Структурные и функциональные характеристики природных и хирально модифицированных модельных ионных каналов (1097885), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Расчетные по формуле (7) значения отношений коэффициентовпроницаемости для Li+, Na+, K+, Rb+ и Cs+ к коэффициенту проницаемости дляK+ составляют 0.009, 0.065, 1.000, 0.737 и 0.001, соответственно, что хорошо согласуется с экспериментальными данными (<0.09, <0.07, 1.00, 0.25-0.91 и <0.18).В основу метода EHT, как и подавляющего большинства полуэмпирических методов, положено валентное приближение, т.е.
явный учет только валентных электронов. Невалентные электроны совместно с ядром формирует эффективный точечный электростатический заряд. В случае исследуемой нами молекулярной системы ион – канал, валентное приближение, на первый взгляд, является не применимым для расчета электронной структуры ионов Li+, Na+, K+, Rb+,Cs+.Выход из отмеченного затруднения заложен в используемой нами расчетной схеме метода EHT. Ион рассматриваются как соответствующий атом в валентном приближении, но при этом его ядру формально присваивается положительный точечный заряд +2, а не +1.Не вызывает сомнений, что такой подход негативно отразится на оценкевандерваальсовых радиусов ионов и атомов, локализованных в области поры канала, и, возможно, на оценке энергетического профиля иона в канале.Для проверки отсутствия данной ошибки нами проведен расчет энергетических профилей ионов в поре потенциал-независимого калиевого канала KcsAнеэмпирическим квантовохимическим методом самосогласованного поля в биэкспоненциальном базисе DZVP (Godbout, 1992), с последующим сравнениемполученных результатов с результатами EHT-расчетов.В результате было установлено, что функциональные характеристики канала KcsA, полученные анализом DZVP- и EHT-энергетических профилей ионовхорошо согласуются друг с другом и с экспериментально наблюдаемыми значениями (абсолютная ошибка составляет не более 4%).Во второй главе приведены результаты исследования функциональныххарактеристик потенциал-зависимых калиевых каналов клетки по результатаманализа профилей свободной энергии, рассчитанных методом EHT/AMBER, решением уравнений теории абсолютных скоростей реакций Эйринга.К потенциал-зависимым калиевым каналам клетки относятся каналы, спеРис.
6. Структура открытогоканала KvAP.(А) Вид сверху.(В) Вид сбокунаоднуизсубъединиц.цифически активируемые деполяризацией клеточной мембраны и ассоциированные с мембранной реполяризацией. Калиевые каналы играют важную роль впроцессах возбудимости и проводимости мембран. Практически все каналы суперсемейства потенциал-зависимых калиевых каналов являются аксиальносимметричными белковыми порами, что дает возможность использовать разработанный и апробированный на канале KcsA алгоритм расчета функциональныххарактеристик каналов.Потенциал-зависимый калиевый канал KvAP содержит стандартную K+пору, окруженную сенсорами напряжения.
Сенсоры напряжения могут менятьконфигурацию за счет изменения разности потенциалов на концах мембраны иоткрывать пору. Они локализованы около внутриклеточной поверхности канала.Исследовательской группой Р. Маккинона (2003) определена атомная структура калиевого канала ибыло высказано предположение о том, чтоKvAP в зависимостиот направления мембранного потенциала,определяющеголожениепо-сенсорапространстве,находитьсяРис. 7. Профили свободной энергии открытого каналаKvAPвможетвдвухконформациях:от-крытой – пропускающей ионы, и закрытой– не пропускающейионы. При измененииразности потенциаловна концах мембраныподвижныйсенсорРис.
8. Профили свободной энергии закрытого каналаKvAPнапряжения занимает новое положение, что приводит к переходу канала из открытого состояния в закрытое, и наоборот. Модель Р. Маккинона объясняет переход канала из одного состояния в другое, но не дает ответа на вопрос о механизмах калиевой избирательности открытого и отсутствия таковой для закрытого канала KvAP.Нами проведено теоретическое исследование функциональных характеристик открытого и закрытого канала KvAP. Результаты расчета профилей свободной энергии для ионов Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+ в поре открытого и закрытого канала представлены на рис.
