——鉀通道允許鉀離子通過，但禁止更小的鈉離子通行

? ? 所有活細(xì)胞都被一層薄薄的細(xì)胞膜包裹著，將胞內(nèi)的“一片汪洋”與外部環(huán)境分隔開來。生物膜是阻擋小離子通過的有效屏障（當(dāng)然，對蛋白和DNA這樣的大分子也一樣管用），這就帶來了一種可能：離子的濃度差可以用來產(chǎn)生快速的信號。比方說，細(xì)胞可以先讓自個兒里面的鉀離子濃度升得比外邊高，然后通過膜上的通道在一眨眼間把這些鉀離子釋放出來，瞬間產(chǎn)生的鉀濃度變化足以讓整個細(xì)胞都感覺到。像這樣的把戲，各種各樣的細(xì)胞，包括細(xì)菌、植物和動物細(xì)胞都用得得心應(yīng)手。離子通道參與的生命活動有兩個經(jīng)典例子，一是肌肉收縮（被鈣離子的釋放所觸發(fā)），一是神經(jīng)信號（與復(fù)雜的鈉、鉀離子流相關(guān)）。

神經(jīng)信號中的離子通道

? ? 在你聞到一朵花的香氣并認(rèn)出這是玫瑰花香的時候，或是當(dāng)你不小心碰到燙手的東西后秒速把手抽走的時候，你鼻子或者手上的神經(jīng)在向大腦發(fā)送信號以及接收恰當(dāng)?shù)膽?yīng)答時使用的都是這套離子釋放的把戲。神經(jīng)細(xì)胞為傳輸信號做準(zhǔn)備的方式是將鉀離子匯集在自己內(nèi)部，并選擇性地把鈉離子排出去。這會在細(xì)胞膜兩側(cè)產(chǎn)生電位差。傳輸信號時，神經(jīng)上的鈉通道先開放，讓鈉離子流進(jìn)來，同時縮小膜兩側(cè)的電位差。然后鉀通道開放，放出鉀離子，恢復(fù)像最初那樣的電位差。信號過去之后，鈉離子和鉀離子在細(xì)胞內(nèi)外的分布由其他通道和離子泵負(fù)責(zé)復(fù)原。參與信號產(chǎn)生的鈉通道和鉀通道都是對電壓極其敏感的專業(yè)人士，一發(fā)現(xiàn)膜電位變化就會開放。神經(jīng)細(xì)胞一端的此類通道開放時，局部的離子流立即就會刺激與這塊區(qū)域相鄰的膜上的其他通道，讓它們接二連三地開放。由此而來的通道開放就像一股浪潮掃過神經(jīng)，將神經(jīng)信號帶到神經(jīng)細(xì)胞的另一頭。

鉀通道

? ? 鉀通道生而注定的任務(wù)就是讓鉀離子跨膜流動，同時阻止其他離子從自己這里過去，尤其是鈉離子。這些通道通常由兩部分組成：一個是選擇濾器，負(fù)責(zé)保證只有鉀能過去，鈉之類的其他離子則統(tǒng)統(tǒng)禁止通行；另一個是門控閘門，負(fù)責(zé)響應(yīng)環(huán)境信號，控制通道什么時候開放什么時候不開。這里展示的結(jié)構(gòu)來自PDB條目1bl8，展示了一個細(xì)菌鉀通道的選擇濾器部分。它由四個同樣的跨膜蛋白亞基組成，中心圍成一個有離子選擇性的通道。圖上綠色的鉀離子可以在打開的通道當(dāng)中自由穿梭，速率快到每秒能有一億個離子穿過單個通道。同時，它的選擇性高得驚人——平均每一萬個鉀離子流過通道才能有一個鈉離子碰巧搭上順風(fēng)車。這個通道的晶體結(jié)構(gòu)向我們展示了它實(shí)現(xiàn)這種選擇性的技巧。

開開關(guān)關(guān)

? ? 活細(xì)胞能合成上百種離子通道，各有各的功能和任務(wù)。它們都含有相似的選擇濾器結(jié)構(gòu)（圖上兩個例子上面那一部分），與特定的門控區(qū)域（這兩個例子下面那一部分）連在一起。細(xì)胞膜以灰色顯示。圖上的通道都是四聚體，但在選擇濾器部分都各只有兩個亞基被展示出來，為的是讓你看清穿過膜的孔道。門控結(jié)構(gòu)域依據(jù)環(huán)境信號或開放或關(guān)閉通道，這些信號可以是電壓，也可以是關(guān)鍵的信號分子。鉀通道的開閉使用了好幾種結(jié)構(gòu)機(jī)制。在這里展示的兩個結(jié)構(gòu)較為簡單的細(xì)菌鉀通道中，研究認(rèn)為與孔道區(qū)域相連的蛋白能夠扭曲形成孔道區(qū)域的肽鏈。比較一下圖上右側(cè)開放的鉀通道（來自PDB條目1lnq）和左側(cè)關(guān)閉的鉀通道（來自PDB條目1k4c；它的門控結(jié)構(gòu)域取自另一個分辨率較低的結(jié)構(gòu)1f6g），你就會明白我們說的“扭曲”是什么意思了。我們神經(jīng)細(xì)胞中那些更復(fù)雜的、能在感知到膜電位變化后打開又關(guān)閉的鉀通道被認(rèn)為在身上拴著一小顆“球”，能夠直接堵塞通道的孔。（ATP注：這就是傳說中的“失活門”或“失活球”，是鉀通道快失活機(jī)制的基礎(chǔ)~）（注意：有點(diǎn)叫人拍案驚奇的是，圖上關(guān)閉態(tài)通道的孔道中有幾個鉀離子[綠色]結(jié)合，但開放態(tài)的通道結(jié)構(gòu)中反倒連半個鉀離子都見不著。）

