Как ионные каналы транспортируют только определенные ионы?

Я ограничиваю ответ только$Na^+$а также$K^+$каналы, предполагая аналогичный механизм для других каналов. В этих двух каналах такой высокий уровень специфичности достигается благодаря двум основным различиям между$Na^+$а также$K^+$:

• разница в размере$Na^+$а также$K^+$ионы.

• разница в химических свойствах$Na^+$а также$K^+$ионы.

Давайте обсудим эти пункты один за другим:

1. Разница в ионном размере: ионный размер$Na^+$ион 0,96$\overset{\circ}{A}$в то время как$K^+$ион 1,33$\overset{\circ}{A}$. Как эта разница в размерах 0,38$\overset {\circ}{A}$используется каналами, будет обсуждаться в следующем разделе.

источник

2. Различие в химических свойствах: здесь нас интересует энтальпия гидратации.$Na^+$ион имеет энтальпию гидратации, чем$K^+$ион, значение$Na^+$имеет более высокую склонность оставаться связанными с молекулами воды, чем$K^+$. Как эта разница в энтальпии используется каналами, будет обсуждаться в следующем разделе.

   источник

Я буду обсуждать различные методы, используемые этими каналами по одному.

1. $Na^+$каналы: $Na^+$каналы менее изучены, чем$K^+$каналов, но некоторые из используемых механизмов известны и поясняются ниже:

   • $Na^+$ионы проходят через каналы в частично гидратированной форме ¹ , и эти каналы имеют 2 кольца селективных фильтров ² у млекопитающих.

   • Первое (внешнее) кольцо содержит аминокислоты EEDD (или EEMD) ³ , тогда как второе (внутреннее) кольцо содержит аминокислоты DEKA ⁴ . Как эти аминокислоты связываются со специфическими$Na^+$ионов еще не полностью известно, но предполагается, что внутреннее кольцо, будучи более консервативным, более важно как фильтр, чем внешнее кольцо. Кроме того, было показано, что изменение аминокислоты К в DEKA делает канал более проницаемым для$K^+$а также$Ca^{2+}$ионы, а изменение последовательности с DEKA на EEEE делает канал более избирательным по отношению к$Ca^{2+}$ионы ⁵ .

   • $K^+$ион в гидратированной форме не может пройти через внутренний фильтр из-за большего размера и наличия отрицательно заряженных D и E ДЭКА, тогда как$Na^+$легко проходит за счет меньшего размера и более высокой энтальпии гидратации ⁶ .

   

Отрицательный заряд в канале таков, что он имитирует гидратную оболочку (правильный октаэдр)$Na^+$со стороны

источник (1) источник (2)

2. $K^+$каналы: $K^+$каналы изучены более интенсивно, поэтому их механизм гораздо более понятен. Основные моменты для размышления следующие:

   • Фильтр$K^+$канал содержит аминокислоты TVGYG ⁷ и присутствует в самой узкой области канала.

   • Чтобы пройти этот канал,$K^+$ион должен быть полностью обезвожен, то есть без какой-либо связанной с ним молекулы воды. Аминокислоты в фильтре заменяют молекулы воды полярными атомами кислорода. С другой стороны,$Na^+$не может так легко избавиться от молекул воды и, следовательно, ее прохождение через канал термодинамически невыгодно ⁸ , отчасти также из-за обезвоживания$Na^+$настолько мал, что не может даже соединиться со всеми полярными атомами кислорода аминокислот.

   • Здесь природа показывает несколько хитрых приемов. Аминокислоты TVGYG, электроотрицательные карбонильные атомы кислорода которых выровнены по направлению к центру поры фильтра, образуют квадратную антипризму, подобную водосольватирующей оболочке вокруг каждого участка связывания калия. Расстояние между карбонильными атомами кислорода и ионами калия в местах связывания селективного фильтра такое же, как между атомами кислорода воды в первой гидратной оболочке и ионом калия в водном растворе, что обеспечивает энергетически выгодный путь десольватации ионов. ⁹ .

Вот как проходит прохождение$K^+$ион через$K^+$канал выглядит так: источник

Карбонильные атомы кислорода имитируют эту конфигурацию, поскольку именно так$K^+$выглядит в гидратированном виде (квадратная антипризма): источник

PS по мере проведения более глубоких исследований может быть выявлено больше механизмов. Кроме того, вышеупомянутые пункты являются просто теориями, а не убедительными доказательствами.

Использованная литература:

1. Хилле, Б. Проницаемость натриевых каналов для органических катионов в миелинизированных нервах. J. Gen. Physiol. 58, 599–619 (1971).

2. Гай Х.Р., Ситарамулу П. Молекулярная модель натриевого канала с потенциалом действия. Proc Natl Acad Sci USA. 1986; 83: 508–512.

3. McNulty, MM, Edgerton, GB, Shah, RD, Hanck, DA, Fozzard, HA and Lipkind, GM (2007), Заряд в остатке Phe-1759 в месте связывания лидокаина влияет на проникновение в потенциалзависимые натриевые каналы сердца человека. Журнал физиологии, 581: 741–755. doi:10.1113/jphysiol.2007.130161

4. Фавр И., Мочидловски Э. и Шильд Л. На структурной основе ионной селективности между Na+, K+ и Ca2+ в потенциалзависимом натриевом канале. Биофиз J 71, 3110–3125 (1996).

5. Характеристики кальциевого канала, переданные натриевому каналу в результате одиночных мутаций. Хайнеманн С.Х., Терлау Х., Штюмер В., Имото К., Нума С. 2 апреля 1992 г.; 356 (6368): 441-3.

6. Механизм проникновения ионов и селективность в потенциалозависимом натриевом канале. Бен Корри и Майкл Томас

7. Химия координации и гидратации ионов, выявленная$K^+$комплекс канал-Fab с разрешением 2,0 Å, Юфэн Чжоу, Жоао Х. Мораис-Кабрал, Амелия Кауфман и Родерик Маккиннон

8. Механизм селективности калиевых каналов, выявленный$Na^+$а также$Li^+$сайты связывания внутри поры KcsA. Амир Н. Томпсон, Илсу Ким, Тимоти Д. Паносян, Тина М. Айверсон, Тоби В. Аллен и Крина М. Нимиджин

9. Сравнение двух прокариотических калиевых каналов (KirBac1.1 и KcsA) в исследовании моделирования молекулярной динамики (МД); Микко Хеллгрена, Ларс Сандберг, Олле Эдхольм, 1 марта 2006 г.