【PDB-101】2009年10月 月度分子：钠钾泵【搬运·翻译】

——细胞无时无刻不在花费ATP把钠离子泵出、钾离子泵入

    我们的机体耗能如流水。ATP（adenosine triphosphate，三磷酸腺苷）是我们细胞最主要的能量货币之一，每日每夜、每分每秒都有数不清的ATP被消耗掉又被重新合成出来。你的机体一天合成出的所有ATP加在一起几乎就与你本人一样重，简直令人直呼amazing。细胞花费这些个ATP的方法很多，比方说用来给你的肌肉加把劲啦、让你的酶酶们好好干活不出偏差啦，或者是让你的机体保持温暖之类的。不过，要说谁在这里面占的份儿最大，那不是别人，而是今天出场的这个看似不起眼的小蛋白：我们细胞合成的总ATP量差不多有三分之一都分给了钠钾泵。

泵送离子

    钠钾泵（PDB条目2zxe和3b8e）存在于我们的细胞膜上，负责产生离子浓度梯度。它一刻不停地泵出钠离子、泵入钾离子，ATP就是它的能量来源。每耗费一分子ATP，它都要泵出三个钠离子，泵入两个钾离子。这样，内部缺乏钠离子的细胞就在膜两侧产生了电压梯度与浓度梯度，而这两种梯度在很多生命过程中都能派上用场。

神奇的梯度

    上述的梯度最令人叫绝的用途莫过于神经信号的传导。我们神经元的轴突平时把钠离子统统从自个儿里面驱赶出去，想要发出神经冲动时则让它们顺着特殊的电压门控钠通道一股脑儿再流回来。钠钾泵就负责帮轴突为下一次冲动做好准备。除此之外，钠钾泵创造出的梯度也能调控细胞内的渗透压，还可以为其他一些泵提供动力——这些泵将钠离子的流动同其他分子的转运挂上钩，比方说钙离子和葡萄糖。

来一剂强心针

    治疗心力衰竭的传统方案利用的原理就是阻滞钠钾泵。强心苷类物质，包括像洋地黄类（digitalis）和乌本苷（又名哇巴因，ouabain；PDB条目3a3y是它与钠钾泵结合在一起的样子）这样的植物毒素以及一些来自有毒蟾蜍的类似毒素，可以小剂量地应用来减慢钠钾泵对离子的运输。这时，钠离子积聚在细胞内，影响钠钙交换体的正向运作（ATP注：“正向”指的是每进三个钠出一个钙，里面钠多了的话钠进来的阻力会更大），结果钙离子也越积越多，最终就能让心肌收缩得更来劲。近来研究发现我们自己的细胞也会合成少量与那些毒素相似的分子，用来调控钠钾泵的活性。

P型泵

    钠钾泵（这里这个来自PDB条目2zxe）是P型ATP酶泵这个大家族中的一员。这些家伙之所以叫“P”，是因为它们泵送物质的过程当中都要经过一个与磷酸基团（phosphate）相连的中间状态。其他几个同族成员的例子在PDB里都能找到。现在PDB里有很多很多钙泵的结构（图上展示的来自PDB条目1su4），向你展现这类泵蛋白在泵送离子的整个过程中经历的剧烈构象变化。别的实例包括植物细胞膜上的质子泵（PDB条目3b8c），以及酸化我们胃液的氢钾泵（PDB条目3ixz，在这里没让它出场）。质子泵和钙泵都分别只由一条肽链组成，而参与运输钾离子的泵则常常还有第二条较小的肽链，就是图上青绿色的那位。钠钾泵的结构还包含第三条起调控作用的肽链，就是图上紫色的家伙。

探索结构：钠钾泵（PDB条目2zxe）

    钠钾泵（来自PDB条目2zxe）就是个具有各种部件的分子机器。它的跨膜螺旋含有与钠离子和钾离子结合的氨基酸，伸到细胞质一侧的巨大结构则负责将ATP水解和泵送离子偶联在一起。一个典型的泵送循环差不多就是这样：首先，泵的细胞质侧结合三个钠离子和一个ATP。然后，ATP将泵蛋白磷酸化，蛋白构象发生改变，“开口”从面向细胞质侧变成对着细胞外侧。接着，钠离子下车跑路，两个钾离子过去与泵结合。最后，钠钾泵揪下连在身上的磷酸基团，构象变回原样，钾离子也释放进入胞内。这里展示的结构恰巧捕获了钠钾泵在整个循环正中间的状态，此时它刚把两个钾离子搞到手。两个钾离子（绿色）被蛋白用氧原子四面八方包围了起来。请去原网页查看可互动的JSmol文件，探索它们之间的相互作用。

进一步讨论的主题

1.钠钾泵能够区分钠离子和钾离子。一个蛋白能用什么方法区分这两种离子，或者是其他种类的离子？

2.钠钾泵的跨膜区段由一束α螺旋组成。还有数不清楚的跨膜蛋白也含有这种成束的α螺旋。你能在PDB里找到些别的例子吗？为什么这个方法是让蛋白得以跨膜的妙招？

    我发现月度分子文末有些东西也挺好玩的，从今往后文末的这些我也翻译一下。其实翻这篇前我本来是想去找电压门控钾通道的，这东西在月度分子上讲得比较早（刚看了一下是2003年的），懒得搜索的我就直接往前盲翻，结果一翻就看到了钠钾泵。之前连搬了两个通道，这回就搞个泵吧。其实我不止喜欢通道，离子泵、交换体什么的（这次提到的钠钙交换体我就很喜欢！）都是我的兴趣对象。这样说来我应该不能叫做离子通道爱好者，而应该叫离子交通爱好者。（……）

    多扯几句哈，咱身体里一般的细胞三分之一的ATP量都是钠钾泵花掉的，而对离子电化学梯度的要求更加严苛的神经细胞差不多四分之三的总ATP都给了钠钾泵。而且，钠钾泵还被发现与一系列其他生命过程有关，比如1966年有人首先发现红细胞的钠钾泵功能与糖酵解活性挂钩，后来又在肾细胞、血管平滑肌细胞和心脏浦肯野细胞证明了这点。近年还发现骨骼肌的钠钾泵活性会在糖原分解被抑制时也一起被抑制，并导致肌肉收缩力下降，可以说是很有意思了。顺便，发现钠钾泵的Skou大佬在1997年得了诺奖。

    OK，本次瞎扯淡到此为止。因技术与能力限制，请前往原网页查看所有超链接和可互动的JSmol文件。照例墙裂推荐各位去PDB-101官网查看原文，顺便探索一下这个干货满满而且风格亲民的科普平台。

封面来源：Blausen.com staff (2014). "Medical gallery of Blausen Medical 2014". WikiJournal of Medicine 1 (2). DOI:10.15347/wjm/2014.010. ISSN 2002-4436.

原作者：David S. Goodsell

搬运·翻译：快被钾通道的种类名字和功能搞晕了的ATP

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