KcsA калиевый канал | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Идентификаторы | |||||||||
Символ | ? | ||||||||
Пфам | ПФ07885 | ||||||||
ИнтерПро | IPR013099 | ||||||||
СКОП2 | 1bl8 / ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ / SUPFAM | ||||||||
суперсемейство OPM | 8 | ||||||||
белок ОПМ | 1р3дж | ||||||||
|
KcsA (канал K streptomyces A) — это прокариотический калиевый канал из почвенной бактерии Streptomyces lividans , который был тщательно изучен в исследовании ионных каналов . Активируемый pH белок обладает двумя трансмембранными сегментами и высокоселективной поровой областью, отвечающей за пропуск и перемещение ионов K + из клетки. [1] [2] Аминокислотная последовательность, обнаруженная в селективном фильтре KcsA, высококонсервативна как среди прокариотических, так и среди эукариотических каналов напряжения K + ; [1] [3] в результате исследования KcsA предоставили важные структурные и механистические сведения о молекулярной основе выбора и проводимости ионов K + . Как один из наиболее изученных ионных каналов на сегодняшний день, KcsA является шаблоном для исследования функции канала K + , а его выясненная структура лежит в основе вычислительного моделирования динамики каналов как для прокариотических, так и для эукариотических видов. [4]
KcsA был первым калиевым ионным каналом, который был охарактеризован с помощью рентгеновской кристаллографии Родериком МакКинноном и его коллегами в 1998 году. В годы, предшествовавшие этому, исследования структуры каналов K + были сосредоточены на использовании связывания малых токсинов для выявления местоположения поры и селективного фильтра среди остатков канала. Группа МакКиннона выдвинула теорию тетрамерного расположения трансмембранных сегментов и даже предположила наличие порообразующих «петель» в области фильтра, состоящих из коротких сегментов аминокислот, которые взаимодействовали с ионами K + , проходящими через канал [5]. Открытие сильной гомологии последовательностей между KcsA и другими каналами в семействе Kv, включая белок Shaker , привлекло внимание научного сообщества, особенно после того, как последовательность сигнатуры канала K + начала появляться в других прокариотических генах. Простота двух трансмембранных спиралей в KcsA, в отличие от шести во многих эукариотических ионных каналах, также предоставила метод для понимания механизмов проводимости каналов K + на более элементарном уровне, тем самым придав еще больший импульс изучению KcsA.
Кристаллическая структура KcsA была решена группой МакКиннона в 1998 году после открытия того, что удаление цитоплазматического домена C-конца нативного белка (остатки 126–158) увеличивает стабильность кристаллизованных образцов. Была создана модель KcsA с разрешением 3,2A, которая подтвердила тетрамерное расположение белка вокруг центральной поры, при этом одна спираль каждой субъединицы была обращена к внутренней оси, а другая — наружу. [6] Три года спустя Мораис-Кабрал и Чжоу создали модель с более высоким разрешением после того, как моноклональные фрагменты Fab были прикреплены к кристаллам KcsA для дальнейшей стабилизации канала. [7] В начале 2000-х годов появились доказательства того, что фильтр селективности занят двумя атомами K + во время процесса транспортировки, основанные на энергетических и электростатических расчетах, выполненных для моделирования области пор. Продолжение исследований различных открытых и закрытых, неактивных и активных конформаций KcsA с помощью других методов визуализации, таких как твердотельный ЯМР и ЭПР, позволило с тех пор получить еще больше информации о структуре канала и силах, управляющих переключением от инактивации канала к проводимости.
В 2007 году Рик и др. показали, что открытие канала, которое возникает в результате титрования ионного канала от pH 7 до pH 4, соответствует конформационным изменениям в двух областях: переходу в ионообменное состояние селективного фильтра и открытию расположения TM2 на C-конце . [8] Эта модель объясняет способность KcsA одновременно выбирать ионы K + и одновременно контролировать электропроводность. В 2011 году была решена кристаллическая структура полноразмерного KcsA, чтобы показать, что препятствие со стороны ранее усеченных остатков допускает только прямое расширение области межклеточного ионного прохода белка. Это исследование дает более подробный взгляд на движение отдельных областей канала во время ионной проводимости. [9] В настоящее время исследования KcsA сосредоточены на использовании прокариотического канала в качестве модели для динамики канала более крупных эукариотических каналов K + , включая hERG .
Структура KcsA представляет собой перевернутый конус с центральной порой, проходящей по центру и состоящей из двух трансмембранных спиралей (внешняя спираль M1 и внутренняя спираль M2), которые охватывают липидный бислой . Сам канал представляет собой тетрамер, состоящий из четырех идентичных однодоменных субъединиц (каждая с двумя α-спиралями), расположенных таким образом, что одна спираль M2 обращена к центральной поре, а другая спираль M1 обращена к липидной мембране . Внутренние спирали наклонены примерно на 25° по отношению к липидной мембране и слегка изогнуты, открываясь наружу клетки, как цветок. [6] Эти две спирали TM связаны возвратной петлей, симметрично распределенной вокруг общей оси, соответствующей центральной поре . Область пор охватывает приблизительно 30 аминокислотных остатков и может быть разделена на три части: селективный фильтр около внеклеточной стороны, расширенную полость , заполненную водой , в центре и закрытые ворота около цитоплазматической стороны, образованные четырьмя упакованными спиралями M2. [6] Обнаружено, что эта архитектура высококонсервативна в семействе калиевых каналов [10] [11] как у эукариот , так и у прокариот.
