Войти
Калиевый канал Kv1.2, структура в мембраноподобной среде. Расчетные углеводородные границы липидного бислоя обозначены красными и синими линиями. Калиевые каналы являются наиболее широко распространенным типом ионных каналов и встречаются практически во всех живые организмы. Они образуют калий селективные поры, которые охватывают клеточные мембраны. Калиевые каналы присутствуют в большинстве типов ячеек и управляют широким спектром функций ячеек.
Калиевые каналы функционируют, проводя ионы калия вниз по их электрохимическому градиенту, при этом одновременно быстро (до скорости диффузии ионов К в объемной воде) и селективно (за исключением, в первую очередь, натрия, несмотря на суб-ангстрема разницу в ионном радиусе). Биологически эти каналы действуют для установки или сброса потенциала покоя во многих клетках. В возбудимых клетках, таких как нейроны, задержанный противоток ионов калия формирует потенциал действия.
, внося свой вклад в регулирование продолжительности потенциала действия в сердечная мышца, нарушение работы калиевых каналов может вызвать опасные для жизни аритмии. Калиевые каналы также могут участвовать в поддержании тонуса сосудов.
Они также регулируют клеточные процессы, такие как секреция гормонов (например, высвобождение инсулина из бета-клеток в поджелудочной железе ), поэтому их неисправность может привести к заболеваниям (например, диабетом ).
В одном исследовании, проведенном Ремом и Лаздунски, было показано, что калиевые каналы влияют на токсины, в частности, на дендротоксин. Дендротоксин - это нейротоксин, выделенный из яда Dendroaspis. змеи. Предыдущие исследования показали, что блокирование канала K + влияет на действие токсинов, поэтому исследователи Рем и Лаздунски провели исследование, чтобы показать, связан ли канал K + с сайтом связывания дендротоксина I. Они пришли к выводу, что Чувствительный к дендротоксину K + канал, взятый из головного мозга крысы, представляет собой мультимерный белок, состоящий из полипептидных цепей Mr 76 000–80 000 и 38 000.
Существует четыре основных класса калиевых каналов:
Следующая таблица содержит сравнение основных классов калиевых каналов с репрезентативными примерами (для полного списка каналов в каждом классе см. соответствующие страницы классов).
Для получения дополнительных примеров фармакологических модуляторов калиевых каналов см. блокатор калиевых каналов и открыватель калиевых каналов.
| Класс | Подклассы | Функция | Блокаторы | Активаторы |
|---|---|---|---|---|
| Активированные кальцием. 6T 1 P |
|
|
| |
| Внутреннее исправление. 2T 1 P |
|
|
| |
|
| |||
|
| |||
| Тандемный домен пор. 4T и 2 P |
|
| ||
| напряжением-gated. 6T 1 P |
|
|
вид сверху калиевого канала с движущимися ионами калия (фиолетовый) через пору (в центре). (PDB : 1BL8 )Калиевые каналы имеют тетрамерную структуру, в которой четыре идентичные белковые субъединицы связаны с образованием четырехчастного симметричного (C4 ) комплекса, расположенного вокруг центральной ионопроводящей поры (т.е. гомотетрамера). Альтернативно, четыре связанных b Но неидентичные белковые субъединицы могут ассоциироваться с образованием гетеротетрамерных комплексов с псевдосимметрией C 4. Все субъединицы калиевых каналов имеют характерную структуру петли поры, которая выстилает верхнюю часть поры и отвечает за селективную проницаемость для калия.
Существует более 80 генов млекопитающих, которые кодируют субъединицы калиевого канала. Однако калиевые каналы, обнаруженные у бактерий, являются одними из наиболее изученных ионных каналов с точки зрения их молекулярной структуры. Используя рентгеновскую кристаллографию, было получено глубокое понимание того, как ионы калия проходят через эти каналы и почему (меньшие) ионы натрия нет. Нобелевская премия по химии 2003 г. была присуждена Роду Маккиннону за его новаторские работы в этой области.
