Nature:新研究挑戰鉀離子運輸的生物學中心法則

2020-12-05 生物谷

圖片來自Bjørn Panyella Pedersen/Aarhus University。


2017年6月27日/生物谷BIOON/---在一項新的研究中，來自丹麥奧胡斯大學和美國紐約大學的研究人員展示了一種起源自離子泵超家族和離子通道超家族的膜蛋白複合體如何能夠實現鉀離子主動運輸。相關研究結果於2017年6月21日在線發表在

Nature

期刊上，論文標題為「Crystal structure of the potassium-importing KdpFABC membrane complex」。

鉀離子高度富集在所有細胞中，而且它是膨壓（turgor pressure）產生的一種主要決定因素。如果含有太多的鉀離子，那麼細胞能夠因水流入而破裂，然而，如果含有太少的鉀離子，那麼細胞能夠因水流出而枯萎。這種滲透原理也用於食物保藏中。

鑑於鉀離子實際上不能夠通過細胞膜，鉀離子轉運體進化出來調節它的攝取。在單細胞有機體中，維持內部鉀離子水平的機制對波動的環境面臨的挑戰是高度反應性的。在正常情形下，鉀離子通道導致電化學梯度驅動的鉀離子內流。然而，在很少的鉀離子存在的環境中，這種電化學梯度不能夠維持內流，因此通過鉀離子泵進行的主動運輸快速地接管，直接促進鉀離子攝取。

這些鉀離子泵的作用機制和結構還未得到很好的理解，而且根據序列分析的結果，它們似乎同時具有與鉀離子通道和更加經典的已知來自動物的鈉-鉀離子泵（sodium/potassium pump）相關的成員。這讓科學家們困惑了幾十年，而且很多人甚至懷疑這些鉀離子泵是否能夠作為一種功能性單元存在。

這部分上是因為生物學上將離子運輸描述為離子通道或離子泵單獨介導的。離子通道介導快速地被動「下坡」運輸，而離子泵介導逆著電化學梯度進行的慢速地主動「上坡」運輸。這兩個過程都是相對容易理解的，而且在正常情形下作為完全不同的實體獨立存在著。

這些研究結果挑戰了這種對離子通道和離子泵的區分，並且解決了一個令人困惑的問題：離子泵和離子通道如何可能在一種複合體中一起發揮作用。他們首次可視化觀察這種被稱作KdpFABC的運輸鉀離子的膜蛋白複合體，它的來自離子泵超家族和離子通道超家族的成員在一個大的蛋白複合體中實現主動運輸。一個「離子泵類似的」亞基實現能量輸入（類似於分子馬達），而一個「離子通道類似的」亞基發生功能改換：作為一種活性載體，介導逆著1萬倍電化學梯度運輸鉀離子。

這些結果建立在之前對離子通道和離子泵功能的了解的基礎上。科學家們長期以來就已知道和研究了門控離子通道，而且確實大多數離子通道具有一個或多個在它們的生理功能中發揮著至關重要的門。類似地，離子泵功能背後的分子機制已得到很好地描述。根據這些新的研究結果，我們能夠突然明白來自一個離子通道類似的亞基的門如何能夠與一個離子泵類似的亞基連接在一起，隨後能夠控制它們的打開和關閉。這就讓門打開/關閉、底物識別/結合和能量消耗強烈地關聯在一起。這些已知都是其他的離子泵的特徵，但是對KdpFABC而言，僅當這種蛋白複合體中的所有成員在一起時，它們才發揮作用。（生物谷 Bioon.com）

參考資料：Ching-Shin Huang, Bjørn Panyella Pedersen & David L. Stokes. Crystal structure of the potassium-importing KdpFABC membrane complex. Nature, Published online 21 June 2017, doi:10.1038/nature22970

