Введение
Ионный канал, избирательно пропускающий K+
Калийные каналы – наиболее распространенный тип ионных каналов, встречающийся практически во всех организмах. Они формируют калий-селективные поры, пронизывающие клеточные мембраны. Калийные каналы обнаруживаются в большинстве типов клеток и регулируют широкий спектр клеточных функций.
Функция
Калийные каналы функционируют, проводя ионы калия по электрохимическому градиенту, делая это быстро (вплоть до скорости диффузии ионов K+ в воде) и селективно (исключая, в частности, натрий, несмотря на разницу в ионном радиусе менее ангстрема). Биологически эти каналы участвуют в установлении или восстановлении потенциала покоя во многих клетках. В возбудимых клетках, таких как нейроны, замедленное обратное течение ионов калия формирует потенциал действия. Участвуя в регуляции продолжительности сердечного потенциала действия в сердечной мышце, нарушение функции калийных каналов может вызывать опасные для жизни аритмии. Калийные каналы также могут быть вовлечены в поддержание тонуса сосудов. Они также регулируют клеточные процессы, такие как секреция гормонов (например, высвобождение инсулина из бета-клеток поджелудочной железы), поэтому их дисфункция может приводить к заболеваниям (таким как диабет). Некоторые токсины, такие как дендротоксин, обладают высокой токсичностью, поскольку блокируют калийные каналы.
Структура
Калийные каналы имеют тетрамерную структуру, в которой четыре идентичных белковых субъединицы объединяются, образуя четырёхкратно симметричный (C4) комплекс, расположенный вокруг центральной ионпроводящей поры (то есть гомотетрамер). В качестве альтернативы, четыре родственных, но не идентичных белковых субъединицы могут объединяться, формируя гетеротетрамерные комплексы с псевдо-C4-симметрией. Все субъединицы калийных каналов обладают характерной структурой пористой петли, которая выстилает верхнюю часть поры и обеспечивает калий-селективную проницаемость. Существует более 80 генов млекопитающих, кодирующих субъединицы калийных каналов. Однако калийные каналы, обнаруженные у бактерий, являются одними из наиболее изученных ионных каналов с точки зрения их молекулярной структуры. С помощью рентгеновской кристаллографии были получены глубокие знания о том, как ионы калия проходят через эти каналы, и почему (меньшие) ионы натрия не проходят. Нобелевская премия по химии 2003 года была присуждена Роду Маккиннону за его новаторские работы в этой области.
Фильтр селективности
Калий-ионные каналы удаляют гидратационную оболочку из иона при его попадании в фильтр селективности. Фильтр селективности формируется последовательностью из пяти аминокислотных остатков – TVGYG, называемой сигнатурной последовательностью, в каждой из четырех субъединиц. Эта сигнатурная последовательность расположена в петле между α-спиралью поры и TM2/6, исторически называемой P-петлей. Эта последовательность высококонсервативна, за исключением того, что остаток валина в прокариотических калийных каналах часто замещается остатком изолейцина в эукариотических каналах. Эта последовательность принимает уникальную конформацию основной цепи, структурно аналогичную структурному мотиву "гнезда". Четыре группы электроотрицательных атомов карбонильного кислорода ориентированы к центру фильтрующего пора и образуют квадратную антипризму, подобную водной сольватной оболочке вокруг каждого участка связывания калия. Расстояние между атомами карбонильного кислорода и ионами калия в участках связывания фильтра селективности соответствует расстоянию между атомами кислорода воды в первой гидратационной оболочке и ионом калия в водном растворе, обеспечивая энергетически выгодный путь для десольватации ионов. Однако ионы натрия слишком малы, чтобы заполнить пространство между атомами карбонильного кислорода. Таким образом, для ионов натрия энергетически выгоднее оставаться связанными с молекулами воды во внеклеточном пространстве, чем проходить через калий-селективный ионный канал. Эта ширина, по-видимому, поддерживается водородными связями и силами Ван-дер-Ваальса в слое ароматических аминокислотных остатков, окружающих фильтр селективности. Фильтр селективности открывается к внеклеточному раствору, обнажая четыре атома карбонильного 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 формирует пору, соединяющую полость, заполненную водой в центре белка, с внеклеточным раствором. Теоретические модели ионного связывания, термодинамические расчеты, топологические соображения и структурные различия между селективными и неселективными каналами. Механизм ионной транслокации в KcsA был всесторонне изучен с помощью теоретических расчетов и моделирования. Предсказание механизма ионной проводимости, в котором ключевую роль играют два состояния двойной занятости (S1, S3) и (S2, S4), было подтверждено обоими методами. Молекулярно-динамическое (МД) моделирование предполагает, что два внеклеточных состояния, Sext и S0, отражающие вход и выход ионов из фильтра, также являются важными участниками ионной проводимости.
