——細(xì)胞無時(shí)無刻不在花費(fèi)ATP把鈉離子泵出、鉀離子泵入

? ? 我們的機(jī)體耗能如流水。ATP（adenosine triphosphate，三磷酸腺苷）是我們細(xì)胞最主要的能量貨幣之一，每日每夜、每分每秒都有數(shù)不清的ATP被消耗掉又被重新合成出來。你的機(jī)體一天合成出的所有ATP加在一起幾乎就與你本人一樣重，簡(jiǎn)直令人直呼amazing。細(xì)胞花費(fèi)這些個(gè)ATP的方法很多，比方說用來給你的肌肉加把勁啦、讓你的酶酶?jìng)兒煤酶苫畈怀銎罾玻蛘呤亲屇愕臋C(jī)體保持溫暖之類的。不過，要說誰在這里面占的份兒最大，那不是別人，而是今天出場(chǎng)的這個(gè)看似不起眼的小蛋白：我們細(xì)胞合成的總ATP量差不多有三分之一都分給了鈉鉀泵。

泵送離子

? ? 鈉鉀泵（PDB條目2zxe和3b8e）存在于我們的細(xì)胞膜上，負(fù)責(zé)產(chǎn)生離子濃度梯度。它一刻不停地泵出鈉離子、泵入鉀離子，ATP就是它的能量來源。每耗費(fèi)一分子ATP，它都要泵出三個(gè)鈉離子，泵入兩個(gè)鉀離子。這樣，內(nèi)部缺乏鈉離子的細(xì)胞就在膜兩側(cè)產(chǎn)生了電壓梯度與濃度梯度，而這兩種梯度在很多生命過程中都能派上用場(chǎng)。

神奇的梯度

? ? 上述的梯度最令人叫絕的用途莫過于神經(jīng)信號(hào)的傳導(dǎo)。我們神經(jīng)元的軸突平時(shí)把鈉離子統(tǒng)統(tǒng)從自個(gè)兒里面驅(qū)趕出去，想要發(fā)出神經(jīng)沖動(dòng)時(shí)則讓它們順著特殊的電壓門控鈉通道一股腦兒再流回來。鈉鉀泵就負(fù)責(zé)幫軸突為下一次沖動(dòng)做好準(zhǔn)備。除此之外，鈉鉀泵創(chuàng)造出的梯度也能調(diào)控細(xì)胞內(nèi)的滲透壓，還可以為其他一些泵提供動(dòng)力——這些泵將鈉離子的流動(dòng)同其他分子的轉(zhuǎn)運(yùn)掛上鉤，比方說鈣離子和葡萄糖。

來一劑強(qiáng)心針

? ? 治療心力衰竭的傳統(tǒng)方案利用的原理就是阻滯鈉鉀泵。強(qiáng)心苷類物質(zhì)，包括像洋地黃類（digitalis）和烏本苷（又名哇巴因，ouabain；PDB條目3a3y是它與鈉鉀泵結(jié)合在一起的樣子）這樣的植物毒素以及一些來自有毒蟾蜍的類似毒素，可以小劑量地應(yīng)用來減慢鈉鉀泵對(duì)離子的運(yùn)輸。這時(shí)，鈉離子積聚在細(xì)胞內(nèi)，影響鈉鈣交換體的正向運(yùn)作（ATP注：“正向”指的是每進(jìn)三個(gè)鈉出一個(gè)鈣，里面鈉多了的話鈉進(jìn)來的阻力會(huì)更大），結(jié)果鈣離子也越積越多，最終就能讓心肌收縮得更來勁。近來研究發(fā)現(xiàn)我們自己的細(xì)胞也會(huì)合成少量與那些毒素相似的分子，用來調(diào)控鈉鉀泵的活性。

P型泵

? ? 鈉鉀泵（這里這個(gè)來自PDB條目2zxe）是P型ATP酶泵這個(gè)大家族中的一員。這些家伙之所以叫“P”，是因?yàn)樗鼈儽盟臀镔|(zhì)的過程當(dāng)中都要經(jīng)過一個(gè)與磷酸基團(tuán)（phosphate）相連的中間狀態(tài)。其他幾個(gè)同族成員的例子在PDB里都能找到?，F(xiàn)在PDB里有很多很多鈣泵的結(jié)構(gòu)（圖上展示的來自PDB條目1su4），向你展現(xiàn)這類泵蛋白在泵送離子的整個(gè)過程中經(jīng)歷的劇烈構(gòu)象變化。別的實(shí)例包括植物細(xì)胞膜上的質(zhì)子泵（PDB條目3b8c），以及酸化我們胃液的氫鉀泵（PDB條目3ixz，在這里沒讓它出場(chǎng)）。質(zhì)子泵和鈣泵都分別只由一條肽鏈組成，而參與運(yùn)輸鉀離子的泵則常常還有第二條較小的肽鏈，就是圖上青綠色的那位。鈉鉀泵的結(jié)構(gòu)還包含第三條起調(diào)控作用的肽鏈，就是圖上紫色的家伙。

