Science新论文挑战诺贝尔奖得主经典理论

　　

生物通报道  与人类细胞中最常见的一个过程有关的一项新研究发现，将使我们的理解发生“范式转变”。

来自邓迪大学、马克斯普朗克生物物理化学研究所、哥根廷大学和牛津大学的研究人员，观察发现钾通道中的离子透入并不遵循以往预测的信号通路。他们的研究结果发表在《科学》（Science）杂志上。

钾通道是散布于人体几乎所有细胞类型表面的微小孔道，在脑细胞间的信号传送中起作用，也帮助控制了我们的心跳频率。当它们不能正常运作时，与包括神经退行性疾病和心脏病在内的一系列疾病存在关联（延伸阅读：Nature新文章揭示钾离子通道机制）。

这些通道发挥高速过滤器的作用，在通道极其快速的打开和关闭中让钾离子通过。

该领域中以往的一种理论，是导致美国生物化学家Roderick MacKinnon获得2003年诺贝尔化学奖的研究工作的一个组成部分。MacKinnon的研究工作提出，当钾离子通过这一通道时被水所分开，由于高静电排斥离子与离子之间不太可能相互接触。

在这篇Science新文章中，研究小组称发现了完全不同的情境，利用技术的进步他们揭示出了促进钾离子通道运行的基本物理原理。

以往的研究工作检测钾通道的活动有可能只是通过观测静态或“闭合”状态的晶体结构。计算技术的进步现在使得研究人员可以观察“运转中”的钾通道，从而提供更多的细节，揭示出钾离子的运作。

在原子尺度上利用计算机模拟，并纳入跨膜电压，他们发现水并没有和离子一样协同转运通过钾通道，也并不需要水来分离钾离子。他们发现成对的钾离子稳定地形成，然后通过了离子通道，静电排斥驱动了这一过程惊人的效率。

邓迪大学计算生物物理学和药物发现系讲师Ulrich Zachariae博士说：“我们的研究结果解释了在最大可达到的物理速度下钾离子流发生的机制，这对于神经元的快速反应至关重要。”

“这是该领域的一个范式转变。它改变了我们对于这些非常重要的离子通道运作机制的理解。这些通道极其重要，因为它们在所有细胞中活化，因此我们了解它们的运作机制至关重要。”

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Ion permeation in K+ channels occurs by direct Coulomb knock-on

Potassium channels selectively conduct K+ ions across cellular membranes with extraordinary efficiency. Their selectivity filter exhibits four binding sites with approximately equal electron density in crystal structures with high K+ concentrations, previously thought to reflect a superposition of alternating ion- and water-occupied states. Consequently, cotranslocation of ions with water has become a widely accepted ion conduction mechanism for potassium channels. By analyzing more than 1300 permeation events from molecular dynamics simulations at physiological voltages, we observed instead that permeation occurs via ion-ion contacts between neighboring K+ ions. Coulomb repulsion between adjacent ions is found to be the key to high-efficiency K+ conduction. Crystallographic data are consistent with directly neighboring K+ ions in the selectivity filter, and our model offers an intuitive explanation for the high throughput rates of K+ channels.