Crystal structure of the Na+/H+ antiporter NhaA at active pH reveals the mechanistic basis for pH sensing

反转运蛋白 化学 活动站点 组氨酸 细胞内pH值 盐桥 反转运蛋白 生物物理学 主动运输 膜转运 氨基酸 生物化学 细胞内 生物 突变体 基因
作者
Iven Winkelmann,Povilas Uzdavinys,Ian M. Kenney,Joseph Brock,Pascal F. Meier,Lina-Marie Wagner,Florian Gabriel,Suk‐Kyeong Jung,Rei Matsuoka,Christoph von Ballmoos,Oliver Beckstein,David Drew
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:13 (1): 6383-6383 被引量:29
标识
DOI:10.1038/s41467-022-34120-z
摘要

The strict exchange of protons for sodium ions across cell membranes by Na+/H+ exchangers is a fundamental mechanism for cell homeostasis. At active pH, Na+/H+ exchange can be modelled as competition between H+ and Na+ to an ion-binding site, harbouring either one or two aspartic-acid residues. Nevertheless, extensive analysis on the model Na+/H+ antiporter NhaA from Escherichia coli, has shown that residues on the cytoplasmic surface, termed the pH sensor, shifts the pH at which NhaA becomes active. It was unclear how to incorporate the pH senor model into an alternating-access mechanism based on the NhaA structure at inactive pH 4. Here, we report the crystal structure of NhaA at active pH 6.5, and to an improved resolution of 2.2 Å. We show that at pH 6.5, residues in the pH sensor rearrange to form new salt-bridge interactions involving key histidine residues that widen the inward-facing cavity. What we now refer to as a pH gate, triggers a conformational change that enables water and Na+ to access the ion-binding site, as supported by molecular dynamics (MD) simulations. Our work highlights a unique, channel-like switch prior to substrate translocation in a secondary-active transporter.
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