【PDB-101】2003年2月 月度分子：钾通道【搬运·翻译】

——钾通道允许钾离子通过，但禁止更小的钠离子通行

    所有活细胞都被一层薄薄的细胞膜包裹着，将胞内的“一片汪洋”与外部环境分隔开来。生物膜是阻挡小离子通过的有效屏障（当然，对蛋白和DNA这样的大分子也一样管用），这就带来了一种可能：离子的浓度差可以用来产生快速的信号。比方说，细胞可以先让自个儿里面的钾离子浓度升得比外边高，然后通过膜上的通道在一眨眼间把这些钾离子释放出来，瞬间产生的钾浓度变化足以让整个细胞都感觉到。像这样的把戏，各种各样的细胞，包括细菌、植物和动物细胞都用得得心应手。离子通道参与的生命活动有两个经典例子，一是肌肉收缩（被钙离子的释放所触发），一是神经信号（与复杂的钠、钾离子流相关）。

神经信号中的离子通道

    在你闻到一朵花的香气并认出这是玫瑰花香的时候，或是当你不小心碰到烫手的东西后秒速把手抽走的时候，你鼻子或者手上的神经在向大脑发送信号以及接收恰当的应答时使用的都是这套离子释放的把戏。神经细胞为传输信号做准备的方式是将钾离子汇集在自己内部，并选择性地把钠离子排出去。这会在细胞膜两侧产生电位差。传输信号时，神经上的钠通道先开放，让钠离子流进来，同时缩小膜两侧的电位差。然后钾通道开放，放出钾离子，恢复像最初那样的电位差。信号过去之后，钠离子和钾离子在细胞内外的分布由其他通道和离子泵负责复原。参与信号产生的钠通道和钾通道都是对电压极其敏感的专业人士，一发现膜电位变化就会开放。神经细胞一端的此类通道开放时，局部的离子流立即就会刺激与这块区域相邻的膜上的其他通道，让它们接二连三地开放。由此而来的通道开放就像一股浪潮扫过神经，将神经信号带到神经细胞的另一头。

钾通道

    钾通道生而注定的任务就是让钾离子跨膜流动，同时阻止其他离子从自己这里过去，尤其是钠离子。这些通道通常由两部分组成：一个是选择滤器，负责保证只有钾能过去，钠之类的其他离子则统统禁止通行；另一个是门控闸门，负责响应环境信号，控制通道什么时候开放什么时候不开。这里展示的结构来自PDB条目1bl8，展示了一个细菌钾通道的选择滤器部分。它由四个同样的跨膜蛋白亚基组成，中心围成一个有离子选择性的通道。图上绿色的钾离子可以在打开的通道当中自由穿梭，速率快到每秒能有一亿个离子穿过单个通道。同时，它的选择性高得惊人——平均每一万个钾离子流过通道才能有一个钠离子碰巧搭上顺风车。这个通道的晶体结构向我们展示了它实现这种选择性的技巧。

开开关关

    活细胞能合成上百种离子通道，各有各的功能和任务。它们都含有相似的选择滤器结构（图上两个例子上面那一部分），与特定的门控区域（这两个例子下面那一部分）连在一起。细胞膜以灰色显示。图上的通道都是四聚体，但在选择滤器部分都各只有两个亚基被展示出来，为的是让你看清穿过膜的孔道。门控结构域依据环境信号或开放或关闭通道，这些信号可以是电压，也可以是关键的信号分子。钾通道的开闭使用了好几种结构机制。在这里展示的两个结构较为简单的细菌钾通道中，研究认为与孔道区域相连的蛋白能够扭曲形成孔道区域的肽链。比较一下图上右侧开放的钾通道（来自PDB条目1lnq）和左侧关闭的钾通道（来自PDB条目1k4c；它的门控结构域取自另一个分辨率较低的结构1f6g），你就会明白我们说的“扭曲”是什么意思了。我们神经细胞中那些更复杂的、能在感知到膜电位变化后打开又关闭的钾通道被认为在身上拴着一小颗“球”，能够直接堵塞通道的孔。（ATP注：这就是传说中的“失活门”或“失活球”，是钾通道快失活机制的基础~）（注意：有点叫人拍案惊奇的是，图上关闭态通道的孔道中有几个钾离子[绿色]结合，但开放态的通道结构中反倒连半个钾离子都见不着。）

