KcsA-Kanal: Struktur
Dieser Beitrag konzentriert sich auf KcsA, einen Kaliumkanal aus Streptomyces lividans, der zwei Domänen enthält. Der erste ist der Transmembrananteil, der 120 Reste enthält. Dies wird im Folgenden ausführlich besprochen. Die zweite Domäne ist eine zytoplasmatische Domäne, die etwa 40 Reste enthält. Die zytoplasmatische Domäne trägt zur Stabilität des geschlossenen Zustands bei. Dies wird auf der Grundlage von Daten geschlossen, die eine Abnahme der Effizienz der Kanalfaltung und -montage und der thermischen Stabilität zeigen, wenn die cytoplasmatische Domäne von der Kristallstruktur entfernt wird.5 Wie in Abbildung 2 zu sehen ist, ist die mit Wasser gefüllte C-terminale zytoplasmatische Domäne eine 4-Helix-Bündelstruktur, die sich linear zum Zytoplasma hin erstreckt.5-6 Durch elektronenparamagnetische Resonanz, EPR, Daten, die von Uysal erzeugt wurden, wurde gezeigt, dass das C-Terminal eine Dehnung aufweist, die sich dort ausbeult, wo die C-Terminal-Domäne auf die Transmembrandomäne trifft.5 weist diese die beiden verbindende Helixstrecke eine höhere Flexibilität als die anderen Teile auf, die möglicherweise beim Öffnen des Kanals eine Rolle spielt.5 Es gibt noch viel Forschung, die durchgeführt werden muss, um die Funktionalität der C-terminalen Domäne vollständig zu verstehen. Eine vorgeschlagene Funktion der Domäne besteht darin, dass sie als Rezeptor für ein nicht identifiziertes plasmisches Aktivatorprotein oder einen Liganden dienen kann, aber andere argumentieren, dass es keinen signifikanten Effekt auf den Permeationspfad für das Ion gibt. Die Struktur enthält noch keine Orientierung von Seitenketten, aber die Anordnung der Helices deutet auf elektrostatische Wechselwirkungen in der Untereinheit hin.6 Abbildung 3 zeigt, wie die zytoplasmatische Domäne zwischen einem offenen Kanal und einem geschlossenen Kanal mit zwei Bakterienkanälen verglichen wird.7 Der Rest des Papiers konzentriert sich auf die Transmembrandomäne, die für Kalium ausgewählt wird.
Abbildung 3. Die Transmembran-Domäne. Jede Untereinheit ist anders gefärbt und die Kaliumionen sind lila. HVE 108.
Die Selektivität für Kaliumionen hängt stark von der Struktur des Kaliumkanal-Selektivitätsfilters ab. Die Koordinationsumgebung des Kanals weist selektive Liganden auf, die spezifisch an Kaliumionen binden.8 Das Kaliumkanalprotein ist ein Tetramer, das vier identische Untereinheiten enthält, die eine zentrale Pore bilden.8-9 Die Ionen fließen in eine Pore, die sich öffnet und schließt und die Ionen in den zentralen Hohlraum leitet. Die Untereinheiten enthalten zwei Alpha-Helices, von denen eine der zentralen Pore, der inneren Helix, und eine der Lipidmembran, der äußeren Helix, zugewandt ist.3 umfasst jede Untereinheit neben der inneren und äußeren Helix eine Porenwelix.3,8 Die Untereinheiten sind geneigt, wie in Abbildung 3 zu sehen, wobei sich der Selektivitätsfilter in der Nähe der extrazellulären Oberfläche der Membran befindet. Die vier inneren Helices sind so strukturiert, dass sie in der Nähe der intrazellulären Oberfläche zusammenkommen. Sowohl die intra- als auch die extrazellulären Eingänge sind durch saure Aminosäuren negativ geladen. Dies ermöglicht eine höhere Konzentration von Kationen in der Nähe der Membran und weniger Anionen aufgrund der entgegengesetzten Ladungen.8
Abbildung 4. Kaliumkanal (KcsA-Struktur aus Streptomyces lividans) mit markierten Schlüsselstrukturkomponenten. Die wichtigsten zu beachtenden Aspekte sind der Poren-, Hohlraum- und Selektivitätsfilter (SF). Dies sind die Teile des Kanals, durch die Kaliumionen wandern. Zuerst fließt das Ion durch die Pore und tritt hydratisiert in den Hohlraum ein, wenn die Pore offen ist. Dann wird ein Kaliumion dehydriert und ausgewählt, um durch die Membran zu wandern, wo es dann in die Zelle gelangt. Beachten Sie, dass in diesem Bild zur einfacheren Visualisierung nur zwei Untereinheiten angezeigt werden. PBD 1K4C.
