Pohled shora na fialové draselné ionty pohybující se draselným kanálem (PDB kód = 1BL8)
Bakteriální draslíkové kanály se uzavřou (vlevo, PDB kód=1k4c) a otevřou (vpravo, 1lnq). Dokážou vycítit napěťové rozdíly napříč membránou, pak změnit konformaci více detailů…
V buněčné biologii jsou draslíkové kanály nejběžnějším typem iontových kanálů. Tvoří draslík selektivní póry, které překlenují buněčné membrány. Draslíkové kanály se nacházejí ve většině buněk a kontrolují funkci buněk.
V excitovatelných buňkách, jako jsou neurony, formují akční potenciály a nastavují klidový membránový potenciál.
Tím, že přispívá k regulaci trvání akčního potenciálu v srdečním svalu, může porucha draslíkových kanálů způsobit život-působící arytmie.
Regulují také buněčné procesy, jako je sekrece hormonů (např. uvolňování inzulinu z beta-buněk ve slinivce břišní), takže jejich porucha může vést k onemocněním (např. cukrovce).
Existuje více než 80 savčích genů, které kódují podjednotky draslíkových kanálů. Podjednotky draslíkových kanálů tvořící póry mají homo- nebo heterotetramerní uspořádání. Čtyři podjednotky jsou uspořádány kolem centrálního póru. Všechny podjednotky draslíkových kanálů mají charakteristickou strukturu pórovitosti, která lemuje horní část póru a je zodpovědná za draslíkovou selektivitu.
Draslíkové kanály, které se nacházejí v bakteriích, patří mezi nejvíce studované iontové kanály, pokud jde o jejich molekulární strukturu. Pomocí rentgenové krystalografie byly získány hluboké poznatky o tom, jak ionty draslíku procházejí těmito kanály a proč (menší) ionty sodíku neprocházejí (protože ionty sodíku mají větší hustotu náboje, mají větší slupku molekul vody, které je obklopují, a jsou tedy objemnější). Nobelova cena za chemii za rok 2003 byla udělena Rodu MacKinnonovi za jeho průkopnickou práci na toto téma.
Kanály draselných iontů odstraňují hydratační slupku z
iontu, když vstupuje do filtru selektivity. Filtr selektivity je
tvořen pěti zbytky (TVGYG-in prokaryotické druhy) z každé podjednotky, které
mají své elektronegativní atomy karbonylkyslíku sladěné
směrem ke středu póru filtru a tvoří antiprizma
podobný vodní solvatační slupce kolem každého
vazebného místa draslíku. Vzdálenost mezi karbonylkyslíky a
draselnými ionty ve vazebných místech filtru selektivity je
stejná jako mezi vodními kyslíky v první hydratační slupce a
draselným iontem ve vodním roztoku. Filtr selektivity se otevírá
směrem k extracelulárnímu roztoku a vystavuje čtyři karbonyl
kyslíky v glycinovém zbytku (Gly79 v KcsA). Dalším zbytkem směrem k extracelulární straně
proteinu je záporně nabitý Asp80 (KcsA). Tento zbytek tvoří spolu s pěti
zbytky filtru pór, který spojuje dutinu naplněnou vodou v
středu proteinu s extracelulárním roztokem.
Karbonylové kyslíky jsou silně elektronegativní a kationtově
atraktivní. Filtr dokáže pojmout draselné ionty na 4 místech
obvykle označených S1 až S4 počínaje extracelulární stranou. V
přídavku se jeden iont může vázat v dutině v místě zvaném SC nebo
jeden nebo více iontů na extracelulární straně na více
nebo méně přesně definovaných místech zvaných S0 nebo Sext. Možných je několik různých
obsazení těchto míst. Vzhledem k tomu, že rentgenové
struktury jsou průměry na mnoho molekul, není však
možné odvodit skutečné obsazení přímo z
takové struktury. Obecně existuje určitá nevýhoda způsobená
elektrostatickým odpuzováním, že dvě sousední místa jsou obsazena
ionty. Mechanismus iontové translokace v KcsA byl
rozsáhle studován simulačními technikami. Kompletní mapa volných energií
stavů 24=16 (charakterizovaných obsazením míst S1, S2, S3
a S4) byla vypočítána pomocí simulací molekulární dynamiky vedoucí k
predikce iontového vodivého mechanismu, ve kterém hrají zásadní
roli dva
dvojnásob obsazené stavy (S1, S3) a (S2, S4). Dva extracelulární stavy, Sext a
S0, byly nalezeny v lépe vyřešené struktuře KcsA při vysoké
koncentraci draslíku. Při výpočtech volné energie byla
celá iontová dráha z dutiny, přes čtyři filtrační
místa směrem k S0 a Sextu, zahrnuta do simulací MD.
Sekvence aminokyselin filtru selektivity
iontových draselných kanálů je konzervována s tou výjimkou, že
izoeleucinové reziduum v eukaryotických draselných iontových kanálech
je často nahrazeno valinovým reziduem v prokaryotických
kanálech.
Blokátory draslíkových kanálů, jako je 4-Aminopyridin a 3,4-Diaminopyridin, byly zkoumány při léčbě onemocnění, jako je roztroušená skleróza.
a molecular dynamics (MD) simulation study. Biophys Chem. 2006 Mar 1;120(1):1-9. Epub 2005 Oct 25.