探索結(jié)構(gòu)：鈉鉀泵（PDB條目2zxe）

? ? 鈉鉀泵（來自PDB條目2zxe）就是個(gè)具有各種部件的分子機(jī)器。它的跨膜螺旋含有與鈉離子和鉀離子結(jié)合的氨基酸，伸到細(xì)胞質(zhì)一側(cè)的巨大結(jié)構(gòu)則負(fù)責(zé)將ATP水解和泵送離子偶聯(lián)在一起。一個(gè)典型的泵送循環(huán)差不多就是這樣：首先，泵的細(xì)胞質(zhì)側(cè)結(jié)合三個(gè)鈉離子和一個(gè)ATP。然后，ATP將泵蛋白磷酸化，蛋白構(gòu)象發(fā)生改變，“開口”從面向細(xì)胞質(zhì)側(cè)變成對(duì)著細(xì)胞外側(cè)。接著，鈉離子下車跑路，兩個(gè)鉀離子過去與泵結(jié)合。最后，鈉鉀泵揪下連在身上的磷酸基團(tuán)，構(gòu)象變回原樣，鉀離子也釋放進(jìn)入胞內(nèi)。這里展示的結(jié)構(gòu)恰巧捕獲了鈉鉀泵在整個(gè)循環(huán)正中間的狀態(tài)，此時(shí)它剛把兩個(gè)鉀離子搞到手。兩個(gè)鉀離子（綠色）被蛋白用氧原子四面八方包圍了起來。請(qǐng)去原網(wǎng)頁查看可互動(dòng)的JSmol文件，探索它們之間的相互作用。

進(jìn)一步討論的主題

1.鈉鉀泵能夠區(qū)分鈉離子和鉀離子。一個(gè)蛋白能用什么方法區(qū)分這兩種離子，或者是其他種類的離子？

2.鈉鉀泵的跨膜區(qū)段由一束α螺旋組成。還有數(shù)不清楚的跨膜蛋白也含有這種成束的α螺旋。你能在PDB里找到些別的例子嗎？為什么這個(gè)方法是讓蛋白得以跨膜的妙招？

? ? 我發(fā)現(xiàn)月度分子文末有些東西也挺好玩的，從今往后文末的這些我也翻譯一下。其實(shí)翻這篇前我本來是想去找電壓門控鉀通道的，這東西在月度分子上講得比較早（剛看了一下是2003年的），懶得搜索的我就直接往前盲翻，結(jié)果一翻就看到了鈉鉀泵。之前連搬了兩個(gè)通道，這回就搞個(gè)泵吧。其實(shí)我不止喜歡通道，離子泵、交換體什么的（這次提到的鈉鈣交換體我就很喜歡?。┒际俏业呐d趣對(duì)象。這樣說來我應(yīng)該不能叫做離子通道愛好者，而應(yīng)該叫離子交通愛好者。（……）

? ? 多扯幾句哈，咱身體里一般的細(xì)胞三分之一的ATP量都是鈉鉀泵花掉的，而對(duì)離子電化學(xué)梯度的要求更加嚴(yán)苛的神經(jīng)細(xì)胞差不多四分之三的總ATP都給了鈉鉀泵。而且，鈉鉀泵還被發(fā)現(xiàn)與一系列其他生命過程有關(guān)，比如1966年有人首先發(fā)現(xiàn)紅細(xì)胞的鈉鉀泵功能與糖酵解活性掛鉤，后來又在腎細(xì)胞、血管平滑肌細(xì)胞和心臟浦肯野細(xì)胞證明了這點(diǎn)。近年還發(fā)現(xiàn)骨骼肌的鈉鉀泵活性會(huì)在糖原分解被抑制時(shí)也一起被抑制，并導(dǎo)致肌肉收縮力下降，可以說是很有意思了。順便，發(fā)現(xiàn)鈉鉀泵的Skou大佬在1997年得了諾獎(jiǎng)。

? ? OK，本次瞎扯淡到此為止。因技術(shù)與能力限制，請(qǐng)前往原網(wǎng)頁查看所有超鏈接和可互動(dòng)的JSmol文件。照例墻裂推薦各位去PDB-101官網(wǎng)查看原文，順便探索一下這個(gè)干貨滿滿而且風(fēng)格親民的科普平臺(tái)。

封面來源：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

搬運(yùn)·翻譯：快被鉀通道的種類名字和功能搞暈了的ATP

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