑战无处不在。正常情况,钾离子通道(potassium channels)利用电化学梯度驱动钾的输入通量。环境含钾很少,电位无法维持输入通量时,细胞通过钾离子泵系统快速接管钾主动吸收驱动职责。


然而,钾离子泵系统的机制和结构尚未完全阐明。从序列分析来看,似乎内部有元件同时具备钾通道和经典钠钾泵双功能。这让研究人员困惑了几十年,许多人甚至怀疑这些以功能为单位的复合物是否存在。

争论的根源在于生物学教材代代相传的“通道(channels)”和“泵(pumps)”的概念:根据电化学梯度,离子通道介导快速和被动“下坡”运输,离子泵介导缓慢和主动“爬坡”运输。两个过程已经被研究得很透彻了,通常被认为是完全不同的分离并置实体。

本篇Nature文章结果对这种长期存在的理论给出了致命一击,并解决了通道和泵如何在复杂环境中协同工作的历史难题。

来自Aarhus大学和纽约大学的研究人员首次在膜上观察到了钾转运结构(被称为KdpFABC),通道和泵超家族成员聚集组成一个大复合体,共同行使主动运输。一个“泵样”亚单位(KdpB)制造能力输入;一个“通道样”亚单位(KdpA)的功能被重新定义为主动运输执行者,对抗1万倍离子梯度将钾转运至胞内。

“整个事件最精彩的部分是,它打破了一个我们习以为常的概念,”助理教授Bjørn Panyella Pedersen说。“这又是一个经典例子,大自然并不喜欢我们试图去理解它并对它进行分类,它的态度是如果朝这个方向进化能有作用,它就会这么干。”

事实上,大多数离子通道有一个到多个闸门,每个都是生理功能的重要组成部分。离子泵的工作机制也与之类似。在新视野下,我们意外地看到通道样亚基闸门与泵样亚基相连互作,控制整个通道的开开合合。这种操作造成闸门开/关、底物识别和能量消耗之间的强烈耦合。只有复合体内所有元件组合起来才能正常工作。

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