综述：细胞阳离子转运蛋白的结构与机制：亲和结合模型与Murburn模型

《International Journal of Biological Macromolecules》：Structure and mechanism of cellular cation-transporters: Affinity-binding and murburn models

静息膜电位由可扩散阴离子活性物质介导，质疑经典膜泵理论并建立murburn模型，通过分析NKA和KcsA的结构功能，证明传统离子梯度解释存在热力学动力学和实验局限性，提出基于ADRS的氧-centric electrophysiology新理论。

　　

Kelath Murali Manoj | Laurent Jaeken | Daniel Andrew Gideon | Hirohisa Tamagawa | Mahendra Kavdia

阿姆里塔人工智能学院，阿姆里塔维什瓦维迪亚佩塔姆，阿姆里塔纳加尔，埃蒂马代，哥印拜陀，泰米尔纳德邦，641112，印度

摘要

经典膜泵理论（CMPT）是细胞电生理学中一个备受推崇的假说，该理论认为膜嵌入蛋白能够高效选择性地进行阳离子的泵送/传导。在本文中，我们分析了Na⁺/K⁺ ATP酶和钾通道（如KcsA）的结构-功能相关性，并对电生理系统的多个方面进行了逐一比较，以证明Murburn模型比CMPT更能解释这些蛋白介导的稳态电生理现象。我们还从历史（假设、推论、研究者等）、数学、化学物理、进化和实验的角度分析了以阳离子为中心的CMPT的基本进展和原理；发现该理论在多个方面存在缺陷。在此基础上，我们质疑了广为接受的Goldman-Hodgkin-Katz关系（GHK，CMPT的重要组成部分），该关系基于主要阳离子的膜通透性（≥10^?1?M Na⁺/K⁺），并认为它能够解释多种细胞中的静息跨膜电位（TMP）。最后，我们提出了基于Murburn模型的细胞/细胞器TMP解释，该模型认为在还原性微环境中存在少量自发形成的阴离子可扩散反应物种（ADRS，例如由氧气形成的超氧阴离子；浓度≤10^?6?M），并在Murzymes的帮助下发挥作用。这种以氧气为中心的电生理学观点：（i）在热力学和动力学上都是合理的；（ii）与组分的结构-功能特性相符；（iii）符合细胞质的胶体性质；（iv）能够解释该领域的一些显著观察结果；（v）能够解释迄今为止难以解释的谜题，例如氧气的关键作用；（vi）能够解释简单或复杂抑制剂/调节剂的影响。

章节摘录

引言：细胞生理学的核心与本文的背景

可以从还原论、整体论和格式塔的角度来理解和解释细胞的功能。举一个简单的例子：在还原论层面，任何细胞代谢系统都可以简化为少数几个关键的调节/活性因子。在糖酵解过程中，葡萄糖这种6碳分子被转化为两个3碳分子的丙酮酸，这一过程可以通过少数几种酶来追踪和研究[1]。从整体论的角度来看，要理解葡萄糖和丙酮酸的动态变化，我们需要……

热力学、动力学和Murburn概念

最小的生命细胞内部是一个微观尺度的流体环境（真核细胞的细胞器也是如此），被脂质膜所包围。这种简单且随机分布的非晶态镶嵌系统（与人工制造的有序且固定结构的机电装置形成鲜明对比！）展现了“PCHEMS智能”，并负责调节细胞内外物质的稳态交换。能量的产生主要通过氧化还原反应实现

经典膜泵理论（CMPT）的演变历程

CMPT以离子泵送为核心特征[28]，是“细胞电生理学中备受推崇的范式”，它认为离子通过蛋白质上的特异性结合位点进行选择性和定向的跨膜运输。这一过程使细胞能够主动跨膜运输离子，从而产生电化学梯度。该理论起源于对细胞稳态和能量转换的解释，并逐渐发展完善[29]

记录历史上的争议：一些高调的历史分歧

20世纪初，两派细胞生理学家之间存在激烈的争论。第一派认为离子的运输依赖于膜的辅助作用，而第二派则认为细胞内的水相具有特殊的“低活性”特性，并能选择性地吸附离子。诺贝尔奖得主Archibald Hill通过一个非常有限的实验支持第一派的观点，认为细胞质中的水与外界的水行为相似[31]。他……

