2018教材考點挖掘:有點魔性的鉀離子通道.

2021-02-12 盧鎮嶽齋聊生物學

(由顯示綠色的抗體固定好的鉀離子通道)

接著上一篇文章,今天談談鉀離子通道。先請大家欣賞對鉀離子通道的一個最新研究成果——一個魔性小動圖。

(研究者用預先錨定好的抗體從四個角固定下來研究其動態結構變化)

2003年諾貝爾化學獎的另一位得主是Roderick MacKinnon(羅德裡克 麥金農)。

諾獎官網上提供的鉀離子通道結構功能講解圖如下:

由於鉀離子和鈉離子都要與周圍的四個水分子的氧原子產生如下圖中的穩定的相互吸引才能「順水而流」,因此,鉀離子通道內有一個小關卡,通過高精度的距離控制模擬水和鉀離子的距離,而讓鉀離子能順利通過而鈉離子不能。

下面是麥金農帶領的團隊在1998年測定出了一種鉀離子通道結構的論文:

以下幾個靜態結構圖來自論文。

從側面看上去,所測的鉀離子通道長這個樣子:

圖中的螺旋是一種肽鏈的經典二級螺旋結構。整個蛋白質分為外部螺旋區、內部螺旋區和孔道螺旋區三部分,彩圖如下:

換個著色方式其靜態結構就如下:

這麼重大的發現,其後續研究也很多,畢竟鉀離子通道涉及到極其重要的生命活動,如我們熟知的神經電信號的傳導。

講這個故事要先從一個小小蛋白質的精緻機械力學結構說起,讓我們看看通道到底是怎麼樣打開和關閉的!

科學家曾經提出過兩個假說,基本原理很接近,都是在鉀離子通道蛋白旁邊有另一組蛋白質,這組蛋白質對膜電位的變化產生相應,產生實實在在的「相對運動」,相當於一個自動門的牽引臂一樣開關鉀通道。下圖中上下兩個假說的差別是「牽引臂」蛋白的運動方式有所不同。

而更新的一個研究則對具體蛋白質的運動作了更為細緻的刻畫。

上面的幾幅圖要慢慢細心看,其基本動力其實就是正負電荷的相互吸引。不用我贅言,大家應該能感受到這個有蛋白質構成的小機關的所體現無窮的理性自然美!

這個實驗的細緻程度真讓人嘆為觀止,下圖是其中一個實驗數據展示,橫坐標是時間,不同顏色表示通道的開與關,縱坐標的曲線描述的是通過通道的水分子的量(離子通道是能透水的),左右兩個通道蛋白及附屬蛋白結構圖呈現了極其細微的結構改變!

最後再補一個側視版魔性小動圖。

今天就先到這裡,下回再聊,祝進步!

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