鈉鉀離子通道蛋白質(zhì)結構與功能關聯(lián)的分子物理力學研究.pdf

1、離子通道是一類調(diào)控特定離子沿其電化學梯度跨膜傳輸?shù)哪さ鞍住Ｋ鼈冺憫饨绱碳と?膜電位、配體濃度，壓力等的改變而開放和關閉（門控），是生理電信號產(chǎn)生和傳播的基礎。從1998年獲得第一個來自細菌的鉀離子通道的晶體結構以來，一系列不同類型的鉀離子通道晶體結構相繼被解析，從而將離子通道的研究帶入了結構生物學時代。這使人們得以在原子層次更加深入地研究離子選擇性導通，以及通道開閉的機制。然而，由于缺少鉀離子通道之外的離子通道的晶體結構，現(xiàn)在的理論研

2、究對象還主要是鉀離子通道。最近，從蠟狀芽孢桿菌中獲取了一種可以導通鈉和鉀兩種離子的非選擇性四聚體陽離子通道:鈉鉀(NaK)離子通道。由于選擇性過濾器段氨基酸序列的高度相似，NaK通道被認為是環(huán)核苷酸門控通道的中心孔道結構域的細菌同源體，而環(huán)核苷酸門控(CNG)通道在光感受和嗅覺感受神經(jīng)元的信號傳導中發(fā)揮著極其重要的作用。本文主要基于分子動力學和統(tǒng)計力學計算，對NaK通道的結構穩(wěn)定性、非選擇性離子導通，門控耦合機制等進行了系統(tǒng)、深入的研究

3、。主要研究內(nèi)容和研究進展如下:
　　(1) NaK通道過濾器及其中離子綁定位點研究:鉀通道保守的過濾器氨基酸序列(TVGYG)中的酪氨酸(Y）在NaK通道中被天冬氨酸(D）替代，這個序列變化導致了這兩種通道的過濾器結構的顯著差異。在NaK通道過濾器中，與鉀通道過濾器第一和第二離子位點相應的位置出現(xiàn)了一個前庭。通過對NaK通道過濾器中各種可能的離子/水分子構型的計算，我們發(fā)現(xiàn)鉀離子趨于穩(wěn)定在由八個氧原子圍成的離子位點中間，而鈉離子結

4、合在同一個面內(nèi)的四個氧原子中間，并與上下兩個水分子配位。鉀離子的穩(wěn)定構型為[S1，S3]，即兩個鉀離子分別占據(jù)在第一和第三離子位點。鈉離子的穩(wěn)定構型為[S01，S23]。如果這些位置不被相應離子占據(jù)，將導致過濾器結構的失穩(wěn)。鈣離子堵塞是CNG通道的一個重要特性，在NaK通道的晶體結構也發(fā)現(xiàn)了一個鈣離子，它綁定在過濾器的膜外入口處。通過計算發(fā)現(xiàn)，鈣離子可以穩(wěn)定過濾器的結構，使得鈉、鉀離子可以在前庭中的移動而不致過濾器失穩(wěn)。由于前庭及其中水

5、分子的存在，鈉、鉀離子在過濾器中能夠獲得合適的配位狀態(tài)，這也是NaK通道選擇性缺失的一個可能原因。
　　(2) NaK通道非選擇性離子導通機制研究:通過對NaK通道內(nèi)部結構的分析，我們發(fā)現(xiàn)在過濾器后部存在四個孔腔，每個孔腔由兩個相鄰亞基圍成?？浊慌c過濾器前庭形成一個前庭-孔腔復合體，與中央離子傳輸孔道垂直?？浊簧戏桨被釟埢钠D(zhuǎn)使得溶液中的水分子可以進入前庭-孔腔復合體。在靜息狀態(tài)下，前庭的收縮導致復合體中的水分子運動受限，不易

6、在前庭和孔腔間交換。當通道打開，離子受外電場作用向膜外流動時，過濾器前庭膨脹，促使復合體中水分子交換加快?？浊恢械乃肿舆M入前庭后，可以替換形成離子位點的蛋白質(zhì)羰基氧來配位前庭中離子。當前庭中有兩個及兩個以上水分子時，將顯著降低離子導通的能壘。
　　(3) NaK通道側通道的結構與功能研究:與KcsA鉀通道類似，我們在NaK通道中同樣發(fā)現(xiàn)了四個從中央孔腔延伸出的支道，每個支道由一個亞基的內(nèi)螺旋與相鄰亞基的內(nèi)螺旋及P螺旋形成。另外，

7、我們發(fā)現(xiàn)在NaK通道中由于存在四個與膜的內(nèi)表面平行的橫螺旋，在中央孔道周圍形成了四個側孔道，它們與支道相連從而形成了四個側通道，連接著中央孔腔與細胞質(zhì)。水分子可以進入并潤濕側通道。在通道閉合的狀態(tài)下，膜內(nèi)離子可以通過潤濕的側通道進入中央孔腔。而中央孔道的細胞內(nèi)入口形成了很高的能壘，阻止離子的導通。通過對氨基酸序列、晶體結構及半胱氨酸化學修飾實驗數(shù)據(jù)的分析，我們認為中央孔道的細胞內(nèi)入口為離子通道的激活門，在通道閉合時，它能有效地阻止細胞內(nèi)

8、離子及小分子經(jīng)細胞內(nèi)入口進入中央孔腔。而在某些通道中由于側通道的存在，這些離子或小分子可以經(jīng)潤濕的側通道進入中央孔腔，但它們的流動仍然需要克服一定的能壘。
　　(4) NaK通道激活與C型失活門控耦合機制研究:離子通道的激活門控與C型失活門控的耦合調(diào)控了離子在通道中的流動。激活與通道的內(nèi)螺旋構型變化相關，而C型失活與過濾器的結構變化有關。大量實驗表明，鉀通道在受到外在刺激后激活，即內(nèi)螺旋打開并允許離子流過中央孔道。但打開的內(nèi)螺旋促

9、使了C型失活的發(fā)生，即過濾器段結構失穩(wěn)，離子流動被阻止。通過對閉式和開式NaK通道的計算研究，我們發(fā)現(xiàn)與鉀通道相反，開式NaK通道的過濾器段結構更穩(wěn)定。但同時我們發(fā)現(xiàn)，NaK通道過濾器內(nèi)側殘基Thr63的側鏈會發(fā)生自發(fā)的偏轉(zhuǎn)而堵塞通道，并且過濾器外側殘基Gly67的擾動會顯著縮小過濾器孔徑，阻礙離子導通。這可能是NaK通道的單通道電流劇烈波動，以及通道打開時間過短的原因。
　　(5) NaK通道變異體的結構與功能研究:通過變異Na