Wie transportieren Ionenkanäle nur bestimmte Ionen?

Ich beschränke die Antwort auf nur$Na^+$und$K^+$Kanäle, unter der Annahme eines ähnlichen Mechanismus für andere Kanäle. Bei diesen 2 Kanälen wird ein so hohes Maß an Spezifität aufgrund von zwei Hauptunterschieden erreicht$Na^+$und$K^+$:

• Größenunterschied von$Na^+$und$K^+$Ionen.

• Unterschied in den chemischen Eigenschaften von$Na^+$und$K^+$Ionen.

Lassen Sie uns diese Punkte einzeln besprechen:

1. Unterschied in der Ionengröße: die Ionengröße von$Na^+$Ion ist 0,96$\overset{\circ}{A}$während das von$K^+$Ion ist 1,33$\overset{\circ}{A}$. Wie dieser Größenunterschied von 0,38$\overset {\circ}{A}$von Kanälen ausgenutzt wird, wird in einem späteren Abschnitt erörtert.

Quelle

2. Unterschied in den chemischen Eigenschaften: Die Eigenschaft, mit der wir uns hier befassen, ist die Hydratationsenthalpie.$Na^+$Ion hat Hydratationsenthalpie als$K^+$Ion, Bedeutung$Na^+$hat eine höhere Tendenz, durch Wassermoleküle gebunden zu bleiben als$K^+$. Wie diese Enthalpiedifferenz von den Kanälen ausgenutzt wird, wird im nächsten Abschnitt diskutiert.

   Quelle

Ich werde verschiedene Methoden besprechen, die von diesen Kanälen nacheinander verwendet werden.

1. $Na^+$Kanäle: $Na^+$Kanäle sind weniger untersucht als$K^+$Kanäle, aber einige der verwendeten Mechanismen sind bekannt und werden im Folgenden erläutert:

   • $Na^+$Ionen passieren Kanäle in teilweise hydratisierter Form ¹ , und diese Kanäle haben 2 Ringe von Selektionsfiltern ² in Säugetieren.

   • Der erste (äußere) Ring enthält die Aminosäuren EEDD (oder EEMD) ³ , während der zweite (innere) Ring die Aminosäuren DEKA ⁴ enthält . Wie diese Aminosäuren spezifisch binden$Na^+$Ionen ist noch nicht vollständig bekannt, aber es wird die Hypothese aufgestellt, dass der innere Ring, da er stärker konserviert ist, als Filter wichtiger ist als der äußere Ring. Außerdem hat sich gezeigt, dass durch die Veränderung der Aminosäure K in DEKA der Kanal durchlässiger wird$K^+$und$Ca^{2+}$Ionen, und durch Ändern der Sequenz von DEKA zu EEEE wird der Kanal selektiver in Richtung$Ca^{2+}$Ionen ⁵ .

   • $K^+$Ion in hydratisierter Form kann aufgrund der größeren Größe und des Vorhandenseins von negativ geladenem D und E von DEKA nicht durch den Innenfilter passieren, wohingegen$Na^+$leicht durchläuft aufgrund geringerer Größe und höherer Hydratationsenthalpie ⁶ .

   

Die negative Ladung im Kanal ist so, dass sie die Hydratationshülle (regelmäßiges Oktaeder) von nachahmt$Na^+$Von der Seite

Quelle (1) Quelle (2)

2. $K^+$Kanäle: $K^+$Kanäle wurden intensiver untersucht, so dass ihr Mechanismus viel besser verstanden wird. Die wichtigsten Punkte zum Nachdenken sind:

   • Der Filter von$K^+$Kanal enthält die Aminosäuren TVGYG ⁷ und ist in der engsten Region des Kanals vorhanden.

