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为什么钾是生命的阳离子?

经过|2020年12月16日

一个新的假设探讨了Potassium如何成为主导的生物阳离子。

图片来源:dancristian Pădureț on Unsplash

为什么在所有的活细胞中钾(K)的浓度都更高+在细胞质中比在周围培养基中的细胞质,以及钠的反向(Na+离子)?这肯定不是机会,因为原核生物(细菌和古亚亚亚洲)和真核生物都已经演变出了这种方式的相当复杂的方式。

在细胞膜上积极保持对离子的不平衡(更多K.+里面,更多的na+和Cl-例如,人类神经元的细胞膜电位为-70 mV。

这听起来并不多,但是这种电压存在于很小的“绝缘体”(脂质双分子层,细胞膜)上——在5到10纳米之间——所以这个系统中储存的能量是非常惊人的。与之相比,锂离子电池的单个电池有一个大约150微米厚的多孔电荷隔板(大约是细胞膜厚度的25000倍),隔膜上的电压为1.7伏特(是活细胞的25倍)。

可以这样看(虽然不是这样)相当那么简单),活细胞在分离电荷方面比电池做得好一千倍!看看它是如何生成K的+梯度,我们必须从早期进化开始:从细菌开始。因为我们知道阳离子(或阴离子)不能通过细胞的脂质双分子层,它一定与膜蛋白有关——特别是离子通道。

基本上,一切都是关于沟道内部(孔)的肽链羰基(O-C = O)。具有高部分负电荷的氧气,暂时与k关联+离子,形成一种静态电荷吸引子(C=O到K的八倍配位+,对于那些喜欢细节的人)。钠离子比钾离子小,在这个特定的通道中不要“适合”:它们具有自己,特定的静电吸引子通道。因此,解决了离子选择性的问题,但驱动器k+离子对浓度梯度,可以达到外部浓度的25-30倍?

为此,我们必须想象细菌在其细胞质中保持生理环境pH值的挑战;对于许多蛋白质来说,这是一个非常重要的概念 - 因此它们的功能,例如它们的功能。酶促 - 对其环境的酸度进行精确敏感。同样重要的是,细胞膜对超过200mV的电压非常敏感。

这两种生理约束使我们得到质子(H+)作为驾驶进化力,因为它们也是促进细菌的力量:将泵出来的泵形状为其细胞质作为一种构建潜在能量(一种用于储存能量的电池),使它们再次通过酶再次进入。频道(F.1- f0.ATP酶)制备一种能量(ATP),其可以用作细胞中的共同货币(化学能量)。迅速生长的细菌需要如此多的能量,使其质子泵可以产生危险的高质量梯度,这可以比破坏细胞质中的酶机制(通过pH变化)甚至更快地破坏它们的细胞膜 - 在几毫秒的电池中简单地“溶解”在静电灾难中!K.+离子是细胞的安全机制,因为它们静电偏离了H.+在质子上搬出时,移动进去。

所以,这是k的方式+梯度进化;通过将α -变形菌结合到真核细胞的前体,即线粒体的前体中,它扩散到生命的真核区域成为一个普遍特征。

它开发的条件(特别是,保护pH变化)不是保持k的力量+在今天的真核细胞质稳定性的中心,但演化通常与所给予的东西有关,并且在真核细胞中找到其他“使用” - 这些与DNA结合蛋白,组蛋白的静电电荷有关,细菌不具有,以及用于转录和DNA复制的染色质的拆卸。在这里,我们也看到了为什么k+而不是na+是细胞“选择”的阳离子。

参考:Nikolay科洛夫,Potassium如何成为主导的生物阳离子:新陈代谢,化学病和自生命开始以来的阳离子选择性,生物(2020)。DOI:10.1002 / BIES202000108