7 и 8, соответственно. Профили G iwc = G iwc (Z ) в облас-ти селективного фильтра и центральной полости открытого и закрытого аналогичны профилям энергии в соответствующих областях потенциал-независимогокалиевого канала KcsA, что является следствием гомологичности каналов KvAPи KcsA. Существенное отличие G iwc = G iwc (Z ) каналов KvAP и KcsA наблюдается только в области нижней поры, что обусловлено наличием дополнительныхсенсоров напряжения в канале KvAP. В данной области открытого и закрытогоканала KvAP появляются энергетические барьеры для всех видов ионов. Причемв закрытом канале значения энергетических барьеров больше, чем в открытом ив закрытом канале KvAP, а величина диаметра закрытого канала в области нижней поры меньше, чем открытого.
Это различие приводит к увеличениюстерическихограниченийдляион-водногокомплексаи,какследствие, к увеличениюзначенияэнергииданногокомплексавзакрытом канале.Такимзом,обра-появлениебольших, по сравне-Рис. 9. ВАХ открытого канала KvAPнию с открытым каналом,энергетиче-ских барьеров в области нижней порызакрытогоканалаKvAP может бытьпричинойнаблю-даемого отсутствияионной проводимости канала.Для количест-Рис.
10. ВАХ закрытого канала KvAPвенного обоснования данного утверждения нами проведен анализ полученныхпрофилей решением уравнений (5) и (6). Результаты расчета ВАХ для открытогои закрытого одиночного канала KvAP в условиях симметричных монокатионныхрастворов ( [I]L = [I]R = 0.04 М) представлены на рис. 9 и 10, соответственно.Данные связи показывают существование линейной зависимости между током инапряжением на участке 0–60 мВ с величиной проводимости одиночного открытого канала для K+ 12.93 пСм, для Na+ 0.32 пСм, для Li+ 0.13 пСм, для Rb+ 9.6пСм, для Cs+ 0.083 пСм, что соответствует экспериментально получаемым значениям.
Проводимости закрытого канала для K+, Na+, Li+, Rb+ и Cs+ принимаютзначения 0.10 пСм, 0.007 пСм, 0.002 пСм, 0.066 пСм и 0.001 пСм, соответственно.Таким образом, появлениезначительногоαэнергетическогобарьера в канале KvAP при переходе его из открытого состояния взакрытое при изменении разностипотенциалов на концах мембраныβявляется причиной появления малых ионных токов, характерныхдля закрытого ионного канала.Расчетные значения отношений коэффициентов проницае-Рис. 11.
Модельная структура α/β-каналамости для Li+, Na+, K+, Rb+ и Cs+ к коэффициенту проницаемости для K+ составляют 0.010, 0.024, 1.000, 0.701 и 0.006, соответственно, что хорошо согласуется сэкспериментальными данными.Потенциал-зависимые калиевые каналы обычно экспрессируются вместе сдополнительными β-субъединицами. В работах группы Р. Маккинона была определена с разрешением 2.8Å структура β-субъединицы калиевого канала. Приэтом структура α-субъединицы канала определена не была.При построении структуры потенциал-зависимого калиевого канала в виде комплекса α- и β-субъединиц (α/β-канал) мы исходили из совпадения осей аксиальной симметрии α- и β-субъединицы.
При этом α-субъединица стыкуется свогнутой поверхностью β-субъединицы (Рис. 11). В качестве α-субъединицы мыиспользовалиакси-ально-симметричныйтетрамерпотенциал-независимогокалие-вого канала KcsA, какканоническуюпоро-формирующую субъединицутрансмем-бранныхкалиевыхканалов клетки.Результатырасчета профилей открытого канала дляРис. 12А. Профили свободной энергии в области селективного фильтра и центральной полости α-субъединицыоткрытого α/β-каналаионов Li+, Na+, K+,Rb+, Cs+ представленына рис. 12.
