KcsA kanal: struktur
dette papir vil fokusere på KcsA, en kaliumkanal fra Streptomyces lividans, som indeholder to domæner. Den første er den transmembrane del, som indeholder 120 rester. Dette vil blive diskuteret i detaljer nedenfor. Det andet domæne er et cytoplasmatisk domæne, der indeholder omkring 40 rester. Det cytoplasmatiske domæne bidrager til stabiliteten af den lukkede tilstand. Dette konkluderes baseret på data, der viser et fald i effektiviteten af kanalfoldning og samling og termisk stabilitet påvirkes, når det cytoplasmatiske domæne fjernes fra krystalstrukturen.5 som det ses i figur 2, er det vandfyldte C-terminale cytoplasmatiske domæne 4-spiralbundtstruktur, der strækker sig lineært mod cytoplasmaet.5-6 det er vist ved elektronparamagnetisk resonans, EPR, data produceret af Uysal, at C-terminalen har en strækning, der buler ud, hvor det C-terminale domæne møder transmembrandomænet.5 Denne spiralstrækning, der forbinder de to, har en højere grad af fleksibilitet end de andre dele, der potentielt spiller en rolle under kanalens åbning.5 der er stadig meget forskning, der skal udføres for fuldt ud at forstå funktionaliteten af det C-terminale domæne. En foreslået funktion af domænet er, at det kan tjene som en receptor for et uidentificeret plasmatisk aktivatorprotein eller ligand, men andre hævder, at der ikke er nogen signifikant effekt på gennemtrængningsvejen for ionen. Strukturen indeholder endnu ikke orientering af nogen sidekæder, men arrangementet af helices antyder elektrostatiske interaktioner i underenheden.6 figur 3 viser, hvordan det cytoplasmatiske domæne sammenligner mellem en åben kanal vs. en lukket kanal med to bakteriekanaler.7 resten af papiret vil fokusere på det transmembrane domæne, der vælger for kalium.
figur 3. Det transmembrane domæne. Hver underenhed er farvet forskelligt, og kaliumionerne er lilla. FBF 1BL8.
selektiviteten for kaliumioner er stærkt afhængig af strukturen af kaliumkanalens selektivitetsfilter. Kanalens koordinationsmiljø har selektive ligander, der binder specifikt til kaliumioner.8 kaliumkanalproteinet er en tetramer, der indeholder fire identiske underenheder, der danner en central pore.8-9 ionerne strømmer ind i en pore, der åbner og lukker, og leder ionerne til det centrale hulrum. Underenhederne indeholder to alfa-spiraler, hvor den ene vender mod den centrale pore, indre spiral, og den ene vender mod lipidmembranen, ellers kendt som den ydre spiral.3 sammen med de indre og ydre spiraler inkluderer hver underenhed en porespiral.3,8 underenhederne vippes, som det ses i figur 3, Hvor selektivitetsfilteret ligger nær membranens ekstracellulære overflade. De fire indre spiraler er struktureret på en måde, hvor de kommer sammen nær den intracellulære overflade. Både de intra – og ekstracellulære indgange er negativt ladet af sure aminosyrer. Dette muliggør en højere koncentration af kationer nær membranen og mindre anioner på grund af de modsatte ladninger.8
figur 4. Kaliumkanal (KcsA struktur fra Streptomyces lividans) med vigtige strukturelle komponenter mærket. De vigtigste aspekter at bemærke er pore, hulrum og selektivitetsfilter (SF). Dette er de dele af kanalen, hvor kaliumioner rejser igennem. Først strømmer ionen gennem porerne og kommer ind i hulrummet hydreret, når porerne er åbne. Derefter dehydreres en kaliumion og vælges til at rejse gennem SF, hvor den derefter kommer ind i cellen. Bemærk, at kun to underenheder vises i dette billede for lettere visualisering. PBD 1K4C.
poreområdet blev først identificeret med poreblokerende skorpiontoksiner. De interagerer med aminosyrer ved indgangen til porerne, hvilket forårsager blokering og dysfunktion. Poren er, hvor kaliumionen kommer ind, hvor den derefter overføres til det centrale hulrum, som det ses i figur 4. I løbet af denne tid forbliver kaliumionen hydreret.8 den intracellulære pore er funktionen af kanalen, der tillader kaliumioner at komme ind i cellen, når den er åben, eller blokeres fra at komme ind, når den lukkes. Kanalerne åbnes, når der er en ændring i membranpotentialet, hvilket tillader en tilstrømning af kaliumioner i hulrumsfilteret. Når selektiv binding forekommer i selektivitetsfilteret, falder potentialet over membranen og lukker således porerne.1 porerne og hulrummet er hydrofobisk foret, hvilket gør det muligt at sænke elektrostatisk barriere. Der skal være en lavere elektrostatisk barriere, så de energiske omkostninger ved dehydrering kompenseres på grund af den store energibarriere for ionpermeation (dielektrisk barriere). Således giver det vandfyldte hulrum mulighed for et energisk gunstigt miljø.3,8,10,11
figur 5. Binding af kaliumioner (lilla) til specifikke ligander af rygraden O ‘ er af Thr 75, Val 76, Gly 77og Tyr 78. Den fulde koordinering vises ikke her for lettere visualisering. Gengivet fra Samsom.11
Dernæst skal ionerne vælges i selektivitetsfilteret (SF), som er foret med polære hovedkædeatomer, der hører til aminosyrer. SF er så smal, at ionerne først skal dehydreres, inden de kommer ind i den. Der er to væsentlige funktioner i SF. For det første skaber hovedkædeatomerne passende dimensioner til koordinering af en dehydreret kaliumion ved stabling, hvilket gør sekventielle iltringe. Dette skaber en meget lille afstand, som kaliumionen skal rejse for at nå hvert sted, mens du rejser gennem filteret. Dette danner en sekvens af fire kubiske ottefoldige koordinationssteder, som det ses i figur 6.3,8 til enhver tid er disse steder optaget af to K+-ioner og to vandmolekyler i en vekslende sekvens det andet træk er proteinpakningen omkring SF, som følger en sekvens af T-V-G-Y-g, vist i figur 5.9 ledning kan derefter forekomme, når to kaliumioner kommer ind i SF, hvilket forårsager en balance mellem attraktiv kraft, der opstår fra SF til ionen med den frastødende kraft, der opstår mellem de to kaliumioner.8 Denne frastødning hjælper kaliumioner med at overvinde sin iboende affinitet til binding tæt til bindingsstederne.3 yderligere diskussion af udvælgelsesmekanismen vil blive diskuteret nedenfor.
figur 6. Et eksempel på en kaliumion (lilla) på et ottefoldigt koordinationssted. Binding nummereret for lettere visualisering.