1.鈉K⁺ ATPase(鈉鉀幫浦)是一種位在細胞膜上的膜蛋白。在細胞製造它時,會先在內質網(ER)上合成,並在轉譯過程中直接插入到 ER 的膜中。
2.鈉鉀pump在插入 ER 膜的當下,其朝向已經在ER被決定:哪些部分面向 ER 腔(lumen),哪些部分面向細胞質,會在此階段固定下來。
3. Na⁺/K⁺ ATPase 會經過高基氏體,再被包裝成囊泡運送到細胞膜。在整個運輸路徑中,膜的拓樸關係會被保留,因此鈉鉀的方向不會翻轉。
4.ER與細胞外的對應關係 :
因此,原本面向 ER 腔(lumen)的那一側,在最後會對應到細胞外;而原本面向細胞質的那一側,則會一直維持朝向細胞內。
Na⁺/K⁺ ATPase功能分區 在功能上,Na⁺/K⁺ ATPase 的細胞質側是 ATP 結合與水解的位置,負責提供能量;而細胞外側則負責釋放 Na⁺到細胞外,並結合 K⁺進入細胞。
ㅤㅤ題目問在 ER 合成初期,哪一個部分會顯露在 ER lumen(內質網腔)?也就是在問:鈉鉀幫浦的哪一個部分,在最終型態時是面對『細胞外部』的?
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正確答案是:(E)
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ㅤ因為鈉鉀幫浦需要被磷酸化,開口才會轉向朝外。
磷酸化不是直接吸引 K⁺
而是造成蛋白質構型改變:
E1 → E2
磷酸化的主要作用是改變構型,讓開口朝外,同時讓 pump 從偏好 Na⁺變成偏好 K⁺。翻面伴隨親和力改變。
細胞外 K+ 濃度極低。
策略:磷酸化驅使幫浦翻轉朝外,對 Na^+ 親和力暴跌(順利丟掉 Na^+),同時把對 K+ 的親和力直接拉滿,這才吸得住外面那稀稀落落的 2 個 K+。
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各選項詳細解釋 (A~E)
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找出哪一個選項描述的是Na⁺/K⁺ pump 在蛋白本體朝向細胞外的構造
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(A) The segment of the protein that releases the terminal phosphate group
derived from ATP. (釋放來自 ATP 末端磷酸基的蛋白質片段)
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錯
Na⁺/K⁺ pump 在蛋白本體:跨在細胞膜上(transmembrane protein)而
ATP 主要在:細胞質(cytosol)Na⁺/K⁺ pump 有一個ATP 使用區磷酸基的位置一定在細胞質側 (Cytosolic side), 必須在細胞質那一側
因為ATP 在細胞質幫浦必須在細胞內側結合 ATP 並被磷酸化(以及之後的去磷酸化/釋放磷酸基)。
需要直接碰到 ATP 才能水解
才能讓 pump 變形、搬運 Na⁺/K⁺
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ER 狀態: Na⁺/K⁺ pump 有一個ATP 使用區磷酸基的位置是朝向細胞質。
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題目要找 在 ER lumen(細胞外側) 的部位。
因此 (A) 不符合題目要求,
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(B) The region of the protein that initially binds the three Na⁺ ions. (最初結合三個
Na⁺ 的蛋白質區域)
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(B) 是:
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最初結合 3 個 Na⁺ 的區域
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Na⁺/K⁺ pump 的運輸循環中:
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E1 state 朝向 cytosol(細胞內)
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pump 先從細胞內抓 3 個 Na⁺
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再經 ATP 磷酸化後轉成 E2
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才把 Na⁺ 釋放到細胞外
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所以:
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最初結合 Na⁺ 的入口必須朝向 cytosol。
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也就是說:
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這個區域在成熟細胞膜上面向細胞內
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因此在 ER 合成時也會朝向 cytosol
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不會暴露在 ER lumen
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所以 (B) 不對。
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相反地,K⁺ 的結合位點是在 E2 state 時朝向細胞外,也就是選項E
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pump 在外側抓 K⁺
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外側對應 ER lumen
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所以這部分才會暴露在 ER lumen
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因此真正符合「ER lumen exposed」邏輯的是和 extracellular-facing 狀態有關的區域,而不是 (B) 這種 cytosol-facing 的 Na⁺ 初始結合區。
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題目要找 在 ER lumen(細胞外側) 的部位。
因此 (B) 不符合題目要求,
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(C) The binding domain that triggers the release of the two K⁺ ion into the
cytoplasm. (觸發兩個 K⁺ 釋放到細胞質中的結合位點)
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Na⁺/K⁺-ATPase 的功能之一,是把 K⁺運進細胞內。
因此 K⁺最後一定會出現在 cytoplasm(細胞內液)中。
所以負責<釋放 K⁺release of the two K⁺ ion into the
cytoplasm>.的那個區域,必須面向 cytoplasm;否則 K⁺就不可能被放進細胞內。
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而膜蛋白在 ER 合成時,膜的方向性之後會被保留下來。
也就是說:朝 ER cytosol 的那一面,之後仍然會朝向 cytoplasm;而朝 ER lumen 的那一面,之後則會變成 plasma membrane 的 extracellular side(細胞外側)。
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因此,如果某個區域最後是面向 cytoplasm,那它在 ER 中時,就一定是位於 cytosol side,而不會是 ER lumen side。
所以選項 C 不符合題目要求。
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(D) The nonpolar a-helical stretches that span the lipid bilayer. (橫跨脂質雙層的非極性
α-螺旋片段)
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這是指跨膜區段 (Transmembrane
domains)。這些非極性胺基酸是埋在細胞膜(脂質雙層)的疏水性核心裡面,既不暴露在細胞質,也不暴露在細胞外
ER 狀態: 埋在膜中。
題目要找 在 ER lumen(細胞外側) 的部位。
因此(D) 不符合題目要求
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(E) The binding site that has a high affinity for K⁺ ions when the pump has been
phosphorylated. (當幫浦被磷酸化時,對 K⁺ 具有高親和力的結合位)
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鈉鉀幫浦的循環:
1. 幫浦開口朝內,結合 3 個 Na⁺。
2. ATP 磷酸化幫浦,導致構型改變。
3. 幫浦開口轉向「朝外」,釋放 Na⁺。
4. 此時(磷酸化狀態且開口朝外),幫浦對 K⁺ 產生高親和力,從「細胞外」抓取 2 個 K⁺。 因為它是在細胞外抓取
K⁺,所以這個具有高親和力的結合位必定是朝向細胞外側 (Extracellular
side),<當 pump 被磷酸化後,Na⁺/K⁺ pump 發生構型改變(翻面),使原本的結合位暴露在細胞外側;此時這個結合位對 K⁺ 具有高親和力,所以可以抓取細胞外的 K⁺。>。
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ER 狀態: 因為最終朝向細胞外,所以在 ER 中合成時,它必須朝向 內質網腔 (ER lumen)。 (正確 ✅)
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