結構生物化學/膜蛋白/ATP結合盒蛋白
ATP結合盒轉運蛋白，也稱為ABC轉運蛋白，是一類跨膜蛋白，利用ATP水解的能量來執行某些生物過程，包括各種底物跨膜轉運以及非轉運相關的過程，如RNA翻譯和DNA修復。它們轉運各種各樣的底物穿過細胞內外膜，包括代謝產物、脂類和甾醇。在醫學上，ATP結合盒(ABC)轉運蛋白導致多藥耐藥性，對細胞毒性藥物產生耐受。根據ATP結合盒結構域的序列和組織，將蛋白質歸類為ABC轉運蛋白。
ATP結合盒(ABC)系統在生物體中普遍存在，並在細菌生理的許多不同方面發揮作用。ABC轉運蛋白最出名的是其在轉運必需營養物質和排出有毒分子中的作用，但它們也可以介導許多其他生理底物的轉運。在經典的轉運反應中，兩個高度保守的ATP結合結構域或亞基將ATP的結合/水解與特定底物跨膜轉運偶聯，透過與轉運蛋白的跨膜結構域相互作用。這種基本主題的變化包括可溶性ABC ATP結合蛋白，它們將ATP水解與非轉運過程偶聯，例如DNA修復和基因表達調控。基於系統發育比較以及經典的生化和遺傳方法，報告了對細菌ABC蛋白的結構、功能和作用機制的見解。越來越多的高解析度結構的可用性為解釋最近的研究提供了寶貴的框架，並提出瞭解釋這些迷人的分子機器如何利用複雜的動態過程來完成其眾多生物學功能的現實模型。這些進展對於闡明真核生物ABC蛋白的作用機制也很重要，因為其中許多蛋白的功能缺陷會導致嚴重的人類遺傳疾病。
ABC轉運蛋白利用ATP水解的能量將各種底物轉運穿過細胞膜。它們被分為三個主要的功能組。在原核生物中，轉運蛋白介導營養物質進入細胞。離子、氨基酸、肽、糖和其他大多是親水性的分子是可以轉運的底物。ABC轉運蛋白周圍的膜區域保護親水性底物免受膜雙層中的脂質的影響，從而提供了一條穿過細胞膜的途徑。真核生物沒有任何轉運蛋白。相反，它們具有外排轉運蛋白或外排泵，原核生物中也存在。外排轉運蛋白充當泵，將毒素和藥物從細胞中排出。ABC蛋白的第三個亞群不充當轉運蛋白，而是更多地參與翻譯和DNA修復過程。
細菌ABC轉運蛋白在細胞活力、毒力和致病性中是必需的。例如，鐵ABC攝取系統是毒力的重要效應因子。病原體利用鐵載體來清除與稱為紅細胞的高親和力鐵結合蛋白複合的鐵。紅細胞是細菌分泌並重新吸收到鐵-鐵載體複合物中的高親和力鐵絡合分子。細菌ABC轉運蛋白在細胞存活中也必不可少。這是因為它們充當蛋白質系統，對抗細胞中可能發生的任何不良變化。一個例子是在啟用滲透感受ABC轉運蛋白以介導溶質的攝取以抵消潛在的致命滲透壓增加時可以看到的。除了在轉運中發揮作用外，還有一些細菌ABC蛋白參與調節幾個生理過程。
大多數真核生物ABC轉運蛋白是外排轉運蛋白，但也有一些不直接參與底物的轉運。例如，在囊性纖維化跨膜調節因子(CFTR)和磺醯脲受體(SUR)中，ATP水解用於調節由ABC蛋白本身或其他蛋白攜帶的離子通道的開放和關閉。人類中的ABC轉運蛋白參與相當多的疾病，這些疾病是由於ABC基因的多型性而不是單個ABC蛋白功能的完全喪失引起的。其中一些疾病包括孟德爾疾病和複雜的遺傳疾病，如囊性纖維化、免疫缺陷、Stargardt病、Tangier病、Dubin-Johnson綜合徵等等。
NKA，代表Na+,K+ -ATP酶，是一種鈉泵，利用能量將離子轉運穿過質膜。ATP水解的能量用於轉運鈉和鉀，產生電化學梯度。NKA屬於P型，是一種αβϒ形式的蛋白質複合物。α亞基是實際轉運鈉和鉀的泵，包含三個核苷酸結合位點。它包含M1-M10，即十個跨膜片段。它還包含三個胞質結構域：核苷酸結合(N-)結構域、磷酸化(P-)結構域和啟用(A-)結構域。β亞基負責轉運鉀離子並確保α亞基正確插入質膜。β亞基包含一個膜錨定螺旋、二硫鍵和一個細胞外結構域。然後，ϒ亞基調節組織中鈉泵的泵送活性。
agrin訊號傳導與鈉鉀離子泵之間的相互作用是由於雙模機制。agrin的兩個同源位點在突觸處被神經胰蛋白酶切割。這會影響NKA的泵送和訊號傳導功能。這導致C末端22(C22)抑制NKA的離子泵送功能。然後，agrin與C末端結合。因此，由於β亞基被置換，膜會影響活性插入。根據結合親和力或濃度，判斷α亞基或β亞基哪個占主導地位。
