在一项新的研究中，来自丹麦奥胡斯大学和美国纽约大学的研究人员展示了一种起源自离子泵超家族和离子通道超家族的膜蛋白复合体如何能够实现钾离子主动运输。相关研究结果于2017年6月21日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Crystal structure of the potassium-importing KdpFABC membrane complex”。
图片来自Bjørn Panyella Pedersen/Aarhus University。
钾离子高度富集在所有细胞中，而且它是膨压（turgor pressure）产生的一种主要决定因素。如果含有太多的钾离子，那么细胞能够因水流入而破裂，然而，如果含有太少的钾离子，那么细胞能够因水流出而枯萎。这种渗透原理也用于食物保藏中。
鉴于钾离子实际上不能够通过细胞膜，钾离子转运体进化出来调节它的摄取。在单细胞有机体中，维持内部钾离子水平的机制对波动的环境面临的挑战是高度反应性的。在正常情形下，钾离子通道导致电化学梯度驱动的钾离子内流。然而，在很少的钾离子存在的环境中，这种电化学梯度不能够维持内流，因此通过钾离子泵进行的主动运输快速地接管，直接促进钾离子摄取。
这些钾离子泵的作用机制和结构还未得到很好的理解，而且根据序列分析的结果，它们似乎同时具有与钾离子通道和更加经典的已知来自动物的钠-钾离子泵（sodium/potassium pump）相关的成员。这让科学家们困惑了几十年，而且很多人甚至怀疑这些钾离子泵是否能够作为一种功能性单元存在。
这部分上是因为生物学上将离子运输描述为离子通道或离子泵单独介导的。离子通道介导快速地被动“下坡”运输，而离子泵介导逆着电化学梯度进行的慢速地主动“上坡”运输。这两个过程都是相对容易理解的，而且在正常情形下作为完全不同的实体独立存在着。
这些研究结果挑战了这种对离子通道和离子泵的区分，并且解决了一个令人困惑的问题：离子泵和离子通道如何可能在一种复合体中一起发挥作用。他们首次可视化观察这种被称作KdpFABC的运输钾离子的膜蛋白复合体，它的来自离子泵超家族和离子通道超家族的成员在一个大的蛋白复合体中实现主动运输。一个“离子泵类似的”亚基实现能量输入（类似于分子马达），而一个“离子通道类似的”亚基发生功能改换：作为一种活性载体，介导逆着1万倍电化学梯度运输钾离子。
这些结果建立在之前对离子通道和离子泵功能的了解的基础上。科学家们长期以来就已知道和研究了门控离子通道，而且确实大多数离子通道具有一个或多个在它们的生理功能中发挥着至关重要的门。类似地，离子泵功能背后的分子机制已得到很好地描述。根据这些新的研究结果，我们能够突然明白来自一个离子通道类似的亚基的门如何能够与一个离子泵类似的亚基连接在一起，随后能够控制它们的打开和关闭。这就让门打开/关闭、底物识别/结合和能量消耗强烈地关联在一起。这些已知都是其他的离子泵的特征，但是对KdpFABC而言，仅当这种蛋白复合体中的所有成员在一起时，它们才发挥作用。
参考资料：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
Cell：细胞治疗领域观察者
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