Гидрофобная область
Эта область нейтрализует окружающую среду вокруг иона калия, чтобы он не испытывал притяжения к каким-либо зарядам. Это, в свою очередь, ускоряет реакцию.
Центральная полость
Центральное отверстие шириной 10 Å расположено вблизи центра трансмембранного канала, где энергетический барьер для проходящего иона максимален из-за гидрофобности стенок канала. Водозаполненная полость и полярный C-конец спиралей, формирующих пору, снижают энергетический барьер для иона. Считается, что отталкивание от предшествующих ионов калия способствует прохождению ионов. Наличие полости можно интуитивно понять как один из механизмов канала для преодоления диэлектрического барьера или отталкивания со стороны мембраны с низкой диэлектрической проницаемостью, поддерживая ион K+ в водной среде с высокой диэлектрической проницаемостью.
Регулирование
Поток ионов через поры калийного канала регулируется двумя взаимосвязанными процессами, называемыми открытием/закрытием (гейтингом) и инактивацией. Гейтинг – это открытие или закрытие канала в ответ на стимулы, в то время как инактивация – это быстрое прекращение тока через открытый калийный канал и подавление способности канала возобновить проводимость. Хотя оба процесса служат для регулирования проводимости канала, каждый из них может быть опосредован различными механизмами. Как правило, считается, что гейтинг опосредован дополнительными структурными доменами, которые воспринимают стимулы и, в свою очередь, открывают пору канала. Эти домены включают RCK-домены BK-каналов и домены датчиков напряжения вольтаж-зависимых K⁺-каналов. Считается, что эти домены реагируют на стимулы, физически открывая внутриклеточные ворота порного домена, тем самым позволяя ионам калия проходить через мембрану. Некоторые каналы имеют несколько регуляторных доменов или вспомогательных белков, которые могут модулировать ответ на стимул. Хотя механизмы продолжают обсуждаться, известны структуры ряда этих регуляторных доменов, включая RCK-домены прокариотических и эукариотических циклических нуклеотидных доменов гейтинга, а также вольтаж-зависимые калийные каналы. Инактивация N-типа обычно является более быстрым механизмом инактивации и называется моделью "шарик и цепь". N-типа инактивация включает взаимодействие N-конца канала или ассоциированного белка, который взаимодействует с порным доменом и блокирует путь ионной проводимости, подобно "шарику". В качестве альтернативы, считается, что C-типа инактивация происходит внутри самого селективного фильтра, где структурные изменения в фильтре делают его непроводимым. Существует ряд структурных моделей C-типа инактивированных K⁺-канальных фильтров, хотя точный механизм остается неясным.
Блокаторы
Блокаторы калийных каналов ингибируют поток ионов калия через канал. Они либо конкурируют со связыванием калия в фильтре селективности, либо связываются за пределами фильтра, блокируя ионную проводимость. Примером таких конкурентов являются ионы четвертичного аммония, которые связываются с внеклеточной поверхностью или центральной полостью канала. Блокировка из центральной полости ионами четвертичного аммония также известна как блокировка открытого канала, поскольку связывание обычно требует предварительного открытия цитоплазматического ворота. Ионы бария также могут блокировать токи калийных каналов, связываясь с высокой аффинностью в фильтре селективности. Считается, что такое прочное связывание лежит в основе токсичности бария, ингибируя активность калийных каналов в возбудимых клетках. В медицине блокаторы калийных каналов, такие как 4-аминопиридин и 3,4-диаминопиридин, изучались для лечения заболеваний, таких как рассеянный склероз. Нежелательные побочные эффекты лекарств могут приводить к лекарственно-индуцированному синдрому удлиненного интервала QT – потенциально угрожающему жизни состоянию. Чаще всего это связано с воздействием на калийный канал hERG в сердце. Соответственно, все новые лекарственные препараты проходят доклинические испытания на предмет сердечной безопасности.
Калийный канал мускариновый
Некоторые типы калийных каналов активируются мускариновыми рецепторами и называются мускариновыми калийными каналами (IKACh). Эти каналы являются гетеротетрамером, состоящим из двух субъединиц GIRK1 и двух субъединиц GIRK4. Примером служат калийные каналы в сердце, которые при активации парасимпатическими сигналами через М2 мускариновые рецепторы вызывают отток калия, что приводит к замедлению сердечного ритма.
В изобразительном искусстве
Родерик Маккиннон заказал скульптуру «Рождение идеи» высотой 1,5 метра (2 м), основанную на калийном канале KcsA. В произведении искусства представлен объект из проволоки, изображающий внутреннюю часть канала, и объект из выдутого стекла, изображающий основную полость структуры канала.