刘宇副教授在离子逆浓度输运领域取得新进展

众所周知，一般情况下物质总是从高浓度区向低浓度区流动，这是由熵增原理决定的。如果要将该过程逆行则必须提供额外的能量，亦即所谓的主动运输。主动运输是生物、化学领域的重要过程，其基本概念我们在中学阶段就接触过，然而，主动运输的机理究竟是怎样的？外部能量是怎样转换为逆浓度流动动力的？这些依然是困扰科学家们的关键问题。如果能正确认识或者设计这样一种主动运输过程将是生物、化学、化工等领域的重要突破，在膜分离、海水淡化、分子马达等诸多方面有广阔的应用前景。

生物体内最常见的主动运输过程是通过消耗ATP将分子/离子从低浓度区泵入高浓度区，但除此之外还有一种不需外部输入自由能，而仅通过背景分子的常规扩散提供动力从而达到逆向输运的效果，该过程被称为协同运输（cotransport）。如果传输分子和背景分子的运动方向相同则被称为同向协同（symport）反之则被称为反向协同（antiport）。对该过程一般认为是通过蛋白质分子将传输分子和背景分子进行连接，通过背景分子的正常扩散将传输分子拉入低浓度区。在该过程中间，蛋白质分子充当着“杠杆”的作用，该“杠杆”不仅要将背景分子的动能传递到传输分子上还要有精确的分子识别能力。从动力学的角度来看，此“杠杆”似乎是必不可少的，尤其对于运动方向相反的反向协同来说。然而，我们接下来就要设计一个过程，不需要有精确分子识别能力的杠杆就能达到反向协同的效果（图1）。

图1. 反向协同主动运输的设计思路

要设计这样一个过程，我们首先要明确一个“反常吸附”现象。所谓“反常吸附”是指吸附剂在低浓度区的吸附量要高于在高浓度区的吸附量。初看之下这似乎难以理解，但如果有多种吸附质，且吸附质间存在竞争关系时这是可能的。以K⁺、Na⁺混合物在带电孔道中的吸附为例（图2），当控制K/Na摩尔比为定值（对角线方向）时，K⁺在低浓度区（图2（a）左下角）的吸附量明显高于高浓度区（右上角）的吸附量，即所谓的“反常吸附”。相比之下，Na⁺则呈现出正常吸附的趋势。

图2. (a) K⁺、(b) Na⁺ 在带电狭缝孔道中的吸附量关于体相离子密度的函数 (经典密度泛函计算结果，狭缝宽度0.5nm，电势-1V)。

K⁺的反常吸附源于Na⁺与K⁺的竞争。由于Na⁺体积较小，能优先于K⁺占据最佳吸附位点（狭缝壁面），当Na⁺与K⁺等比增加时，新增加的Na⁺将取代原已被吸附的K⁺占据吸附位点因而导致K⁺吸附量反而下降（图3）。打个比方，某地有A、B两所中学，其中A校学生的成绩比B校高出一个档次，现在两校各有10人报考X大学，而X大学的招生指标只有10人，那么结果很有可能是A校录取了9个，B校录取1个，A校被录取的那位可能是因为各种不可预料因素而落选，即所谓的熵效应。但如果现在A、B两校各报考100人，招生指标依然为10人，请问B校是否还能保住一个人被录取呢？这个难度明显要大得多。如果把A校看成Na⁺，B校看成K⁺，X大学看成狭缝孔道，这种现象就是我们所说的“反常吸附”。

 图3. (a) K⁺、(b) Na⁺ 在孔道中的密度分布(孔道壁面位于z = 0和z = 0.5 nm处)。

基于此，刘宇副教授设计了一个反向协同的离子泵。如图3所示，首先将一带电孔道置于浓度不同的K⁺/Na⁺溶液间（图4（a），H Phase表示高浓度区， L Phase表示低浓度区），并打开孔道出入口，此时K⁺和Na⁺均会被吸附进入孔道；由于“反常吸附”机制，低浓度区端的K⁺浓度将高于高浓度区（图4（b））；然后将出入口封闭，由于热熵效应，孔道中的K⁺和Na⁺会趋向于均匀分布，亦即K⁺向高浓度端移动，Na⁺向低浓度端移动（图4（c））；随后将出入口打开（图4（d）），此时体系将趋向于状态（b），已移动到高浓度端的K⁺被就近释放出孔道，而低浓度区的K⁺又将被吸附进入孔道，最终达到状态（b），如此反复循环，即可实现K⁺从低浓度区向高浓度区的移动。该过程并不违背任何热力学定律，主动运输造成的熵减效应由钠离子扩散的自由能提供。值得注意的是，在状态（b）中，虽然低浓度端的K⁺浓度较高，但其并不会主动向高浓度端输运，因为其化学势与L Phase相同，低于H Phase；只有当孔道口关闭，高浓度端的Na⁺扩散进入低浓度端时才会诱导K⁺向高浓度端运动。

图4. 基于“反常吸附”的主动运输流程图。

由于该主动运输过程不依赖于结构复杂的蛋白质分子，且不需要外部能量输入，因而有望被应用于非生命体系的离子泵、分子马达等系统的设计。该工作主要由中山大学刘宇副教授完成，论文发表在The Journal of Physical Chemistry Letters，2021, 12, 7632–7635 上，https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.1c02110