KcsA-kanal: struktur
detta dokument kommer att fokusera på KcsA, en kaliumkanal från Streptomyces lividans, som innehåller två domäner. Den första är transmembrandelen, som innehåller 120 rester. Detta kommer att diskuteras i detalj nedan. Den andra domänen är en cytoplasmatisk domän som innehåller cirka 40 rester. Den cytoplasmiska domänen bidrar till stabiliteten i det stängda tillståndet. Detta avslutas baserat på data som visar en minskning av effektiviteten hos kanalvikning och montering och termisk stabilitet som påverkar när den cytoplasmiska domänen avlägsnas från kristallstrukturen.5 som framgår av Figur 2 är den vattenfyllda C-terminala cytoplasmatiska domänen 4-helixbuntstruktur som sträcker sig linjärt mot cytoplasman.5-6 det har visats av elektronparamagnetisk resonans, EPR, data som produceras av Uysal, att C-terminalen har en sträcka som buktar ut där C-terminaldomänen möter transmembrandomänen.5 Denna spiralsträcka som förbinder de två har en högre grad av flexibilitet än de andra delarna som potentiellt spelar en roll under kanalens öppning.5 det finns fortfarande mycket forskning som måste genomföras för att fullt ut förstå funktionaliteten hos C-terminaldomänen. En föreslagen funktion av domänen är att den kan fungera som en receptor för ett oidentifierat plasmiskt aktivatorprotein eller ligand, men andra hävdar att det inte finns någon signifikant effekt på permeationsvägen för Jonen. Strukturen innehåller ännu inte orientering av några sidokedjor, men arrangemanget av spiralerna föreslår elektrostatiska interaktioner i underenheten.6 figur 3, visar hur den cytoplasmiska domänen jämförs mellan en öppen kanal vs. en sluten kanal med två bakteriekanaler.7 resten av papperet kommer att fokusera på transmembrandomänen som väljer kalium.
Figur 3. Transmembrandomänen. Varje underenhet är färgad annorlunda och kaliumjonerna är lila. PDB 1BL8.
selektiviteten för kaliumjoner är starkt beroende av strukturen hos kaliumkanalselektivitetsfiltret. Kanalens koordinationsmiljö har selektiva ligander som binder specifikt till kaliumjoner.8 kaliumkanalproteinet är en tetramer som innehåller fyra identiska underenheter som bildar en central pore.8-9 jonerna strömmar in i en pore som öppnar och stänger, vilket leder jonerna till det centrala hålrummet. Underenheterna innehåller två alfa-helixer där man vetter mot den centrala poren, den inre spiralen och en vetter mot lipidmembranet, annars känt som den yttre spiralen.3 tillsammans med de inre och yttre spiralerna innehåller varje underenhet en porhelix.3,8 underenheterna lutas, såsom ses i Figur 3, där selektivitetsfiltret ligger nära membranets extracellulära yta. De fyra inre spiralerna är strukturerade på ett sätt där de samlas nära den intracellulära ytan. Både intra-och extracellulära ingångar laddas negativt av sura aminosyror. Detta möjliggör en högre koncentration av katjoner nära membranet och mindre anjoner på grund av de motsatta laddningarna.8
Figur 4. Kaliumkanal (KcsA-struktur från Streptomyces lividans) med viktiga strukturella komponenter märkta. De viktigaste aspekterna att notera är pore, cavity och selectivity filter (SF). Dessa är de delar av kanalen där kaliumjoner färdas genom. För det första strömmar Jonen genom poren och går in i håligheten hydratiserad när poren är öppen. Sedan dehydreras en kaliumjon och väljs för att resa genom SF där den sedan kommer in i cellen. Observera att endast två underenheter visas i den här bilden för enklare visualisering. PBD 1K4C.
porregionen identifierades först med porblockerande skorpiontoxiner. De interagerar med aminosyror vid ingången till porerna och orsakar blockering och dysfunktion. Poren är där kaliumjonen kommer in, där den sedan överförs till det centrala hålrummet, vilket ses i Figur 4. Under denna tid förblir kaliumjonen hydratiserad.8 den intracellulära poren är funktionen hos kanalen som tillåter kaliumjoner att komma in i cellen när den är öppen eller blockeras från att komma in när den är stängd. Kanalerna öppnas när det finns en förändring i membranpotentialen, vilket möjliggör en tillströmning av kaliumjoner i kavitetsfiltret. När selektiv bindning sker i selektivitetsfiltret sjunker potentialen över membranet och stänger därmed porerna.1 poren och kaviteten är hydrofobiskt fodrade, vilket möjliggör förmågan att sänka elektrostatisk barriär. Det måste finnas en lägre elektrostatisk barriär så att den energiska kostnaden för uttorkning kompenseras på grund av den stora energibarriären för jonpermeation (dielektrisk barriär). Således möjliggör det vattenfyllda hålrummet en energiskt gynnsam miljö.3,8,10,11
Figur 5. Bindning av kaliumjoner (lila) till specifika ligander av ryggraden O i Thr 75, Val 76, Gly 77 och Tyr 78. Den fullständiga samordningen visas inte här för enklare visualisering. Återges från Samsom.11
därefter måste jonerna väljas i selektivitetsfiltret (SF), som är fodrat med polära huvudkedjatomer som tillhör aminosyror. SF är så smal att jonerna först måste dehydreras innan de går in i den. Det finns två viktiga funktioner i SF. För det första skapar huvudkedjans atomer lämpliga dimensioner för att samordna en dehydratiserad kaliumjon genom stapling, vilket gör sekventiella syreringar. Detta skapar ett mycket litet avstånd som kaliumjonen måste resa för att nå varje plats när du reser genom filtret. Detta bildar en sekvens av fyra kubiska åttafaldiga koordinationsställen, vilket ses i Figur 6.3,8 när som helst upptas dessa platser av två K+-joner och två vattenmolekyler i en alternerande sekvens den andra egenskapen är proteinförpackningen runt SF, som följer en sekvens av T-V-G-Y-G, som visas i Figur 5.9 ledning kan då inträffa när två kaliumjoner kommer in i SF, vilket orsakar en balans mellan attraktiv kraft som uppstår från SF till Jonen med den repulsiva kraften som uppstår mellan de två kaliumjonerna.8 denna repulsion hjälper kaliumjoner att övervinna sin inneboende affinitet för bindning tätt till bindningsställena.3 ytterligare diskussion om urvalsmekanismen kommer att diskuteras nedan.
Figur 6. Ett exempel på en kaliumjon (lila) i en åttafaldig samordningsplats. Bindning numrerad för enklare visualisering.