Общая длина поры составляет 45 Å, а ее диаметр значительно варьируется в различных областях внутреннего туннеля. Двигаясь из внутриклеточной области наружу (снизу вверх на рисунке), пора начинается с области ворот, образованной спиралями M2 диаметром 18 Å, а затем открывается в широкую полость (~10 Å в поперечнике) около середины мембраны. [6] В этих областях ионы K + контактируют с окружающими молекулами воды, но когда они входят в канал из селективного фильтра наверху, полость настолько узкая, что ионы K + должны сбрасывать любую гидратирующую воду, чтобы войти в клетку. [6] Что касается аминокислотного состава остатков, выстилающих поры внутри KcsA, боковые цепи, выстилающие внутреннюю пору и полость, преимущественно гидрофобны , но внутри селективного фильтра присутствуют полярные аминокислоты, которые контактируют с дегидратированными ионами K + .
Более широкий конец конуса соответствует внеклеточному устью канала, состоящему из поровых спиралей, плюс селективный фильтр , который образован последовательностью TVGYG (треонин, валин, глицин, тирозин, глицин), характерной для калиевых каналов. [12] В этой области координация между аминокислотами TVGYG и входящими ионами K + позволяет проводить ионы через канал. Селективный фильтр KcsA содержит четыре сайта связывания ионов, хотя предполагается, что только два из этих четырех положений заняты одновременно. Селективный фильтр имеет диаметр около 3 Å. [13] хотя моделирование молекулярной динамики предполагает, что фильтр является гибким. [14] Присутствие TVGYG в области фильтра KcsA сохраняется даже в более сложных эукариотических каналах, что делает KcsA оптимальной системой для изучения проводимости канала K + между видами.
Канал KcsA считается модельным каналом , поскольку структура KcsA обеспечивает основу для понимания проводимости канала K + , которая состоит из трех частей: селективность калия , стробирование канала по чувствительности к pH и инактивация канала, управляемого напряжением. Проникновение ионов K + происходит в верхней области фильтра селективности поры, в то время как стробирование pH повышается из-за протонирования трансмембранных спиралей в конце поры. При низком pH спираль M2 протонируется, сдвигая ионный канал из закрытой в открытую конформацию. [15] Когда ионы протекают через канал, считается, что механизмы стробирования напряжения вызывают взаимодействия между Glu71 и Asp80 в фильтре селективности, которые дестабилизируют проводящую конформацию и облегчают вход в долгоживущее непроводящее состояние, которое напоминает инактивацию C-типа каналов, зависящих от напряжения . [16]
В непроводящей конформации KcsA при pH 7 K + прочно связан с координирующими кислородами селективного фильтра, а четыре спирали TM2 сходятся вблизи цитоплазматического соединения, чтобы блокировать прохождение любых ионов калия. [8] Однако при pH 4 KcsA претерпевает миллисекундные временные конформационные обмены между фильтрующими и непроникающими состояниями и между открытыми и закрытыми конформациями спиралей M2. [8] Хотя эти отдельные конформационные изменения происходят в отдельных областях канала, молекулярное поведение каждой области связано как электростатическими взаимодействиями , так и аллостерией . [8] Динамика этих обменных стереохимических конфигураций в фильтре обеспечивает физическую основу для одновременной проводимости и пропускания K + .
Последовательность TVGYG особенно важна для поддержания калиевой специфичности KcsA. Глицины в этой последовательности селективного фильтра имеют двугранные углы, которые позволяют атомам кислорода карбонила в белковой основе фильтра указывать в одном направлении, к ионам вдоль поры. [5] Глицины и треонин координируются с ионом K + , в то время как боковые цепи валина и тирозина направлены в ядро белка, чтобы наложить геометрическое ограничение на фильтр. В результате тетрамер KcsA содержит четыре равноотстоящих участка связывания K + , причем каждая сторона состоит из клетки, образованной восемью атомами кислорода, которые сидят на вершинах куба. Атомы кислорода, которые окружают ионы K + в фильтре, расположены подобно молекулам воды, которые окружают гидратированные ионы K + в полости канала; это говорит о том, что координация кислорода и участки связывания в селективном фильтре оплачивают энергетическую стоимость дегидратации K + . [5] Поскольку ион Na+ слишком мал для этих участков связывания размером с K + , энергия дегидратации не компенсируется, и, таким образом, фильтр отбирает другие посторонние ионы. [5] Кроме того, канал KcsA блокируется ионами Cs + , а для пропускания требуется присутствие ионов Mg2 + . [1]
Зависимая от pH проводимость KcsA указывает на то, что открытие ионного канала происходит, когда белок подвергается воздействию более кислой среды. Исследования ЯМР, проведенные группой Рика, показывают, что чувствительность к pH возникает как в С-концевой области TM2 белка, так и в остатках Tyr78 и Gly79 в селективном фильтре. Есть основания полагать, что основной сенсор pH находится в цитоплазматическом домене. Замена отрицательно заряженных аминокислот на нейтральные сделала канал KcsA нечувствительным к pH, даже несмотря на то, что не было никаких изменений аминокислот в трансмембранной области. [17] [18] Кроме того, между pH 6 и 7 гистидин является одной из немногих титруемых боковых цепей гистидинов; они отсутствуют в трансмембранных и внеклеточных сегментах TM2, но присутствуют на С-конце KcsA. Это подчеркивает возможный механизм медленного открытия KcsA, который особенно чувствителен к pH, особенно потому, что конформационное распространение сигнала открытия канала от C-конца к селективному фильтру может быть важным для координации структурных изменений, необходимых для проводимости вдоль всей поры.
