Фильтры селективности ионных каналов.

Экспериментальное изучение молекулярной структуры ионных каналов показало, что принципы структурной и функциональной организации белковых молекул ионных каналов одинаковы во всех организмах.

Бактериальные калиевые каналы, подобно остальным калиевым каналам, сформированы из четырёх идентичных белковых субъединиц, расположенных симметрично вокруг центрального канала.

Каждая субъединица содержит две трансмембранные а-спирали (S5 и S6) и небольшой P-сегмент (Pore domain) (рисунок 91).

Рисунок 91 - Схема одной из четырёх субъединиц бактериального калиевого канала Streptomyces lividans

В тетрамерном калиевом канале восемь трансмембранных а-спира- лей образуют пространственную структуру, напоминающую переверну­тый конус ("вигвам"), внутренность которого образует полость (которую называют "вестибюль" (vestibule)), которая является входом в канал и расположена в центральной части тетрамерного белка (рисунок 92).

Четыре белковых петли, которые входят в состав Р-сегментов субъединиц, формируют над "вестибюлем" фильтр селективности (пору, роге) для ионов К⁺ вблизи экзоплазматической поверхности мембраны.

Селективность фильтра к ионам калия объясняется тем, что гидратированный ион калия, уходя из цитозоля и нековалентно связы­ваясь с карбонильными кислородами глицинов в P-петле, оставляет молекулы присоединённой воды в полости входа в канал. При этом

энергетический проигрыш вследствие дегидратации иона компенсируется выигрышем в энергии за счёт формирования нековалентных связей иона калия с карбонильными кислородами глицинов (рисунок 93(a)).

Рисунок 92 - Схема нерегулируемого бактериального калиевого канала Streptomyces lividans'.

Для ионов натрия образование связей с этими же кислородами не столь выгодно, поскольку топология калиевого капала рассчитана именно под габариты иона калия, но не натрия (рисунок 93(6)).

Рисунок 93 - Схемы координирования ионов молекулами воды и карбонильными кислородами глицинов в калиевом канале: а - для К⁺. б - для Na⁺

Ионные радиусы кислорода, калия и натрия составляют 1,4; 1,33 и 0,95 А, соответственно (1нм = 10 А).

Кольцо кислородных атомов расположено так, что К⁺-О-расстояние (1,4+1,33=2,73 А) - оптимально для взаимодействия кислородов с калием. Для натрия Ыа⁺-О-связь короче (0,95+1,4=2,35 А).

Поэтому для натрия величина проигрыша в энергии при дегидратации превышает энергетический выигрыш при связывании иона Na⁺ в канале, и процесс диффузии ионов Na⁺ через калиевый канал не может идти самопроизвольно (рисунок 94(6)).

Рисунок 94 - Энергетика селективности К канала: а - для К⁺. б - для Na⁺

Рентгеноструктурный анализ калиевых каналов обнаружил, что калиевые каналы содержат в фильтре селективности ионы калия даже в случае, когда такие каналы имеют белковые ворота. По-видимому, наличие ионов калия стабилизирует канал, и без такого иона тетрамер распался бы.

В фильтре селективности существует четыре центра связывания иона калия (рисунок 95).

Предполагается, что одновременно в канале могут находиться два иона калия в позициях 1 и 3 (рисунок 96(a)), или 2 и 4 (рисунок 96(6)), каждый из них "зафиксирован" восемью карбонильными кислородами.

Рисунок 95 - Сечение селективного фильтра К⁺-канала. Цифрами указаны сайты нековалентного связывания К⁺ в канале

Наличие в канале двух центров связывания ионов: (1 и 3) или (2 и 4) - необходимо для обеспечения быстрого высвобождения ионов из канала в межклеточное пространство.

Рисунок 96 - Положение ионов калия в канале

Калиевый канал проницаем в обе стороны для ионов калия. Но бо­лее высокая концентрация ионов калия в цитоплазме стимулирует более частое перемещение ионов калия из раствора в позицию 4 в канале.

Электростатическое отталкивание катионов стимулирует переход иона из позиции 3 в позицию 2, а ион из позиции 1 выходит в экзоплазму и немедленно гидратируется (рисунок 96 (б)).

Натриевые каналы устроены аналогичным образом. Они пропус­кают ионы натрия, а более габаритные ионы калия и кальция просто не способны протиснуться в канал.