摘要：蛋白质的功能依赖于氨基酸残基的运动【1】。通过刺激蛋白质活性并观察其内部运动，我们可以获得时间分辨率的结构快照。这些数据为研究分子内力学机制和蛋白功能进化提供了重要基础。
撰文 | 染色体
蛋白质的功能依赖于氨基酸残基的运动【1】。通过刺激蛋白质活性并观察其内部运动，我们可以获得时间分辨率的结构快照。这些数据为研究分子内力学机制和蛋白功能进化提供了重要基础。
2025年1月9日，哈佛大学分子与细胞生物系的Doeke R. Hekstra与芝加哥大学生物化学与分子生物学物理中心的Rama Ranganathan共同在Cell期刊发表题为Direct visualization of electric-field-stimulated ion conduction in a potassium channel（电场刺激下钾离子通道离子传导的直接观测） 的文章。研究人员利用电场刺激时间分辨X射线晶体学（EFX）技术，实时观察了NaK2K通道中钾离子（K+）的双向传导，揭示了选择性滤过区（SF）在离子运输中的关键作用，并发现了与这些过程相关的动力学机制具有高度的保守性，为蛋白质功能研究提供了新的见解。
EFX技术通过对蛋白质晶体施加电场，观察原子运动，可以捕捉蛋白质的动态结构变化【2】。该方法尤其适用于研究反应坐标，特别是在接近生理条件下的跨膜电位对膜蛋白功能的影响。K+通道孔是探索反应坐标可视化的理想模型系统【3】。它由四个亚基组成，形成一个高效的选择性导电路径，其结构包括一个宽阔的外部前庭、一个狭窄的选择性过滤区SF和一个中央空腔。SF由四个环状区域组成，负责控制K+的脱水过程及导电速率。离子传导是通过电化学梯度驱动K+在SF中的跳跃，从而产生离子的净流动【4】。这些特征为研究离子通道的动力学特性提供了重要的基础。
K+通道的基态结构与动态行为
研究人员使用EFX技术在生物同步辐射源 （BioCARS） 设施进行时间分辨X射线衍射实验，探讨了NaK2K K+通道的动态行为。NaK2K是蜡样芽孢杆菌NaK通道的K+选择性双突变体，近年来成为研究K+渗透的理想模型。首先，在292 K下，研究人员确定了NaK2K的高分辨率参考基态结构 （1.7 Å） ，并与在冷冻温度 （100 K） 下获得的结构进行了对比，发现两者整体一致 （RMSD为0.55 Å） 。通过X射线衍射数据分析，研究确认NaK2K通道在室温下完全脱水，且四个结合位点 （S1-S4） 都被K+占据。钾离子与铊离子的比对表明，S1和S4的亲和力较弱，而S2和S3的亲和力较强，支持了“直接撞击”模型，即K+通过静电排斥相互作用并直接通过选择性过滤区传导。在NaK2K的基态结构中，第二跨膜螺旋 （TM2） 中的Ile86到Phe92区域呈现两种交替构象，分别占63% （构象A） 和37% （构象B） ，这两种构象形成了“疏水门”，控制着K+的导电速率。研究表明，NaK2K通道的选择性渗透是由多个离子结合位点的亲和力差异以及疏水门区域的构象转换共同调控的，这一发现为深入理解K+的选择性传导机制提供了新线索。
K+离子通道的传导机制
随后，研究人员探讨了电场刺激下NaK2K K+通道的离子导电机制。通过等同异构差图，他们观察到在电场作用下NaK2K通道内离子位置的变化，揭示了不同时间点通道内离子的迁移及其与通道结构的相互作用。例如，在100 ns时，A分子 （受内向电场影响） 表现出明显的离子穿透迹象，包括S5腔内离子移动、S1和S2位点电子密度变化等；在200 ns时，S5腔内的离子进一步移动，并伴随着Phe92侧链的变化。相对地，B分子 （受外向电场影响） 则显示出不同的离子迁移模式，表现为S1位点离子脱离以及S5腔内离子增加。进一步观察发现，电场刺激下，离子流的不同方向引起了不同的构象变化，A分子和B分子展现出各自依赖电场方向的离子导电模式。电场引起的离子占位变化揭示了NaK2K通道在不同时间点的离子穿透过程。此外，研究表明，电场刺激后的离子导电过程符合“直接撞击”模型，即离子在电场作用下相互推动并通过选择性过滤区传导。进一步分析表明，通道的选择性过滤区在导电过程中经历了旋转性变形，这种旋转与离子流方向密切相关。在外向导电过程中，SF旋转方向为逆时针；而在内向导电过程中，则为顺时针。该旋转机制可能通过通道内的离子传递力实现，并在两种方向的离子流中表现出不同的旋转动力学。此外，研究还发现，NaK2K通道的结构特征与其他钾离子通道的研究结果相吻合，进一步验证了这些结构特征在钾离子通道家族中的保守性。通过对EFX时间序列的深入分析，研究人员提出，NaK2K通道的离子导电机制与钾离子通道家族其他成员具有相似的动力学机制，这表明该机制在钠钾通道家族中是广泛保守的。
综上所述，该研究利用EFX方法施加生理电场，观察NaK2K K+通道中离子跳跃和构象变化。研究发现NaK2K在内外流动机制上存在差异，可能与选择性过滤区的旋转动力学相关。这些结果为离子渗透模型提供了基础，并揭示了K+通道家族中反应坐标的深度守恒。
制版人：十一
参考文献
[1] Alberts, B. (1998). The Cell as a Collection of Protein Machines: Preparing the Next Generation of Molecular Biologists.Cell92, 291-294. https://doi.org/10.1016/s0092-8674(00)80922-8.
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[3] MacKinnon, R. (2003). Potassium channels.FEBS Lett.555, 62-65. https://doi.org/10.1016/s0014-5793(03)01104-9.
[4] 8. Morais-Cabral, J.H., Zhou, Y., and MacKinnon, R. (2001). Energetic optimization of ion conduction rate by the K+ selectivity filter.Nature414, 37-42. https://doi.org/10.1038/35102000.
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来源：科学银河系