相關焦點

  • Nature:鉀離子運輸蛋白TrkH晶體結構
    所有活細胞都積累鉀離子，而很高的細胞內鉀濃度是很多生理過程所必需的。在細菌、酵母和植物中，鉀離子吸收是由一個超級家族的運輸蛋白「SKT蛋白」實現的。這些蛋白被認為是從簡單的鉀通道形成的，但是鉀離子選擇性和運輸的機制卻不清楚。現在，一種細菌SKT蛋白（來自「副溶血性弧菌」的TrkH鉀運輸蛋白）的晶體結構已被確定。
  • 迎接挑戰!鉀離子進入細胞方式被破解
    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。
  • 細胞生物學課本該改改了:「離子通道」和「離子泵」是一種複合體
    鉀太多胞外水湧入，細胞破裂；太少胞內水份流失，細胞皺縮。這種滲透原理也適用於醃製肉類、水果和蔬菜的食品保存。由於鉀不可直接透過細胞膜，生物便進化出鉀轉運器介導鉀吸收。在單細胞生物（unicellular organisms）中，細胞內鉀水平維持機制極度敏感，因為自然環境波動挑戰無處不在。
  • Science:新研究挑戰分子生物學中心法則!核糖核苷酸的整合竟促進...
    在一項新的研究中，來自美國北卡羅來納大學的研究人員吃驚地發現在DSB修復期間，核糖核苷酸通常通過哺乳動物NHEJ途徑被整合到斷裂的DNA末端上，從而增強DSB修復。這一重要的發現證實了將核糖核苷酸短暫地整合到DNA中具有生物學功能，從而挑戰了分子生物學的中心法則。
  • 進展| 水系鉀離子電池研究取得重要進展
    相較於水系鋰離子電池和水系鈉離子電池而言，水系鉀離子電池則更具優勢。主要原因為：第一，鉀在地殼中的含量是鋰的1290倍，具有很大的成本優勢；第二，鉀的標準電極電位比鈉的低0.22 V，意味著同類型結構的鉀正極具有更高的電壓，從而使得全電池具備更高的能量密度；第三，在具有相同陰離子和相同濃度的水溶液中，鉀鹽溶液的離子電導率比鋰鹽和鈉鹽的都要高很多，意味著用鉀鹽水溶液做電解液可以使全電池具備更快的充放電能力。
  • 深圳先進院高性能鉀離子電池負極材料研究取得進展
    【能源人都在看，點擊右上角加'關注'】導讀中國科學院深圳先進技術研究院材料所（籌）光子信息與能源材料研究中心在新型高性能鉀離子電池的負極材料研究方面取得新進展3月18日，中國科學院深圳先進技術研究院材料所（籌）光子信息與能源材料研究中心在新型高性能鉀離子電池的負極材料研究方面取得新進展：理論預言苯乙烯材料是一類非常有前景的鉀離子電池負極材料，基於大量的計算模擬數據指出苯乙烯材料在用作鉀離子電池負極材料時具有非常高的理論比容量和非常小的體積膨脹。
  • 加州大學伯克利分校:活細胞中鉀離子比例螢光成像的雙螢光傳感器
    【科學背景】鉀離子(K+)是人體中最豐富的細胞內金屬，在調節細胞內液量，營養運輸以及通過神經和肌肉收縮的細胞間通訊中起著至關重要的作用。另一方面，K+動態平衡的異常改變導致多種疾病，涉及心血管和神經系統疾病，糖尿病，腎臟疾病和癌症。
  • 我國學者創建鉀離子通道「摺紙風車」模型 合理闡釋細胞動作電位...
    黑龍江省亞歐腦科學研究院孫作東研究員在腦科學基礎理論研究領域又獲新突破，近日在美國醫學科學期刊Journal of US-China Medical Science(UCMS)同期刊發3篇論文——《鉀離子通道「摺紙風車」模型》《用鉀離子通道「摺紙風車」模型闡釋細胞動作電位發生機制》《鳩子論的修訂與補充》，首次對細胞動作電位與靜息電位產生機制和鈉
  • 鋰電池發展遇「瓶頸」 鉀離子電池價值被低估?
    然而，發展到現在似乎遇到了一個「瓶頸期」，能量密度提升緩慢，成本下降並不迅速，而且在快充、適應溫度範圍、更大規模部署應用(電動汽車、儲能)以及資源豐度方面都已經遇到了挑戰。因此人們一直在尋找一種新的二次電池技術彌補鋰電的不足，鈉以及電荷數大的鎂、鋅、鋁金屬子都是目前重要的研究方向。
  • 《Nature》:回答一個關於離子通道的歷史謎團
    允許鉀和鈉離子進出細胞的離子通道對中樞神經系統的神經元「放電」以及大腦和心臟功能至關重要。根據康奈爾大學醫學科學家領導的一項新研究，這些通道使用「球鏈」機制來幫助調節離子流。2020年3月18日發表在《Nature》雜誌上的一篇文章證實了一個關於離子通道的長期假設，代表了對大多數細胞中基本生物過程的理解又上了一個臺階。