Кристаллографическая структура бактерии Калиевый канал KcsA (PDB : 1K4C ). На этом рисунке для ясности показаны только две из четырех субъединиц тетрамера. Белок отображается в виде зеленой мультяшной диаграммы. Кроме того, отображаются карбонильные группы основной цепи и атомы белка боковой цепи треонина (кислород = красный, углерод = зеленый). Наконец, ионы калия (занимающие позиции S2 и S4) и атомы кислорода молекул воды (S1 и S3) изображены в виде пурпурных и красных сфер соответственно. Каналы для ионов калия удаляют гидратную оболочку иона, когда он входит в селективность фильтр. Фильтр избирательности образован последовательностью из пяти остатков, TVGYG, называемой последовательностью сигнатуры, в каждой из четырех субъединиц. Эта сигнатурная последовательность находится внутри петли между спиралью поры и TM2 / 6, исторически называемой P-петлей. Эта сигнатурная последовательность является высококонсервативной, за исключением того, что остаток валина в прокариотических калиевых каналах часто заменяется остатком изолейцина в эукариотических каналах. Эта последовательность принимает уникальную структуру основной цепи, структурно аналогичную структурному мотиву белка гнезда. Четыре набора электроотрицательных карбонильных атомов кислорода выровнены по направлению к центру поры фильтра и образуют квадратную антипризму, подобную водосольватирующей оболочке, вокруг каждого сайта связывания калия. Расстояние между карбонильными атомами кислорода и ионами калия в местах связывания фильтра селективности такое же, как между атомами кислорода воды в первой гидратной оболочке и ионом калия в водном растворе, обеспечивая энергетически выгодный путь для де- сольватации. ионов. Однако ионы натрия слишком малы, чтобы заполнить пространство между карбонильными атомами кислорода. Таким образом, для ионов натрия энергетически выгодно оставаться связанными с молекулами воды во внеклеточном пространстве, а не проходить через поры для селективных ионов калия. Эта ширина, по-видимому, поддерживается водородными связями и силами Ван-дер-Ваальса внутри листа остатков ароматических аминокислот, окружающего фильтр селективности. Фильтр селективности открывается в направлении внеклеточного раствора, обнажая четыре карбонильных атома кислорода в остатке глицина (Gly79 в KcsA ). Следующим остатком на внеклеточной стороне белка является отрицательно заряженный Asp80 (KcsA). Этот остаток вместе с пятью остатками фильтра образуют пору, которая соединяет заполненную водой полость в центре белка с внеклеточным раствором.
Механизм селективности калиевых каналов остается в рамках продолжающихся дебатов. Карбонильные атомы кислорода сильно отрицательны и привлекательны для катионов. Фильтр может вмещать ионы калия в 4 местах, обычно помеченных от S1 до S4, начиная с внеклеточной стороны. Кроме того, один ион может связываться в полости в месте, называемом SC, или один или несколько ионов на внеклеточной стороне, в более или менее четко определенных сайтах, называемых S0 или Sext. Возможны несколько различных вариантов использования этих участков. Поскольку рентгеновские структуры являются средними по многим молекулам, однако невозможно вывести фактическую заселенность непосредственно из такой структуры. В общем, наличие двух соседних позиций, занятых ионами, связано с электростатическим отталкиванием. Предложения о механизме селективности были сделаны на основе моделирования молекулярной динамики, игрушечных моделей связывания ионов, термодинамических расчетов, топологических соображений и структурных различий между селективными и неселективными каналами.
Механизм ионной транслокации в KcsA широко изучен теоретическими расчетами и моделированием. Предсказание механизма ионной проводимости, в котором два дважды занятых состояния (S1, S3) и (S2, S4) играют существенную роль, было подтверждено обоими методами. Моделирование молекулярной динамики (МД) предполагает, что два внеклеточных состояния, S ext и S 0, отражающие ионы, входящие и выходящие из фильтра, также являются важными участниками ионной проводимость.
Эта область используется для нейтрализации окружающей среды вокруг иона калия, чтобы он не притягивался никакими зарядами. В свою очередь, это ускоряет реакцию.
Центральная пора шириной 10 Å расположена рядом с центром трансмембранного канала, где энергетический барьер является самым высоким для проникающего иона из-за гидрофобности стенки канала.. Заполненная водой полость и полярный С-конец спиралей поры ослабляют энергетический барьер для иона. Считается, что отталкивание предшествующих нескольких ионов калия способствует прохождению ионов. Присутствие полости можно интуитивно понимать как один из механизмов канала для преодоления диэлектрического барьера или отталкивания мембраной с низкой диэлектрической проницаемостью за счет удержания иона K в водной среде с высокой диэлектрической проницаемостью.