剧毒的一面

    离子通道在神经信号传输中的作用不言而喻，因此阻断这些通道很容易就会引发严重后果。蝎子正是利用了这一点来麻醉它们的猎物。蝎毒中含有一系列强大的神经毒素，能够与离子通道结合，阻断离子流。这里的例子卡律蝎毒素（charybdotoxin，ChTX，来自PDB条目2crd）擅长攻击钾通道，让它们失去传输神经信号的功能。这个小蛋白的表面满布带正电荷的氨基酸（用亮蓝色标出），被认为可以让毒素牢牢地粘在通道的开口处。这类毒素大都是非常稳定的小蛋白。卡律蝎毒素只有37个氨基酸那么长，却含有三个二硫键——这里能看到用亮黄色标出的其中两个，帮助蛋白维持那带给它剧毒的构象。

探索结构：钾通道

    钾通道几乎只允许钾离子通过的能力是由位处孔道一端的选择滤器赋予的，就像你在图上看到的这个一样（来自PDB条目1k4c）。为了让你看清楚，四聚体通道中只有两个面对面的亚基被以棍棒模型的形式展示了出来。蓝色的小圆球是正在通过选择滤器的钾离子。通常情况下钾离子存在的形式是被一圈水分子围绕着的水合离子，就像图上这一摞离子最下面的那个一样。注意，这个离子被八个水分子（红色圆球）围在中间。为了通过选择滤器，钾离子需要先脱去这些水分子。选择滤器发挥作用的方式与这些水分子有关：它孔道的空间结构正是在模拟钾离子外侧这圈水分子的空间结构。孔道壁上的氧原子（红色）排列的方向朝向孔道腔。每个通过孔道的钾离子都被八个这样的氧原子围绕，它们就是钾离子外面那圈水分子的完美替代品。在转运发生的过程中，钾离子就像行军一样顺着孔道前进，每一“步”都踩在让它感觉仿佛自己被水合了的位置上。一旦钾离子离开选择滤器，它就会重新被水包围，并被真正地水合。然而，钠离子比钾离子小一点点，难以与选择滤器壁上的氧原子产生相互作用。与其进入选择滤器的孔道，它们还是觉得老老实实地水合着比较舒服，所以钾通道对它们的运输不那么有效。要想探索这个结构的细节，请去原网页查看可交互的JSmol文件。

    上一次搬运刚说要加搬月度分子文章里有趣的文末内容，结果这篇月度分子没什么文末内容。其实这无所谓啦，刚好让我多扯会儿淡。

    话说回来，月度分子既讲过钠通道也讲过钾通道，我之所以想先翻钾通道，部分是因为有个钾通道的名字很有趣。众所周知，负责心肌快速复极化的延迟整流钾电流主要有快慢两个成分，介导慢成分的通道主体KvLQT1（标准名字叫Kv7.1）除了名字是个病外没啥可说的，而介导快成分的那位叫hERG（标准名字叫Kv11.1），是有点说头的。它是果蝇的ERG基因在人体中的同源物（所以前面加了个h），这个ERG的全名很奇怪，叫ether-a-go-go。为啥叫这个呢？因为最开始的研究人员鉴定基因的时候，发现这个基因突变的果蝇一用乙醚麻醉就会不断地抖腿，让他们联想到在著名的夜店Whisky a Go Go里蹦迪的人跳舞的场景，于是他们用这个夜店的名字加上ether（乙醚）为这个基因命了名……有没有想到一个平平无奇的钾通道会以这种诡异的方式和夜店产生联系呢……

    好了，扯淡到此为止。因技术与能力限制，请前往原网页查看所有超链接以及可互动的JSmol文件。墙裂推荐各位去PDB-101官网查看原文，顺便探索一下这个干货满满的科普平台。

封面来源：http://dx.doi.org/10.1016/j.joa.2015.12.006（是我最喜欢的钾通道KvLQT1/MinK复合体！KvLQT1就是KCNQ1，MinK就是KCNE1~）

原作者：David S. Goodsell

搬运·翻译：还是更喜欢KvLQT1的ATP

原文网址：https://pdb101.rcsb.org/motm/38

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