鈉鉀離子通道蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能關(guān)聯(lián)的分子物理力學(xué)研究.pdf

1、離子通道是一類調(diào)控特定離子沿其電化學(xué)梯度跨膜傳輸?shù)哪さ鞍?。它們響?yīng)外界刺激如:膜電位、配體濃度，壓力等的改變而開(kāi)放和關(guān)閉（門(mén)控），是生理電信號(hào)產(chǎn)生和傳播的基礎(chǔ)。從1998年獲得第一個(gè)來(lái)自細(xì)菌的鉀離子通道的晶體結(jié)構(gòu)以來(lái)，一系列不同類型的鉀離子通道晶體結(jié)構(gòu)相繼被解析，從而將離子通道的研究帶入了結(jié)構(gòu)生物學(xué)時(shí)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(dǎo)通，以及通道開(kāi)閉的機(jī)制。然而，由于缺少鉀離子通道之外的離子通道的晶體結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在的理論研

2、究對(duì)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(dǎo)通鈉和鉀兩種離子的非選擇性四聚體陽(yáng)離子通道:鈉鉀(NaK)離子通道。由于選擇性過(guò)濾器段氨基酸序列的高度相似，NaK通道被認(rèn)為是環(huán)核苷酸門(mén)控通道的中心孔道結(jié)構(gòu)域的細(xì)菌同源體，而環(huán)核苷酸門(mén)控(CNG)通道在光感受和嗅覺(jué)感受神經(jīng)元的信號(hào)傳導(dǎo)中發(fā)揮著極其重要的作用。本文主要基于分子動(dòng)力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)計(jì)算，對(duì)NaK通道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、非選擇性離子導(dǎo)通，門(mén)控耦合機(jī)制等進(jìn)行了系統(tǒng)、深入的研究

3、。主要研究?jī)?nèi)容和研究進(jìn)展如下:
　　(1) NaK通道過(guò)濾器及其中離子綁定位點(diǎn)研究:鉀通道保守的過(guò)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(gè)序列變化導(dǎo)致了這兩種通道的過(guò)濾器結(jié)構(gòu)的顯著差異。在NaK通道過(guò)濾器中，與鉀通道過(guò)濾器第一和第二離子位點(diǎn)相應(yīng)的位置出現(xiàn)了一個(gè)前庭。通過(guò)對(duì)NaK通道過(guò)濾器中各種可能的離子/水分子構(gòu)型的計(jì)算，我們發(fā)現(xiàn)鉀離子趨于穩(wěn)定在由八個(gè)氧原子圍成的離子位點(diǎn)中間，而鈉離子結(jié)

4、合在同一個(gè)面內(nèi)的四個(gè)氧原子中間，并與上下兩個(gè)水分子配位。鉀離子的穩(wěn)定構(gòu)型為[S1，S3]，即兩個(gè)鉀離子分別占據(jù)在第一和第三離子位點(diǎn)。鈉離子的穩(wěn)定構(gòu)型為[S01，S23]。如果這些位置不被相應(yīng)離子占據(jù)，將導(dǎo)致過(guò)濾器結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)。鈣離子堵塞是CNG通道的一個(gè)重要特性，在NaK通道的晶體結(jié)構(gòu)也發(fā)現(xiàn)了一個(gè)鈣離子，它綁定在過(guò)濾器的膜外入口處。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，鈣離子可以穩(wěn)定過(guò)濾器的結(jié)構(gòu)，使得鈉、鉀離子可以在前庭中的移動(dòng)而不致過(guò)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(guò)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(gè)可能原因。
　　(2) NaK通道非選擇性離子導(dǎo)通機(jī)制研究:通過(guò)對(duì)NaK通道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分析，我們發(fā)現(xiàn)在過(guò)濾器后部存在四個(gè)孔腔，每個(gè)孔腔由兩個(gè)相鄰亞基圍成?？浊慌c過(guò)濾器前庭形成一個(gè)前庭-孔腔復(fù)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(jìn)入前庭-孔腔復(fù)合體。在靜息狀態(tài)下，前庭的收縮導(dǎo)致復(fù)合體中的水分子運(yùn)動(dòng)受限，不易