ATP結合盒轉運蛋白構成一個大的跨膜蛋白超家族，包括轉運蛋白和外排轉運蛋白。近年來，已經透過X射線晶體學確定了幾個完整ABC轉運蛋白的結構。這些結構表明了一種機制，透過該機制，胞質核苷酸結合結構域中ATP的結合和水解控制跨膜結構域的構象，因此轉運途徑暴露於膜的哪一側。一個基本的、保守的兩態機制可以解釋ABC轉運蛋白和ABC外排轉運蛋白的主動轉運，但一些問題仍未解決。在本文中，我將回顧一些晶體結構以及從中獲得的機制見解。將概述更好地理解ABC轉運蛋白機制的未來挑戰。
ABC轉運蛋白利用ATP的結合和/或水解產生的能量來驅動跨膜結構域（TMD）的構象變化，從而轉運分子。ABC轉運蛋白有兩種型別，ABC匯入蛋白和ABC輸出蛋白，它們在轉運底物方面具有共同的機制，因為它們的結構相似。描述底物結合相關的構象變化的機制是交替通路模型。在這個模型中，底物結合位點在向外和向內的構象之間交替。兩種構象對底物的相對結合親和力很大程度上決定了轉運的淨方向。對於ABC匯入蛋白，易位方向是從周質空間到細胞質，因此向外構象將具有更高的底物結合親和力。相反，輸出蛋白的底物結合親和力在向內構象中更大。描述核苷酸結合結構域（NBD）由於ATP結合和水解而發生的構象變化的模型是ATP開關模型。該模型給出了NBD的兩種主要構象：結合兩個ATP分子後形成封閉的二聚體，以及在ATP水解和釋放無機磷酸鹽和二磷酸腺苷（ADP）的促進下解離成開放的二聚體。開放和封閉二聚體構象之間的切換誘導TMD的構象變化，導致底物易位。
ABC轉運蛋白轉運迴圈的通用機制尚未完全闡明，但已收集了大量結構和生化資料來支援一個模型，該模型認為ATP結合和水解與轉運蛋白的構象變化相耦合。所有ABC轉運蛋白的靜息狀態都是NBD處於開放二聚體構象，對ATP的親和力低，但對底物結合位點的親和力高。這種開放構象包含一個可進入轉運蛋白內部的腔室。轉運迴圈由底物結合到TMD上的高親和力位點啟動，這誘導NBD的構象變化並增強ATP的結合。然後，兩個ATP分子協同結合形成封閉的二聚體構象。封閉的NBD二聚體隨後誘導TMD的構象變化，使TMD開啟，形成一個開口與初始狀態相反的腔室。然後，底物對TMD的親和力降低，從而釋放底物。接下來是ATP的水解以及無機磷酸鹽和ADP的依次釋放。ADP將轉運蛋白恢復到其基礎構象。儘管已提出這種共同的機制，但底物結合、核苷酸結合和水解以及構象變化的順序以及結構域之間的相互作用仍在爭論中。
最近的研究表明，ATP結合而不是ATP水解提供了轉運所需的的主要能量輸入或“動力衝程”。這可能是因為ATP結合觸發了NBD二聚化，因此二聚體的形成可能代表了“動力衝程”。此外，一些轉運蛋白的NBD在ATP結合和水解方面能力不盡相同。因此，NBD二聚體的介面由兩個ATP結合口袋組成，這表明兩個NBD在轉運迴圈中具有併發功能。
匯入蛋白的轉運機制支援交替通路模型。匯入蛋白的靜息狀態是向內朝向，其中NBD二聚體介面由TMD保持開啟並朝向外側。當裝載底物的封閉結合蛋白附著在跨膜結構域的周質側時，ATP結合並且NBD二聚體關閉。然後，轉運蛋白的靜息狀態切換到向外朝向的構象，其中TMD已重新定向，以便它們能夠從結合蛋白接收底物。ATP水解後，NBD二聚體開啟，底物釋放到細胞質中。然後，在釋放磷酸鹽和ADP後，轉運蛋白恢復到其靜息狀態。這種機制中唯一的不一致之處在於，其在無核苷酸的靜息狀態下的構象與預期的向外朝向構象不同。雖然可能是這種情況，但關鍵點是除非ATP和結合蛋白結合到轉運蛋白上，否則NBD不會二聚化。
ABC輸出蛋白的轉運機制與交替通路模型和ATP開關模型一致。在輸出蛋白的脫輔基狀態下，構象為向內朝向，而TMD和NBD相對較遠，以容納兩親性或疏水性底物。底物的結合啟動轉運迴圈。ATP的結合誘導NBD二聚化和ATP夾層的形成，然後驅動TMD的構象變化。底物結合的腔室襯有帶電和極性殘基，這些殘基很可能被溶劑化，這為疏水性底物創造了一個能量不利的環境，併為兩親性化合物中的極性部分或LPS中的糖基創造了一個能量有利的環境。由於疏水性化合物不能長時間穩定存在於腔室環境中，因此它們“翻轉”到脂雙層外葉片中能量更有利的部位。然後，螺旋的重新包裝將使構象切換到向外朝向的狀態。ATP的水解可以擴大周質開口，將底物推向脂雙層的外葉片。第二個ATP分子的水解釋放磷酸鹽，分離NBD，然後恢復靜息狀態。這將開啟細胞質側的腔室，為輸出蛋白的另一個迴圈做好準備。
"離子泵和聚集素訊號是如何整合的？" Tidow Henning、Aperia A.、Nissen P.