   • Um diesen Kanal zu passieren,$K^+$Ion muss vollständig dehydriert sein, dh ohne daran gebundene Wassermoleküle. Die Aminosäuren im Filter ersetzen Wassermoleküle durch polare Sauerstoffatome. Auf der anderen Seite,$Na^+$kann Wassermoleküle nicht so leicht loswerden und ist daher thermodynamisch ungünstig ⁸ durch den Kanal zu passieren , teilweise auch weil dehydriert$Na^+$ist so klein, dass es nicht einmal alle polaren Sauerstoffatome von Aminosäuren binden kann.

   • Hier zeigt die Natur einige clevere Techniken. Die Aminosäuren TVGYG, deren elektronegative Carbonylsauerstoffatome in Richtung der Mitte der Filterpore ausgerichtet sind, bilden ein quadratisches Antiprisma, ähnlich einer wasserlösenden Hülle um jede Kaliumbindungsstelle. Der Abstand zwischen den Carbonylsauerstoffen und Kaliumionen in den Bindungsstellen des Selektivitätsfilters ist derselbe wie zwischen Wassersauerstoffen in der ersten Hydrathülle und einem Kaliumion in Wasserlösung, was einen energetisch günstigen Weg zur Desolvatation der Ionen bereitstellt ⁹ .

So wird der Durchgang von a$K^+$Ion durch$K^+$Kanal sieht so aus: Quelle

Die Carbonylsauerstoffe ahmen diese Konfiguration nach, da a$K^+$sieht in hydratisierter Form aus (quadratisches Antiprisma): Quelle

PS Je tiefergehende Studien durchgeführt werden, desto mehr Mechanismen können aufgedeckt werden. Außerdem sind die oben genannten Punkte nur Theorien und keine schlüssigen Beweise.

Verweise:

1. Hille, B. Die Permeabilität des Natriumkanals für organische Kationen in myelinisierten Nerven. J. Gen. Physiol. 58, 599–619 (1971).

2. Guy HR, Seetharamulu P. Molecular-Model of the Action-Potential Sodium-Channel. Proc Natl Acad Sci USA. 1986;83:508–512.

3. McNulty, MM, Edgerton, GB, Shah, RD, Hanck, DA, Fozzard, HA und Lipkind, GM (2007), Die Ladung am Lidocain-Bindungsstellenrest Phe-1759 beeinflusst die Permeation in spannungsgesteuerten Natriumkanälen des menschlichen Herzens. Das Journal of Physiology, 581: 741–755. doi:10.1113/jphysiol.2007.130161

4. Favre I., Moczydlowski E. & Schild L. Über die strukturelle Grundlage der Ionenselektivität zwischen Na+, K+ und Ca2+ im spannungsabhängigen Natriumkanal. Biophys J 71, 3110–3125 (1996).

5. Calciumkanaleigenschaften, die dem Natriumkanal durch einzelne Mutationen verliehen werden. Heinemann SH, Terlau H, Stühmer W, Imoto K, Numa S 1992 Apr 2;356(6368):441-3.

6. Mechanismus der Ionenpermeation und -selektivität in einem spannungsgesteuerten Natriumkanal. Ben Corry und Michael Thomas

7. Chemie der Ionenkoordination und Hydratation, offenbart durch a$K^+$Kanal-Fab-Komplex bei einer Auflösung von 2,0 Å, Yufeng Zhou, João H. Morais-Cabral, Amelia Kaufman & Roderick MacKinnon

8. Mechanismus der Kaliumkanalselektivität aufgedeckt durch$Na^+$und$Li^+$Bindungsstellen innerhalb der KcsA-Poren. Ameer N. Thompson, Ilsoo Kim, Timothy D. Panosian, Tina M. Iverson, Toby W. Allen und Crina M. Nimigean

9. Ein Vergleich zwischen zwei prokaryotischen Kaliumkanälen (KirBac1.1 und KcsA) in einer Molekulardynamik (MD)-Simulationsstudie; Mikko Hellgrena, Lars Sandberg, Olle Edholm, 1. März 2006