canal KcsA: structura
această lucrare se va concentra pe KcsA, un canal de potasiu din Streptomyces lividans, care conține două domenii. Prima fiind porțiunea transmembranară, care conține 120 de reziduuri. Acest lucru va fi discutat în detaliu mai jos. Al doilea domeniu este un domeniu citoplasmatic care conține aproximativ 40 de reziduuri. Domeniul citoplasmatic contribuie la stabilitatea stării închise. Acest lucru se concluzionează pe baza datelor care arată o scădere a eficienței plierii și asamblării canalului și stabilitatea termică fiind afectată atunci când domeniul citoplasmatic este îndepărtat din structura cristalină.5 După cum se vede în Figura 2, domeniul citoplasmatic C-terminal umplut cu apă este structura mănunchiului 4-helix care se extinde liniar spre citoplasmă.5-6 s-a demonstrat prin rezonanță paramagnetică electronică, EPR, date produse de Uysal, că terminalul C are o întindere care se umflă acolo unde domeniul C-terminal întâlnește domeniul transmembranar.5 această porțiune de helix care leagă cele două are un grad mai mare de flexibilitate decât celelalte părți care joacă un rol potențial în timpul deschiderii canalului.5 există încă multe cercetări care trebuie efectuate pentru a înțelege pe deplin funcționalitatea domeniului C-terminal. O funcție sugerată a domeniului este că poate servi ca receptor pentru un activator plasmic neidentificat proteină sau ligand, dar alții susțin că nu există un efect semnificativ asupra căii de permeație pentru ion. Structura nu conține încă orientarea oricăror lanțuri laterale, dar dispunerea elicelor sugerează interacțiuni electrostatice în subunitate.6 Figura 3, demonstrează modul în care domeniul citoplasmatic se compară între un canal deschis vs.un canal închis cu două canale de bacterii.7 restul lucrării se va concentra pe domeniul transmembranar care selectează potasiul.
Figura 3. Domeniul transmembranar. Fiecare subunitate este colorată diferit, iar ionii de potasiu sunt purpurii. PPB 1BL8.
selectivitatea ionilor de potasiu se bazează în mare măsură pe structura filtrului de selectivitate a canalului de potasiu. Mediul de Coordonare al canalului are liganzi selectivi care se leagă în mod specific de ionii de potasiu.8 proteina canalului de potasiu este un tetramer, care conține patru subunități identice care formează un por central.8-9 ionii curg într-un por care se deschide și se închide, direcționând ionii către cavitatea centrală. Subunitățile conțin două helice alfa în care una se confruntă cu porul central, helixul interior și una se confruntă cu membrana lipidică, altfel cunoscută sub numele de helix exterior.3 împreună cu spiralele interioare și exterioare, fiecare subunitate include o spirală a porilor.3,8 subunitățile sunt înclinate, așa cum se vede în Figura 3, unde filtrul de selectivitate este aproape de suprafața extracelulară a membranei. Cele patru spirale interioare sunt structurate într-un mod în care se reunesc în apropierea suprafeței intracelulare. Atât intrările intra-cât și cele extracelulare sunt încărcate negativ de aminoacizii acizi. Acest lucru permite o concentrație mai mare de cationi în apropierea membranei și mai puțini anioni din cauza sarcinilor opuse.8
Figura 4. Canal de potasiu (structura KcsA din Streptomyces lividans) cu componente structurale cheie etichetate. Principalele aspecte de remarcat sunt filtrul de pori, cavitate și selectivitate (SF). Acestea sunt părțile canalului prin care călătoresc ionii de potasiu. În primul rând, ionul curge prin POR și intră în cavitatea hidratată atunci când porul este deschis. Apoi, un ion de potasiu este deshidratat și selectat pentru a călători prin SF, unde va intra apoi în celulă. Rețineți că în această imagine sunt afișate doar două subunități pentru o vizualizare mai ușoară. PBD 1K4C.
Regiunea porilor a fost identificată pentru prima dată cu toxine scorpion care blochează porii. Ei interacționează cu aminoacizii la intrarea porilor provocând blocarea și disfuncția. Porul este locul în care intră ionul de potasiu, unde apoi este transferat în cavitatea centrală, așa cum se vede în Figura 4. În acest timp, ionul de potasiu rămâne hidratat.8 porul intracelular este caracteristica canalului care permite ionilor de potasiu să intre în celulă atunci când este deschisă sau să fie blocată să intre când este închisă. Canalele se deschid atunci când există o schimbare a potențialului membranei, permițând un aflux de ioni de potasiu în filtrul cavității. Odată ce legarea selectivă are loc în filtrul de selectivitate, potențialul scade peste membrană, închizând astfel porii.1 porul și cavitatea sunt căptușite hidrofob, permițând capacitatea de a reduce bariera electrostatică. Trebuie să existe o barieră electrostatică mai mică, astfel încât costul energetic al deshidratării să fie compensat datorită barierei energetice mari pentru permeația ionilor (bariera dielectrică). Astfel, cavitatea umplută cu apă permite un mediu favorabil energetic.3,8,10,11
Figura 5. Legarea ionilor de potasiu (violet) la liganzi specifici de către coloana vertebrală O a Thr 75, Val 76, Gly 77 și Tyr 78. Coordonarea completă nu este prezentată aici pentru o vizualizare mai ușoară. Reprodus de la Samsom.11
apoi, ionii trebuie selectați în filtrul de selectivitate (SF), care este căptușit cu atomi de lanț principal polar care aparțin aminoacizilor. SF este atât de îngust încât ionii trebuie mai întâi deshidratați înainte de a intra în el. Există două caracteristici esențiale în SF. În primul rând, atomii principali ai lanțului creează dimensiuni adecvate pentru coordonarea unui ion de potasiu deshidratat prin stivuire, făcând astfel inele secvențiale de oxigen. Acest lucru creează o distanță foarte mică pe care ionul de potasiu trebuie să o parcurgă pentru a ajunge la fiecare loc în timp ce călătorește prin filtru. Aceasta formează o secvență de patru situri de coordonare cubice de opt ori, așa cum se vede în Figura 6.3,8 în orice moment, aceste situri sunt ocupate de doi ioni K+ și două molecule de apă într-o secvență alternativă a doua caracteristică este ambalarea proteinei în jurul SF, care urmează o secvență de T-V-G-Y-G, prezentată în figura 5.9 conducerea poate apărea atunci când doi ioni de potasiu intră în SF, provocând un echilibru între forța atractivă care apare de la SF la ion cu forța respingătoare care apare între cei doi ioni de potasiu.8 această repulsie ajută ionii de potasiu să-și depășească afinitatea intrinsecă pentru legarea strânsă de locurile de legare.3 discutarea ulterioară a mecanismului de selecție va fi discutată mai jos.
Figura 6. Un exemplu de Ion de potasiu (violet) într-un situs de coordonare de opt ori. Legarea numerotată pentru o vizualizare mai ușoară.