劇毒的一面

? ? 離子通道在神經(jīng)信號傳輸中的作用不言而喻，因此阻斷這些通道很容易就會引發(fā)嚴(yán)重后果。蝎子正是利用了這一點(diǎn)來麻醉它們的獵物。蝎毒中含有一系列強(qiáng)大的神經(jīng)毒素，能夠與離子通道結(jié)合，阻斷離子流。這里的例子卡律蝎毒素（charybdotoxin，ChTX，來自PDB條目2crd）擅長攻擊鉀通道，讓它們失去傳輸神經(jīng)信號的功能。這個小蛋白的表面滿布帶正電荷的氨基酸（用亮藍(lán)色標(biāo)出），被認(rèn)為可以讓毒素牢牢地粘在通道的開口處。這類毒素大都是非常穩(wěn)定的小蛋白。卡律蝎毒素只有37個氨基酸那么長，卻含有三個二硫鍵——這里能看到用亮黃色標(biāo)出的其中兩個，幫助蛋白維持那帶給它劇毒的構(gòu)象。

探索結(jié)構(gòu)：鉀通道

? ? 鉀通道幾乎只允許鉀離子通過的能力是由位處孔道一端的選擇濾器賦予的，就像你在圖上看到的這個一樣（來自PDB條目1k4c）。為了讓你看清楚，四聚體通道中只有兩個面對面的亞基被以棍棒模型的形式展示了出來。藍(lán)色的小圓球是正在通過選擇濾器的鉀離子。通常情況下鉀離子存在的形式是被一圈水分子圍繞著的水合離子，就像圖上這一摞離子最下面的那個一樣。注意，這個離子被八個水分子（紅色圓球）圍在中間。為了通過選擇濾器，鉀離子需要先脫去這些水分子。選擇濾器發(fā)揮作用的方式與這些水分子有關(guān)：它孔道的空間結(jié)構(gòu)正是在模擬鉀離子外側(cè)這圈水分子的空間結(jié)構(gòu)?？椎辣谏系难踉樱t色）排列的方向朝向孔道腔。每個通過孔道的鉀離子都被八個這樣的氧原子圍繞，它們就是鉀離子外面那圈水分子的完美替代品。在轉(zhuǎn)運(yùn)發(fā)生的過程中，鉀離子就像行軍一樣順著孔道前進(jìn)，每一“步”都踩在讓它感覺仿佛自己被水合了的位置上。一旦鉀離子離開選擇濾器，它就會重新被水包圍，并被真正地水合。然而，鈉離子比鉀離子小一點(diǎn)點(diǎn)，難以與選擇濾器壁上的氧原子產(chǎn)生相互作用。與其進(jìn)入選擇濾器的孔道，它們還是覺得老老實(shí)實(shí)地水合著比較舒服，所以鉀通道對它們的運(yùn)輸不那么有效。要想探索這個結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)，請去原網(wǎng)頁查看可交互的JSmol文件。

? ? 上一次搬運(yùn)剛說要加搬月度分子文章里有趣的文末內(nèi)容，結(jié)果這篇月度分子沒什么文末內(nèi)容。其實(shí)這無所謂啦，剛好讓我多扯會兒淡。

? ? 話說回來，月度分子既講過鈉通道也講過鉀通道，我之所以想先翻鉀通道，部分是因?yàn)橛袀€鉀通道的名字很有趣。眾所周知，負(fù)責(zé)心肌快速復(fù)極化的延遲整流鉀電流主要有快慢兩個成分，介導(dǎo)慢成分的通道主體KvLQT1（標(biāo)準(zhǔn)名字叫Kv7.1）除了名字是個病外沒啥可說的，而介導(dǎo)快成分的那位叫hERG（標(biāo)準(zhǔn)名字叫Kv11.1），是有點(diǎn)說頭的。它是果蠅的ERG基因在人體中的同源物（所以前面加了個h），這個ERG的全名很奇怪，叫ether-a-go-go。為啥叫這個呢？因?yàn)樽铋_始的研究人員鑒定基因的時候，發(fā)現(xiàn)這個基因突變的果蠅一用乙醚麻醉就會不斷地抖腿，讓他們聯(lián)想到在著名的夜店Whisky a Go Go里蹦迪的人跳舞的場景，于是他們用這個夜店的名字加上ether（乙醚）為這個基因命了名……有沒有想到一個平平無奇的鉀通道會以這種詭異的方式和夜店產(chǎn)生聯(lián)系呢……

? ? 好了，扯淡到此為止。因技術(shù)與能力限制，請前往原網(wǎng)頁查看所有超鏈接以及可互動的JSmol文件。墻裂推薦各位去PDB-101官網(wǎng)查看原文，順便探索一下這個干貨滿滿的科普平臺。

封面來源：http://dx.doi.org/10.1016/j.joa.2015.12.006（是我最喜歡的鉀通道KvLQT1/MinK復(fù)合體！KvLQT1就是KCNQ1，MinK就是KCNE1~）

原作者：David S. Goodsell

搬運(yùn)·翻譯：還是更喜歡KvLQT1的ATP

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