6、在前庭和孔腔間交換。當(dāng)通道打開(kāi)，離子受外電場(chǎng)作用向膜外流動(dòng)時(shí)，過(guò)濾器前庭膨脹，促使復(fù)合體中水分子交換加快?？浊恢械乃肿舆M(jìn)入前庭后，可以替換形成離子位點(diǎn)的蛋白質(zhì)羰基氧來(lái)配位前庭中離子。當(dāng)前庭中有兩個(gè)及兩個(gè)以上水分子時(shí)，將顯著降低離子導(dǎo)通的能壘。
　　(3) NaK通道側(cè)通道的結(jié)構(gòu)與功能研究:與KcsA鉀通道類似，我們?cè)贜aK通道中同樣發(fā)現(xiàn)了四個(gè)從中央孔腔延伸出的支道，每個(gè)支道由一個(gè)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(gè)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(gè)側(cè)孔道，它們與支道相連從而形成了四個(gè)側(cè)通道，連接著中央孔腔與細(xì)胞質(zhì)。水分子可以進(jìn)入并潤(rùn)濕側(cè)通道。在通道閉合的狀態(tài)下，膜內(nèi)離子可以通過(guò)潤(rùn)濕的側(cè)通道進(jìn)入中央孔腔。而中央孔道的細(xì)胞內(nèi)入口形成了很高的能壘，阻止離子的導(dǎo)通。通過(guò)對(duì)氨基酸序列、晶體結(jié)構(gòu)及半胱氨酸化學(xué)修飾實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，我們認(rèn)為中央孔道的細(xì)胞內(nèi)入口為離子通道的激活門(mén)，在通道閉合時(shí)，它能有效地阻止細(xì)胞內(nèi)

8、離子及小分子經(jīng)細(xì)胞內(nèi)入口進(jìn)入中央孔腔。而在某些通道中由于側(cè)通道的存在，這些離子或小分子可以經(jīng)潤(rùn)濕的側(cè)通道進(jìn)入中央孔腔，但它們的流動(dòng)仍然需要克服一定的能壘。
　　(4) NaK通道激活與C型失活門(mén)控耦合機(jī)制研究:離子通道的激活門(mén)控與C型失活門(mén)控的耦合調(diào)控了離子在通道中的流動(dòng)。激活與通道的內(nèi)螺旋構(gòu)型變化相關(guān)，而C型失活與過(guò)濾器的結(jié)構(gòu)變化有關(guān)。大量實(shí)驗(yàn)表明，鉀通道在受到外在刺激后激活，即內(nèi)螺旋打開(kāi)并允許離子流過(guò)中央孔道。但打開(kāi)的內(nèi)螺旋促

9、使了C型失活的發(fā)生，即過(guò)濾器段結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，離子流動(dòng)被阻止。通過(guò)對(duì)閉式和開(kāi)式NaK通道的計(jì)算研究，我們發(fā)現(xiàn)與鉀通道相反，開(kāi)式NaK通道的過(guò)濾器段結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。但同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)，NaK通道過(guò)濾器內(nèi)側(cè)殘基Thr63的側(cè)鏈會(huì)發(fā)生自發(fā)的偏轉(zhuǎn)而堵塞通道，并且過(guò)濾器外側(cè)殘基Gly67的擾動(dòng)會(huì)顯著縮小過(guò)濾器孔徑，阻礙離子導(dǎo)通。這可能是NaK通道的單通道電流劇烈波動(dòng)，以及通道打開(kāi)時(shí)間過(guò)短的原因。
　　(5) NaK通道變異體的結(jié)構(gòu)與功能研究:通過(guò)變異Na