钙泵（calcium pump）在每个方向仅长几个纳米，并且存在于细胞膜中。不过，尽管它的尺寸很小，但它对生命是必不可少的。钙泵是我们的肌肉能够收缩和神经元能够发送信号的原因。如果这种微小的钙泵停止工作，那么细胞之间就会停止通信。这就是为什么细胞要消耗如此多的能量---身体中大约四分之一的被称作ATP的燃料---来维持这些钙泵运转。

图片来自Mateusz Dyla。

关于这种至关重要的钙泵的结构和功能，我们仍然知之甚少。对这种钙泵的了解是理解体内的能量平衡和其他的重要功能所必不可少的。

在一项新的研究中，来自丹麦、美国和英国的研究人员首次展示了钙泵在单分子水平上如何发挥功能，以及它如何确保离子单方向泵送。相关研究结果发表在2017年11月16日的Nature期刊上，论文标题为“Dynamics of P-type ATPase transport revealed by single-molecule FRET”。论文通信作者为来自丹麦奥胡斯大学的Poul Nissen和美国康奈尔大学的Scott C. Blanchard。

分子基础

这项新研究的一项至关重要的见解涉及离子运输的单向性。在此之前，人们认为钙泵的单向运输是在切割富含能量的ATP分子中产生的。这种假设是当ATP被切割时，钙泵不能够往回走和重新形成ATP。结果证实这种假设是不正确的。

论文第一作者Fellow Mateusz Dyla博士说，“在泵送周期（pumping cycle）中，我们鉴定出一种新的封闭状态，而且仅当钙离子来自胞内液体时，这种钙泵才能够进入这种泵送周期，并切割ATP。如果钙离子来自细胞所在的环境，那么这种钙泵不能够进入这种封闭状态。当钙离子从这种状态中释放出来时，它就处于只能进不能退的地步。正是这种机制解释了这种钙泵作为泵发挥作用，而不仅仅是一种被动运输的离子通道。这一独特的见解是基于高度先进的实验。这些实验能够让我们首次观察到这种钙泵执行它的功能。”

这种钙泵需要能量，而能量是从它切割ATP分子中获得的。释放出来的能量转化为这种钙泵的运转。这就解释了细胞内部和外部之间存在着非常大的浓度梯度。这种浓度差异能够超过1万倍，而且这一巨大的浓度差异对细胞间通信（如神经信号转导）是至关重要的。

雾里看花

钙泵是如此之小以至于不能够在光学显微镜下直接对它进行成像。为了更加清楚地观察钙泵的功能性运动，这些研究人员采用一种被称作单分子荧光光谱（single-molecule fluorescence spectroscopy）的技术。该技术是基于一种被称作荧光共振能量转移（Förster resonance energy transfer, FRET）的现象而被开发出来的。将较强的激光和超灵敏的相机结合在一起就允许通过单个分子发出的微量光线来对它进行直接观察。

在这项研究中，这些研究人员以来自单核细胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）的钙泵--- 钙离子-ATP酶（Ca2+-ATPase），属于P型ATP酶---为研究对象。

在FRET实验中，两种染料分子被附着到这种钙泵上，随后进行激光照射。一种染料（供者）吸收激光后发出一种特征颜色的光线，或者将吸收到的能量转移到另一种染料（受者）上，然后受者染料发出另一种颜色的光线。因此，光线将从这两种染料中发出来，科学家们就能够通过发出的每种颜色的光线数量来测量这两种染料之间的距离。鉴于这两种染料被插入到这种钙泵的两个特定的位置上，这些距离变化就可追踪这种钙泵的泵送运动。

除了增加我们对生命基本过程的认识之外，对这些钙泵的理解也可能具有实际的应用价值。钙泵发生突变能够导致脑细胞缺陷，而这能够导致神经系统疾病，如偏头痛、暂时性麻痹或神经退行性疾病。

因此，这些离子泵的工作机制对于理解钙泵中的错误是至关重要的，尤其是在开发针对这种钙泵的新型药物时。