重大突破!鑒定出鈣泵的內部工作機制



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圖片來自Mateusz Dyla。

2017年11月17日/生物谷BIOON/---鈣泵(calcium pump)在每個方向僅長幾個納米,并且存在于細胞膜中。不過,盡管它的尺寸很小,但它對生命是必不可少的。鈣泵是我們的肌肉能夠收縮和神經元能夠發送信號的原因。如果這種微小的鈣泵停止工作,那么細胞之間就會停止通信。這就是為什么細胞要消耗如此多的能量---身體中大約四分之一的被稱作ATP的燃料---來維持這些鈣泵運轉。

關于這種至關重要的鈣泵的結構和功能,我們仍然知之甚少。對這種鈣泵的了解是理解體內的能量平衡和其他的重要功能所必不可少的。

在一項新的研究中,來自丹麥、美國和英國的研究人員首次展示了鈣泵在單分子水平上如何發揮功能,以及它如何確保離子單方向泵送。相關研究結果發表在2017年11月16日的Nature期刊上,論文標題為“Dynamics of P-type ATPase transport revealed by single-molecule FRET”。論文通信作者為來自丹麥奧胡斯大學的Poul Nissen和美國康奈爾大學的Scott C. Blanchard。

分子基礎

這項新研究的一項至關重要的見解涉及離子運輸的單向性。在此之前,人們認為鈣泵的單向運輸是在切割富含能量的ATP分子中產生的。這種假設是當ATP被切割時,鈣泵不能夠往回走和重新形成ATP。結果證實這種假設是不正確的。

論文第一作者Fellow Mateusz Dyla博士說,“在泵送周期(pumping cycle)中,我們鑒定出一種新的封閉狀態,而且僅當鈣離子來自胞內液體時,這種鈣泵才能夠進入這種泵送周期,并切割ATP。如果鈣離子來自細胞所在的環境,那么這種鈣泵不能夠進入這種封閉狀態。當鈣離子從這種狀態中釋放出來時,它就處于只能進不能退的地步。正是這種機制解釋了這種鈣泵作為泵發揮作用,而不僅僅是一種被動運輸的離子通道。這一獨特的見解是基于高度先進的實驗。這些實驗能夠讓我們首次觀察到這種鈣泵執行它的功能?!?/span>

這種鈣泵需要能量,而能量是從它切割ATP分子中獲得的。釋放出來的能量轉化為這種鈣泵的運轉。這就解釋了細胞內部和外部之間存在著非常大的濃度梯度。這種濃度差異能夠超過1萬倍,而且這一巨大的濃度差異對細胞間通信(如神經信號轉導)是至關重要的。

霧里看花

鈣泵是如此之小以至于不能夠在光學顯微鏡下直接對它進行成像。為了更加清楚地觀察鈣泵的功能性運動,這些研究人員采用一種被稱作單分子熒光光譜(single-molecule fluorescence spectroscopy)的技術。該技術是基于一種被稱作熒光共振能量轉移(F?rster resonance energy transfer, FRET)的現象而被開發出來的。將較強的激光和超靈敏的相機結合在一起就允許通過單個分子發出的微量光線來對它進行直接觀察。

在這項研究中,這些研究人員以來自單核細胞增生李斯特菌(Listeria monocytogenes)的鈣泵--- 鈣離子-ATP酶(Ca2+-ATPase),屬于P型ATP酶---為研究對象。

在FRET實驗中,兩種染料分子被附著到這種鈣泵上,隨后進行激光照射。一種染料(供者)吸收激光后發出一種特征顏色的光線,或者將吸收到的能量轉移到另一種染料(受者)上,然后受者染料發出另一種顏色的光線。因此,光線將從這兩種染料中發出來,科學家們就能夠通過發出的每種顏色的光線數量來測量這兩種染料之間的距離。鑒于這兩種染料被插入到這種鈣泵的兩個特定的位置上,這些距離變化就可追蹤這種鈣泵的泵送運動。

除了增加我們對生命基本過程的認識之外,對這些鈣泵的理解也可能具有實際的應用價值。鈣泵發生突變能夠導致腦細胞缺陷,而這能夠導致神經系統疾病,如偏頭痛、暫時性麻痹或神經退行性疾病。

因此,這些離子泵的工作機制對于理解鈣泵中的錯誤是至關重要的,尤其是在開發針對這種鈣泵的新型藥物時。
參考資料:
Mateusz Dyla, Daniel S. Terry, Magnus Kjaergaard et al. Dynamics of P-type ATPase transport revealed by single-molecule FRET. Nature, Published online:08 November 2017, doi:10.1038/nature24296




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