Для наглядностипрофилисвободнойэнергиипотенциал-зависимогокалиевого α/β-каналапредставленытрехдляпоследователь-ных интервалов изменения координаты осиРис. 12Б. Профили свободной энергии в области нижнейпоры α-субъединицы и поры β-субъединицы открытогоα/β-каналаZ: области селективного фильтра и центральной полости α-субъединицы (рис. 12А), области нижнейпоры α-субъединицы и поры β-субъединицы (рис. 12Б).Анализ энергетического профиля показывает, что основными факторами,влияющими на характер транспорта иона через канал, являются: частичная дегидратация иона при входе в пору канала и взаимодействие иона с атомнымигруппами канала.
Повышение энергии иона в результате дегидратации оказывается наибольшим у иона Li+ и наименьшим у иона K+, что обусловлено наибольшими размерами последнего, а значит, меньшими (по модулю) величинамиего взаимодействия с молекулами воды в первой гидратной оболочке.Результаты расчета ВАХ для α/β-канала в условиях симметричных монокатионных растворов ( [I]L = [I]R = 0.04 М) представлены на рис. 13.
Данная связьпоказывает существование линейной зависимости между током и напряжениемна участке 0-60 мВ свеличинойпроводи-мости одиночного канала для K+ 17.16пСм, для Na+ 0.68пСм, для Li+ 0.26 пСм,для Rb+ 16.63 пСм,для Cs+ 0.08 пСм, чтосоответствуетэкспе-риментальнополу-чаемымзначениям.Проводимостьα/β-Рис. 13. ВАХ открытого α/β-каналаканала для ионов калия несколько меньше, чем проводимость канала KcsA для соответствующихионов, что является следствием наличия дополнительной β-субъединицы в α/βканале. Для ионов лития и натрия наблюдается незначительное расхождение взначениях проводимости каналов α/β и KcsA.
Расчетные значения отношенийкоэффициентов проницаемости для Li+, Na+, K+, Rb+ и Cs+ к коэффициенту проницаемости для K+ составляют 0.079, 0.015, 1.000, 0.905 и 0.005, соответственно,что хорошо согласуется с экспериментальными данными.Таким образом, модельная молекулярная структура в виде комплекса α- иβ-субъединиц может служить адекватной моделью потенциал-зависимого калиевого α/β-канала в открытом состоянии.Для построения модели потенциал-зависимого калиевого α/β-канала в закрытом состоянии мы исходили из следующих предположений (рис. 11):1) потенциал-зависимый калиевый α/β-канал представляет собой потенциал-зависимый фермент с активными участками в β-субъединице, локализованными на расстоянии 30-35 Å от оси канала и содержащие NADP+-кофакторы;2) при связывании фермента с молекулой субстрата происходят конформационные изменения в β-субъединице, что в свою очередь приводит к конформационным изменениям в α-субъединице.Изменениеформациикон-каналазасчет связывания с молекулой субстрата можетбытьпричинойформирования закрытогодляионовα/β-канала.
При этом возможны два не исключающихдругдругаслучая:«разбухание»Рис. 14А. Профили свободной энергии в области селективного фильтра и центральной полости α-субъединицы закрытогоα/β-каналамолекулы канала и поворототдельныхпо-лярных субъединиц всоставе β-субъединицыпри изменении разностипотенциаловнаконцах мембраны, чтоприводит к изменениюположенияотдельныхсубъединицсубъединицы.αУчиты-вая, что эксперимен-Рис. 14Б. Профили свободной энергии в области нижней поры α-субъединицы и поры β-субъединицы закрытого α/βканалатальные данные по структуре субстрата отсутствуют, нами проведено исследование зависимости ионной проводимости от диаметра α/β-канала.
Мы исследо-вали зависимость J X = J X (n ) , где n – отношение диаметра открытого канала кдиаметру конформационно модифицированного канала с шагом 0.1Å.Для расчета ионных токов, отношений коэффициентов проницаемости ипроводимости канала мы использовали подход, который применяли для исследования открытого α/β-канала. При этом предполагали, что вследствие малостимолекулы субстрата, его поле дает пренебрежимо малый вклад в энергетическиепрофили.В результате проведенных расчетов установлено, что при n = 1.8 , т.е.уменьшении диаметра почти в 2 раза, наблюдается достаточно малое значениетока ионов калия через канал: J K = 0.076 пА.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