经典理论在理论上是否有依据，并得到实验支持？

CMPT形成于测量细胞内离子浓度的高级方法出现之前，许多假设都基于间接证据。以泵为中心的观点将细胞离子稳态简化为单一机制，可能忽略了细胞系统的复杂性[88]。虽然关于离电流水平的观点与离子通道的开启和关闭有关，且有一些关于离子选择性的证据，但在热力学、动力学和机制方面仍存在不足

从从头算角度进行的批判性定量分析

大多数可兴奋细胞（如神经元）的静息膜电位（V_m）通常在?60至?70?mV之间。根据经典理论，这种电位是由于离子（主要是Na⁺、K⁺和Cl^?）在膜上的分布不均造成的。这又源于离子的泵送作用[150]和离子的选择性通透性（主要通过泄漏通道）。所有这些过程都依赖于一种“智能膜”的存在，而这种膜的存在被认为是合理的……

对GHK关系的深入剖析

为了解释阳离子浓度差异和静息跨膜电位（TMP），需要将三个方面有机联系起来：（i）关键的实验观察结果；（ii）“因果”解释；（iii）关联相关参数/变量的数学方程。在这方面，流行的Goldman-Hodgkin-Huxley（GHK）[32]关系和不太为人所知的Tamagawa方程[10,148,152]是两种可用的理论模型。GHK关系能够解释离子浓度差异的数据

用新的Murburn理论定性解释关键现象

在这里，我们不讨论电压钳制实验（通过外部操作将膜电位固定在一个稳定值，以测量跨膜离子流动产生的电流），因为：（i）其实验条件不符合生理学实际；（ii）它假设存在选择性和高通量的泵/通道，而这些在热力学、动力学和机制上都是不可行的；（iii）本文篇幅有限。此外，数据……

TMP的定量Murburn模型及其基本原理

从Murburn的角度出发，可以很容易地建立一个简单的、通用的Nernst类方程来描述TMP，该模型基于阴离子可扩散反应物种（ADRS）：

V_TMP = (?RT/F) × ln [ADRS_in/[ADRS_out]

V_TMP = (?26.7 × ln [ADRS_in/[ADRS_out)

或者，[ADRS_in] = [ADRS_oute^(?VTMP^/26.7)

其中：

V_TMP 表示跨膜电位（单位：伏特），R 表示通用气体常数（8.314?J/mol.K）

NKA和KcsA的结构-功能相关性概述

根据CMPT，负的静息跨膜电位是由于NKA（钠钾ATP酶）将多余的钠离子向外泵送以及KcsA（一种原核钾通道）将多余的钾离子从细胞内向细胞外转移所导致的。我们将详细讨论这两种经过充分研究的膜蛋白NKA和KcsA，它们分别支持了离子泵送和选择性离子通道的存在

NKA和KcsA的各种结构和实验方面的进一步探讨CMPT认为NKA是一种基于亲和力的选择性电泵，通过E1/E2状态循环（对Na和K具有不同的亲和力）来逆浓度梯度运输离子；而钾通道（如KcsA）则是被动的选择性孔道，有助于K⁺浓度梯度的单向平衡。结合最近的结构、化学物理和模拟数据，以下分析……

总结：重点证据和论点

虽然本文对CMPT提出了批评，但我们承认一些表观的病理生理学和药理学实验结果（表1）乍看之下似乎支持CMPT关于通道/泵通过亲和力和大小选择性机制工作的观点。然而，仔细研究其理论基础和实验/观察细节后，这些结果需要重新解释。同时，我们也承认……

CRediT作者贡献声明

Kelath Murali Manoj：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、方法论设计、研究、形式分析、概念构建。Laurent Jaeken：撰写 – 审稿与编辑、验证。Daniel Andrew Gideon：撰写 – 审稿与编辑、可视化、研究。Hirohisa Tamagawa：撰写 – 审稿与编辑、验证。Mahendra Kavdia：撰写 – 审稿与编辑、验证。

未引用的参考文献

[286], [287], [288]

利益冲突声明

作者们声明没有利益冲突。