  • 鋰電池發展遇「瓶頸」:給了鉀離子電池一個機會
    然而，鋰電池發展到現在似乎遇到了一個「瓶頸期」，能量密度提升緩慢，成本下降並不迅速，而且在快充、適應溫度範圍、更大規模部署應用（電動汽車、儲能）以及資源豐度方面都已經遇到了挑戰。因此人們一直在尋找一種新的二次電池技術彌補鋰電的不足，鈉以及電荷數大的鎂、鋅、鋁金屬子都是目前重要的研究方向。
  • 【視頻】鉀離子電池材料新進展 | 東北師大朱廣山等 Chemical Science
    鉀在地殼中的含量是鋰的 1000 倍，因此非常有希望在電池中代替鋰元素。然而，鉀離子電池所面臨的一項技術挑戰就是新型電極材料的開發，這是因為鉀離子體積較大，鉀離子嵌入引起的體積膨脹可能會造成電極材料的破壞。
  • 鉀離子通道選擇性研究獲新發現
    這一研究成果公布在《自然—結構與分子生物學》（Nature Structural and Molecular Biology）雜誌上。 文章的第一作者和通訊作者之一是浙江大學生命科學學院2010年引進的葉升教授，論文的其他作者有中科院上海藥物所的李揚博士以及美國西南醫學中心的姜有星博士。姜有星博士和葉升博士為本文的共同通訊作者。
  • 46-NML專輯 | 鉀離子電池
    https://doi.org/10.1007/s40820-020-00460-y快速儲鉀新材料設計及其機理剖析：烯碳鎧甲保護的TiO2納米管電極的原位表徵與DFT理論分析4. 6. https://doi.org/10.1007/s40820-019-0260-6 NML研究文章｜氮、磷共摻石墨烯：全碳基鋰/鉀離子電容器負極材料
  • Cell|挑戰傳統離子通道分類:K+通道輔助亞單位KCNE1新功能
    撰文 | 十一月責編 | 兮想要對人類病理生理學的基因變異進行研究，首先要確定蛋白質複合物的亞單位組成的特異性。K+電壓門控離子通道蛋白的孔形成亞基KCNQ1屬於鉀離子通道超家族，與其β輔助亞基KCNE1聯合產生緩慢的心臟鉀離子電流，K+離子通道功能障礙會導致心率失常。一直以來，KCNE1的功能都被認為是只與K+通道相關，但是否的確如此呢？
  • 靶向去泛素化或可治療離子通道疾病
    Colecraft研究組發現，靶向去泛素化可挽救不同運輸缺陷的離子通道病。這一研究成果於2020年11月9日在線發表在《自然—方法學》上。 研究人員開發了工程化的去泛素酶（enDUB），能夠從目標蛋白中選擇性去除泛素鏈，從而拯救長期QT症候群（LQT）和囊性纖維化（CF）背後不同突變離子通道的功能性表達。
  • mRNA,中心法則的中心
    mRNA是分子生物學的基本核心概念，我們自以為很熟悉，其實還有你很多不知道的地方。 mRNA是一大類RNA分子的統稱，它們負責把遺傳信息從DNA傳遞到核糖體上，然後在核糖體上生成基因所編碼的蛋白，因此這個也是核糖體專題的一小部分。
  • 中國海洋大學柳偉團隊在鉀離子超級電容器研究領域取得系列進展
    相關鉀離子存儲材料與器件研究已成為當前科研前沿熱點之一。然而，鉀離子半徑遠大於鋰離子，導致原有電極材料在存儲鉀離子過程中出現嚴重結構破壞，器件性能下降明顯。因此，如何設計構建新型電極材料，適應鉀離子擴散的熱力學與動力學需求，開發出低成本同時兼具高性能的鉀離子電極材料成為當前研究的熱點與難點。
  • 《分子細胞》發表西湖大學申懷宗課題組KCNQ4鉀通道結構研究成果
    鈉通道（只能通過鈉離子的離子通道），是烽火臺負責點火的「士兵」；而鉀通道（只能通過鉀離子的離子通道），則是負責熄火的「士兵」。在加入西湖大學後，他所領導的膜蛋白結構生物學實驗室，把目光投向了負責「滅火」的鉀通道。人體裡有四十多種電壓門控鉀通道（即由電壓信號控制開閉的鉀通道），它們負責神經元和肌肉細胞等可興奮組織的興奮性調節，對維持神經-肌肉系統和心臟的正常功能來說非常關鍵。
  • Cell | 挑戰傳統離子通道分類:K+通道輔助亞單位KCNE1新功能
    撰文 | 十一月　　責編 | 兮　　想要對人類病理生理學的基因變異進行研究，首先要確定蛋白質複合物的亞單位組成的特異性。K+電壓門控離子通道蛋白的孔形成亞基KCNQ1屬於鉀離子通道超家族，與其β輔助亞基KCNE1聯合產生緩慢的心臟鉀離子電流，K+離子通道功能障礙會導致心率失常。一直以來，KCNE1的功能都被認為是只與K+通道相關，但是否的確如此呢？