结构生物化学/膜蛋白/ATP结合盒蛋白
ATP结合盒转运蛋白，也称为ABC转运蛋白，是一类跨膜蛋白，利用ATP水解的能量来执行某些生物过程，包括各种底物跨膜转运以及非转运相关的过程，如RNA翻译和DNA修复。它们转运各种各样的底物穿过细胞内外膜，包括代谢产物、脂类和甾醇。在医学上，ATP结合盒(ABC)转运蛋白导致多药耐药性，对细胞毒性药物产生耐受。根据ATP结合盒结构域的序列和组织，将蛋白质归类为ABC转运蛋白。
ATP结合盒(ABC)系统在生物体中普遍存在，并在细菌生理的许多不同方面发挥作用。ABC转运蛋白最出名的是其在转运必需营养物质和排出有毒分子中的作用，但它们也可以介导许多其他生理底物的转运。在经典的转运反应中，两个高度保守的ATP结合结构域或亚基将ATP的结合/水解与特定底物跨膜转运偶联，通过与转运蛋白的跨膜结构域相互作用。这种基本主题的变化包括可溶性ABC ATP结合蛋白，它们将ATP水解与非转运过程偶联，例如DNA修复和基因表达调控。基于系统发育比较以及经典的生化和遗传方法，报告了对细菌ABC蛋白的结构、功能和作用机制的见解。越来越多的高分辨率结构的可用性为解释最近的研究提供了宝贵的框架，并提出了解释这些迷人的分子机器如何利用复杂的动态过程来完成其众多生物学功能的现实模型。这些进展对于阐明真核生物ABC蛋白的作用机制也很重要，因为其中许多蛋白的功能缺陷会导致严重的人类遗传疾病。
ABC转运蛋白利用ATP水解的能量将各种底物转运穿过细胞膜。它们被分为三个主要的功能组。在原核生物中，转运蛋白介导营养物质进入细胞。离子、氨基酸、肽、糖和其他大多是亲水性的分子是可以转运的底物。ABC转运蛋白周围的膜区域保护亲水性底物免受膜双层中的脂质的影响，从而提供了一条穿过细胞膜的途径。真核生物没有任何转运蛋白。相反，它们具有外排转运蛋白或外排泵，原核生物中也存在。外排转运蛋白充当泵，将毒素和药物从细胞中排出。ABC蛋白的第三个亚群不充当转运蛋白，而是更多地参与翻译和DNA修复过程。
细菌ABC转运蛋白在细胞活力、毒力和致病性中是必需的。例如，铁ABC摄取系统是毒力的重要效应因子。病原体利用铁载体来清除与称为红细胞的高亲和力铁结合蛋白复合的铁。红细胞是细菌分泌并重新吸收到铁-铁载体复合物中的高亲和力铁络合分子。细菌ABC转运蛋白在细胞存活中也必不可少。这是因为它们充当蛋白质系统，对抗细胞中可能发生的任何不良变化。一个例子是在激活渗透感受ABC转运蛋白以介导溶质的摄取以抵消潜在的致命渗透压增加时可以看到的。除了在转运中发挥作用外，还有一些细菌ABC蛋白参与调节几个生理过程。
大多数真核生物ABC转运蛋白是外排转运蛋白，但也有一些不直接参与底物的转运。例如，在囊性纤维化跨膜调节因子(CFTR)和磺酰脲受体(SUR)中，ATP水解用于调节由ABC蛋白本身或其他蛋白携带的离子通道的开放和关闭。人类中的ABC转运蛋白参与相当多的疾病，这些疾病是由于ABC基因的多态性而不是单个ABC蛋白功能的完全丧失引起的。其中一些疾病包括孟德尔疾病和复杂的遗传疾病，如囊性纤维化、免疫缺陷、Stargardt病、Tangier病、Dubin-Johnson综合征等等。
NKA，代表Na+,K+ -ATP酶，是一种钠泵，利用能量将离子转运穿过质膜。ATP水解的能量用于转运钠和钾，产生电化学梯度。NKA属于P型，是一种αβϒ形式的蛋白质复合物。α亚基是实际转运钠和钾的泵，包含三个核苷酸结合位点。它包含M1-M10，即十个跨膜片段。它还包含三个胞质结构域：核苷酸结合(N-)结构域、磷酸化(P-)结构域和激活(A-)结构域。β亚基负责转运钾离子并确保α亚基正确插入质膜。β亚基包含一个膜锚定螺旋、二硫键和一个细胞外结构域。然后，ϒ亚基调节组织中钠泵的泵送活性。
agrin信号传导与钠钾离子泵之间的相互作用是由于双模机制。agrin的两个同源位点在突触处被神经胰蛋白酶切割。这会影响NKA的泵送和信号传导功能。这导致C末端22(C22)抑制NKA的离子泵送功能。然后，agrin与C末端结合。因此，由于β亚基被置换，膜会影响活性插入。根据结合亲和力或浓度，判断α亚基或β亚基哪个占主导地位。