Исследования ЯМР также показывают, что сложная сеть водородных связей между Tyr78, Gly79, Glu71 и Asp80 существует в области фильтра KcsA и далее действует как чувствительный к pH триггер проводимости. Мутация ключевых остатков в этой области, включая E71A, приводит к большим энергетическим затратам в размере 4 ккал моль −1 , что эквивалентно потере водородной связи между Glu71 и Tyr78 и опосредованной водой водородной связи между Glu71 и Asp80 в KcsA(E71A). Эти исследования дополнительно подчеркивают роль pH-гейтинга в функционировании канала KcsA.
В 2006 году группа Перозо предложила механистическое объяснение эффектов полей напряжения на стробирование KcsA. После добавления деполяризующего тока к каналу происходит переориентация Glu71 в сторону внутриклеточной поры, тем самым нарушая пару карбоксил-карбоксилат Glu71-Asp80, которая изначально стабилизирует селективный фильтр. Коллапс области фильтра предотвращает вход в инактивированное состояние или облегчает выход из него. [16] Glu71, ключевая часть сигнатурной последовательности селективного фильтра, которая сохраняется среди ионных каналов K + , играет ключевую роль в стробировании, поскольку его способность переориентироваться в направлении трансмембранного поля напряжения способна дать объяснение событиям стробирования напряжения в KcsA. Ориентация аминокислот в области фильтра может играть значительную физиологическую роль в модуляции потоков калия у эукариот и прокариот в стационарных условиях. [16]
Точный механизм селективности калиевого канала продолжает изучаться и обсуждаться , и для описания различных аспектов селективности используются многочисленные модели. Модели, объясняющие селективность на основе концепции напряженности поля, разработанной Джорджем Эйзенманом [19] на основе закона Кулона, были применены к KcsA. [14] [20] Альтернативное объяснение селективности KcsA основано на модели близкого соответствия (также известной как модель плотного соответствия), разработанной Франциско Безаниллой и Армстронгом . [21] Основные цепочечные карбонильные атомы кислорода, составляющие фильтр селективности, удерживаются в точном положении, которое позволяет им замещать молекулы воды в гидратированной оболочке иона калия , но они слишком далеки от иона натрия . Дальнейшая работа изучала термодинамические различия в связывании ионов, [22] топологические соображения, [23] [24] и количество непрерывных участков связывания ионов. [25]
Кроме того, еще предстоит обсудить одно из основных ограничений изучения и моделирования кристаллической структуры: наилучшей разрешенной и наиболее применяемой кристаллической структурой KcsA, по-видимому, является структура «закрытой» формы канала. Это разумно, поскольку закрытое состояние канала благоприятствует нейтральному pH , при котором кристаллическая структура была решена с помощью рентгеновской кристаллографии . Однако динамическое поведение KcsA затрудняет анализ канала, поскольку кристаллическая структура неизбежно дает статическое, пространственно и временно усредненное изображение канала. Чтобы преодолеть разрыв между молекулярной структурой и физиологическим поведением, требуется понимание динамики атомного разрешения калиевых каналов.
Из-за высокого сходства последовательностей между порой KcsA и другими эукариотическими белками ионных каналов K + , KcsA предоставил важную информацию о поведении других важных белков, проводящих напряжение, таких как Shaker , полученный из дрозофилы , и человеческий калиевый канал hERG . KcsA использовался в исследованиях мутагенеза для моделирования взаимодействий между hERG и различными лекарственными соединениями. Такие тесты могут скрининговать взаимодействия между лекарственными средствами и каналами hERG, которые вызывают приобретенный синдром удлиненного интервала QT , и необходимы для определения безопасности новых лекарств для сердца. [26] Кроме того, модели гомологии, основанные на закрытой кристаллической структуре KcsA, были созданы вычислительным путем для построения многоуровневого представления сердечного канала K + hERG . Такие модели раскрывают гибкость канала hERG и могут последовательно предсказывать сродство связывания набора различных лигандов, взаимодействующих с ионными каналами. Анализ сложных структур лиганда-hERG может быть использован для руководства синтезом аналогов лекарственных препаратов с пониженной восприимчивостью к hERG на основе структуры препарата и потенциала стыковки. [27]