迎接挑戰!鉀離子進入細胞方式被破解

2020-12-04 科技工作者之家

平衡鉀離子濃度的門控系統對人類和細菌的生存都是至關重要的。由於細菌暴露在更劇烈的環境變化中，鉀攝入量的控制往往會帶來特別的挑戰。

來自德國法蘭克福大學和荷蘭格羅寧根大學的研究人員通過低溫電子顯微鏡，詳細地觀察了細菌膜蛋白KdpFABC，發現了鉀離子通過複合體進入細胞的途徑，揭示了細胞跨膜運輸方式的多樣化，其論文近日發表在《自然·通訊》雜誌。

鉀離子不能透過細胞膜，必須通過特定的膜轉運蛋白進行轉運。一方面，鉀離子可以通過離子通道以被動運輸的方式快速地進入細胞，一旦細胞與環境之間達到了電化學平衡，這種反應就會停止。而另一方面，為了達到更高的細胞內鉀離子濃度，鉀離子還可以在消耗ATP的同時通過離子泵以主動輸送的方式進入細胞內。

由於離子通道和離子泵執行著非常不同的功能，科學家們認為它們是彼此分離的。然而，德國法蘭克福大學的生物化學助理教授Inga Hanelt和荷蘭格羅寧根大學額Cristina Paulino對KdpFABC的觀察結果卻與此相矛盾。KdpFABC是細菌的一種高仿射的、活躍的鉀吸收系統，它並不是一種簡單的離子泵，而是由四種不同的蛋白質組成，其中一種蛋白來自典型的離子泵，另一種蛋白則和鉀通道類似。

通過詳細地觀察膜蛋白KdpFABC，研究人員發現：在鉀離子的跨膜運輸中，一種離子通道樣蛋白質首先與鉀結合，並通過第一個通道將其轉運至離子泵。到達後，朝向細胞外的第一個通道關閉，朝向細胞內的第二個通道打開。這個通道在這兩種蛋白質之間延伸，最終到達細胞內部。Inga Hanelt研究小組的博士生Charlott Stock解釋說：「這種複合物基本上結合了這兩種蛋白質家族的最佳特性。離子通道樣蛋白質與鉀的結合非常特異，且具有很高的親和力，而離子泵能夠激活轉運，使細胞中的鉀含量增加1萬倍。」

Inga Hanelt總結道：「我們已經了解到細胞跨膜運輸方式的多樣化，因此在研究各種膜轉運蛋白時，我們不應依賴於看起來無可爭議的機制，而是必須為意外做好準備。」

編譯：花花

審稿：三水

責編：南熙

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