ATP结合盒转运蛋白构成一个大的跨膜蛋白超家族，包括转运蛋白和外排转运蛋白。近年来，已经通过X射线晶体学确定了几个完整ABC转运蛋白的结构。这些结构表明了一种机制，通过该机制，胞质核苷酸结合结构域中ATP的结合和水解控制跨膜结构域的构象，因此转运途径暴露于膜的哪一侧。一个基本的、保守的两态机制可以解释ABC转运蛋白和ABC外排转运蛋白的主动转运，但一些问题仍未解决。在本文中，我将回顾一些晶体结构以及从中获得的机制见解。将概述更好地理解ABC转运蛋白机制的未来挑战。
ABC转运蛋白利用ATP的结合和/或水解产生的能量来驱动跨膜结构域（TMD）的构象变化，从而转运分子。ABC转运蛋白有两种类型，ABC导入蛋白和ABC输出蛋白，它们在转运底物方面具有共同的机制，因为它们的结构相似。描述底物结合相关的构象变化的机制是交替通路模型。在这个模型中，底物结合位点在向外和向内的构象之间交替。两种构象对底物的相对结合亲和力很大程度上决定了转运的净方向。对于ABC导入蛋白，易位方向是从周质空间到细胞质，因此向外构象将具有更高的底物结合亲和力。相反，输出蛋白的底物结合亲和力在向内构象中更大。描述核苷酸结合结构域（NBD）由于ATP结合和水解而发生的构象变化的模型是ATP开关模型。该模型给出了NBD的两种主要构象：结合两个ATP分子后形成封闭的二聚体，以及在ATP水解和释放无机磷酸盐和二磷酸腺苷（ADP）的促进下解离成开放的二聚体。开放和封闭二聚体构象之间的切换诱导TMD的构象变化，导致底物易位。
ABC转运蛋白转运循环的通用机制尚未完全阐明，但已收集了大量结构和生化数据来支持一个模型，该模型认为ATP结合和水解与转运蛋白的构象变化相耦合。所有ABC转运蛋白的静息状态都是NBD处于开放二聚体构象，对ATP的亲和力低，但对底物结合位点的亲和力高。这种开放构象包含一个可进入转运蛋白内部的腔室。转运循环由底物结合到TMD上的高亲和力位点启动，这诱导NBD的构象变化并增强ATP的结合。然后，两个ATP分子协同结合形成封闭的二聚体构象。封闭的NBD二聚体随后诱导TMD的构象变化，使TMD打开，形成一个开口与初始状态相反的腔室。然后，底物对TMD的亲和力降低，从而释放底物。接下来是ATP的水解以及无机磷酸盐和ADP的依次释放。ADP将转运蛋白恢复到其基础构象。尽管已提出这种共同的机制，但底物结合、核苷酸结合和水解以及构象变化的顺序以及结构域之间的相互作用仍在争论中。
最近的研究表明，ATP结合而不是ATP水解提供了转运所需的的主要能量输入或“动力冲程”。这可能是因为ATP结合触发了NBD二聚化，因此二聚体的形成可能代表了“动力冲程”。此外，一些转运蛋白的NBD在ATP结合和水解方面能力不尽相同。因此，NBD二聚体的界面由两个ATP结合口袋组成，这表明两个NBD在转运循环中具有并发功能。
导入蛋白的转运机制支持交替通路模型。导入蛋白的静息状态是向内朝向，其中NBD二聚体界面由TMD保持打开并朝向外侧。当装载底物的封闭结合蛋白附着在跨膜结构域的周质侧时，ATP结合并且NBD二聚体关闭。然后，转运蛋白的静息状态切换到向外朝向的构象，其中TMD已重新定向，以便它们能够从结合蛋白接收底物。ATP水解后，NBD二聚体打开，底物释放到细胞质中。然后，在释放磷酸盐和ADP后，转运蛋白恢复到其静息状态。这种机制中唯一的不一致之处在于，其在无核苷酸的静息状态下的构象与预期的向外朝向构象不同。虽然可能是这种情况，但关键点是除非ATP和结合蛋白结合到转运蛋白上，否则NBD不会二聚化。
ABC输出蛋白的转运机制与交替通路模型和ATP开关模型一致。在输出蛋白的脱辅基状态下，构象为向内朝向，而TMD和NBD相对较远，以容纳两亲性或疏水性底物。底物的结合启动转运循环。ATP的结合诱导NBD二聚化和ATP夹层的形成，然后驱动TMD的构象变化。底物结合的腔室衬有带电和极性残基，这些残基很可能被溶剂化，这为疏水性底物创造了一个能量不利的环境，并为两亲性化合物中的极性部分或LPS中的糖基创造了一个能量有利的环境。由于疏水性化合物不能长时间稳定存在于腔室环境中，因此它们“翻转”到脂双层外叶片中能量更有利的部位。然后，螺旋的重新包装将使构象切换到向外朝向的状态。ATP的水解可以扩大周质开口，将底物推向脂双层的外叶片。第二个ATP分子的水解释放磷酸盐，分离NBD，然后恢复静息状态。这将打开细胞质侧的腔室，为输出蛋白的另一个循环做好准备。
"离子泵和聚集素信号是如何整合的？" Tidow Henning、Aperia A.、Nissen P.