Графическое представление открытых и закрытых калиевых каналов (PDB : 1lnq и PDB : 1k4c ). Показаны два простых бактериальных канала для сравнения «открытой» структуры канала справа с «закрытой» структурой слева. Вверху находится фильтр (отбирает ионы калия), а внизу - область стробирования (контролирует открытие и закрытие канала). Поток ионов через поры калиевого канала регулируется двумя взаимосвязанными процессами, называемыми стробирование и отключение. Стробирование - это открытие или закрытие канала в ответ на раздражители, в то время как инактивация - это быстрое прекращение тока из открытого калиевого канала и подавление способности канала возобновлять проводимость. Хотя оба процесса служат для регулирования проводимости канала, каждый процесс может быть опосредован рядом механизмов.
Обычно считается, что стробирование опосредуется дополнительными структурными доменами, которые воспринимают стимулы и, в свою очередь, открывают поры канала. Эти домены включают в себя домены RCK каналов BK и домены датчиков напряжения управляемых напряжением K каналов. Считается, что эти домены отвечают на стимулы, физически открывая внутриклеточные ворота порового домена, тем самым позволяя ионам калия проходить через мембрану. Некоторые каналы имеют несколько регуляторных доменов или дополнительных белков, которые могут модулировать ответ на стимул. В то время как механизмы продолжают обсуждаться, известны структуры ряда этих регуляторных доменов, включая домены RCK прокариотических и эукариотических каналов, рН-зависимый домен KcsA, циклические нуклеотидные гейтирующие домены и потенциал-управляемые калиевые каналы.
Инактивация N-типа обычно является более быстрым механизмом инактивации и называется моделью «шарик и цепь». Инактивация N-типа включает взаимодействие N-конца канала или связанного с ним белка, который взаимодействует с поровым доменом и перекрывает путь ионной проводимости, как «шар». В качестве альтернативы считается, что инактивация C-типа происходит внутри самого фильтра селективности, когда структурные изменения внутри фильтра делают его непроводящим. Существует ряд структурных моделей фильтров с инактивированным K-каналом C-типа, хотя точный механизм остается неясным.
Блокаторы калиевых каналов подавляют поток ионов калия через канал. Они либо конкурируют со связыванием калия внутри селективного фильтра, либо связываются за пределами фильтра, блокируя ионную проводимость. Примером одного из этих конкурентов являются ионы четвертичного аммония, которые связываются на внеклеточной поверхности или в центральной полости канала. Для блокирования из центральной полости ионы четвертичного аммония также известны как блокаторы открытых каналов, поскольку связывание обычно требует предварительного открытия цитоплазматических ворот.
Ионы бария также могут блокировать токи калиевых каналов, связываясь с высоким сродством внутри фильтр селективности. Считается, что это прочное связывание лежит в основе токсичности бария за счет ингибирования активности калиевых каналов в возбудимых клетках.
С медицинской точки зрения блокаторы калиевых каналов, такие как 4-аминопиридин и 3,4-диаминопиридин, были исследованы для лечения таких состояний как рассеянный склероз. Нецелевые эффекты лекарств могут привести к вызванному лекарствами синдрому удлиненного интервала QT, потенциально опасному для жизни состоянию. Чаще всего это происходит из-за воздействия на калиевый канал hERG в сердце. Соответственно, все новые препараты проходят доклинические испытания на сердечную безопасность.
Рождение идеи (2007) Джулиан Восс-Андреэ. Скульптура была заказана Родериком Маккинноном на основе атомных координат молекулы, которые были определены группой Маккиннона в 2001 году. Некоторые типы калиевых каналов активируются мускариновыми рецепторами, а именно: называемые мускариновыми калиевыми каналами (I КАЧ). Эти каналы представляют собой гетеротетрамер, состоящий из двух субъединиц GIRK1 и двух GIRK4. Примерами являются калиевые каналы в сердце, которые при активации парасимпатическими сигналами через мускариновые рецепторы M2 вызывают выходящий ток калия, который замедляет пульс.
Родерик Маккиннон заказал «Рождение идеи», скульптуру высотой 5 футов (1,5 м), основанную на калиевом канале KcsA. Рисунок содержит проволочный объект, представляющий внутреннюю часть канала, с объектом из выдувного стекла, представляющим основную полость структуры канала.