Die Porenregion wurde zuerst mit porenblockierenden Skorpion-Toxinen identifiziert. Sie interagieren mit Aminosäuren am Eingang der Pore und verursachen Blockierungen und Funktionsstörungen. In die Pore tritt das Kaliumion ein, wo es dann in den zentralen Hohlraum übertragen wird, wie in Abbildung 4 dargestellt. Während dieser Zeit bleibt das Kaliumion hydratisiert.8 Die intrazelluläre Pore ist das Merkmal des Kanals, durch das Kaliumionen in die Zelle eindringen können, wenn sie offen ist, oder das Eindringen verhindert wird, wenn sie geschlossen ist. Die Kanäle öffnen sich, wenn sich das Membranpotential ändert, was einen Zustrom von Kaliumionen in den Hohlraumfilter ermöglicht. Sobald die selektive Bindung im Selektivitätsfilter erfolgt, fällt das Potential über die Membran ab und schließt so die Pore.1 Die Pore und der Hohlraum sind hydrophob ausgekleidet, wodurch die elektrostatische Barriere verringert werden kann. Es muss eine niedrigere elektrostatische Barriere vorhanden sein, damit die Energiekosten der Dehydratisierung aufgrund der großen Energiebarriere für die Ionenpermeation (dielektrische Barriere) kompensiert werden. Somit ermöglicht der mit Wasser gefüllte Hohlraum eine energetisch günstige Umgebung.3,8,10,11
Abbildung 5. Bindung von Kaliumionen (lila) an spezifische Liganden durch die Rückgrat-O’s von Thr 75, Val 76, Gly 77 und Tyr 78. Die vollständige Koordination ist hier zur leichteren Visualisierung nicht dargestellt. Reproduziert von Samsom.11
Als nächstes müssen die Ionen in den Selektivitätsfilter (SF) selektiert werden, der mit polaren Hauptkettenatomen ausgekleidet ist, die zu Aminosäuren gehören. Das Loch ist so eng, dass die Ionen vor dem Eintritt zuerst dehydriert werden müssen. Es gibt zwei wesentliche Merkmale in der SF. Erstens erzeugen die Hauptkettenatome geeignete Dimensionen, um ein dehydriertes Kaliumion durch Stapeln zu koordinieren, wodurch sequentielle Sauerstoffringe entstehen. Dies erzeugt eine sehr kleine Entfernung, die das Kaliumion zurücklegen muss, um jede Stelle zu erreichen, während es durch den Filter reist. Dies bildet eine Folge von vier kubischen achtfachen Koordinationsstellen, wie in Abbildung 6 dargestellt.3,8 Zu jeder Zeit sind diese Stellen von zwei K + -Ionen und zwei Wassermolekülen in alternierender Reihenfolge besetzt Das zweite Merkmal ist die Proteinpackung um das SF, die einer Sequenz von T-V-G-Y-G folgt, gezeigt in Abbildung 5.9 Die Leitung kann dann auftreten, wenn zwei Kaliumionen in das SF eintreten, was zu einem Gleichgewicht zwischen der Anziehungskraft führt, die vom SF zum Ion auftritt, und der Abstoßungskraft, die zwischen den beiden Kaliumionen auftritt.8 Diese Abstoßung hilft Kaliumionen, ihre intrinsische Affinität für eine enge Bindung an die Bindungsstellen zu überwinden.3 Eine weitere Erörterung des Auswahlmechanismus wird nachstehend erörtert.
Abbildung 6. Ein Beispiel für ein Kaliumion (lila) in einer achtfachen Koordinationsstelle. Bindung nummeriert für einfachere Visualisierung.