第1期 闫晓辉等:细胞膜通道与同步辐射 难题。 一个宽约为10A的洞穴,K+以和水结合的状态在 R. MacKinnon使用 KCSA K+通道结构揭示了内孔道和洞穴中移动。组成内孔道和洞穴壁的化学 K+通道的特性。把 KCSA K+通道的23-119残基段成分都是疏水的。在洞穴上面部分是选择过滤器 用多对同晶置换处理后,生长成晶体,经过对X射它要把K+从外部溶液中分离出来,所以非常狭窄, 线衍射实验数据的收集、处理、本底和噪音的排除,K+必须脱水才能进入。选择过滤器按照主链的信 得到了高分辨率的K+通道结构4 11 KesA K+通道的结构 KCSA K+通道是关于中心孔道四重对称的四聚 体,如图2所示。每个亚基都有两条跨膜α螺旋 约有30个氨基酸在孔道区域,这些氨基酸组成了孔 道螺旋和选择过滤器。两条跨膜螺旋中的一条面对 着中心孔道为内螺旋,另一条面对细胞膜脂质的是 外螺旋。内螺旋相对于细胞膜有约25°的倾斜,并 且略微扭绞,使每个亚基就像盛开的花瓣面对着细 图3 KCSA K+通道分子表面和孔道轮廓图 胞外,靠近膜外表面的孔道区域有K+通道的信号 Fig 3 Molecular surface of Kcs A and contour of the pore 序列,它们形成了选择过滤器。这个区域还有4条 孔道螺旋。内螺旋彼此绞在一起成一東,形成倒置 当K+在狭窄的孔道中运动时,由它所激发的 的圆锥形帐篷的四个柱子,孔道螺旋插在柱子与柱 静电场使它的周围环境极化,使偶极子的负端接近 子之间,指向靠近通道中心的一点。这种孔道螺旋K+从而使离子稳定,但是在膜中央极化率最低 的排列方式使众多的内部单元连接起来,从而使四K+的能量最高,洞穴为了克服由于绝缘性的膜而引 聚体结合在一起,这对离子在孔道中的传输非常重起的静电场的不稳定性,在洞穴中用可极化的水包 要。所有K+通道的孔道区域和内螺旋的氨基酸序 围着离子。K+通道的另一个结构特点也是为了稳定 列是保守的,Na+通道和Ca2+通道也有相应的片K,就是直接指向洞穴中心的四个孔道螺旋,这些 段,所以圆锥形帐篷结构可能是所有离子通道普遍 螺旋中从氨基到羧基的方向也在空穴中心处加了 的特性 个负的静电场,虽然每个螺旋离洞穴比较远(8A), 但四个螺旋同时起作用,从而加大了影响。因此 6 充水的洞穴和定向的螺旋解决了一个基本的物理问 题一如何降低离子通过时遇到的静电场的障碍。如 果为了克服膜中央不稳定的静电场的影响,可以使 整个孔道都具有一个可极化的表面,但是这将会影 响离子通道的透过率,因为K+会和通道表面发生 强相互作用而被陷入通道。所以这种除了选择过滤 器表面都是疏水的结构提供了相对惰性的表面,减 少了对透过率的影响 1.2选择过滤器 图2 KOSAK+通道的结构模型,左边是从膜外看的俯视图, 离子通道选择离子的准确性是通过选择过滤器 右边是侧视图 实现的。选择过滤器的结构有两个基本的特征:第 Fig 2 Structure of the KcsA K+, platform view form outside 在过滤器中,有四个分别来自四个亚基的 f the membrane (left), side elevation(right) TVGYG序列,它们的羰基氧原子指向离子通道的 对于正离子通道,在通道的内外入口的氨基酸中心,这种排列提供了四个可能的离子束缚位置(见 提供了一些负电荷,这样的结构提高了正离子浓度,图4)。这四个位置分别用1、2、3、4来表示,脱 降低了负离子的浓度。孔道全长为45A,它的直径水状态的K+可被束缚在这些位置上,周围围绕着 则各处不同(见图3),从膜的内表面开始是一个长个氧原子,13位置的8个氧原子均来自主链羰基 18A的隧道内孔道,然后在接近细胞膜中心处张成4位置上有4个氧原子来自于主链羰基,4个来自第 1 期 闫晓辉等：细胞膜通道与同步辐射 3 难题。 R. MacKinnon 使用 KcsA K+通道结构揭示了 K+通道的特性。把 KcsA K+通道的 23—119 残基段 用多对同晶置换处理后，生长成晶体，经过对 X 射 线衍射实验数据的收集、处理、本底和噪音的排除， 得到了高分辨率的 K+通道结构[4]。 1.1 KcsA K+ 通道的结构 KcsA K+通道是关于中心孔道四重对称的四聚 体，如图 2 所示。每个亚基都有两条跨膜 螺旋， 约有 30 个氨基酸在孔道区域，这些氨基酸组成了孔 道螺旋和选择过滤器。两条跨膜螺旋中的一条面对 着中心孔道为内螺旋，另一条面对细胞膜脂质的是 外螺旋。内螺旋相对于细胞膜有约 25°的倾斜，并 且略微扭绞，使每个亚基就像盛开的花瓣面对着细 胞外，靠近膜外表面的孔道区域有 K+通道的信号 序列，它们形成了选择过滤器。这个区域还有 4 条 孔道螺旋。内螺旋彼此绞在一起成一束，形成倒置 的圆锥形帐篷的四个柱子，孔道螺旋插在柱子与柱 子之间，指向靠近通道中心的一点。这种孔道螺旋 的排列方式使众多的内部单元连接起来，从而使四 聚体结合在一起，这对离子在孔道中的传输非常重 要。所有 K+通道的孔道区域和内螺旋的氨基酸序 列是保守的，Na +通道和 Ca2 +通道也有相应的片 段，所以圆锥形帐篷结构可能是所有离子通道普遍 的特性。 图 2 KcsA K +通道的结构模型，左边是从膜外看的俯视图， 右边是侧视图 Fig.2 Structure of the KcsA K+ , platform view form outside of the membrane (left), side elevation (right) 对于正离子通道，在通道的内外入口的氨基酸 提供了一些负电荷，这样的结构提高了正离子浓度， 降低了负离子的浓度。孔道全长为 45 Å，它的直径 则各处不同（见图 3），从膜的内表面开始是一个长 18 Å 的隧道内孔道，然后在接近细胞膜中心处张成 一个宽约为 10 Å 的洞穴，K+以和水结合的状态在 内孔道和洞穴中移动。组成内孔道和洞穴壁的化学 成分都是疏水的。在洞穴上面部分是选择过滤器， 它要把 K+从外部溶液中分离出来，所以非常狭窄， K+ 必须脱水才能进入。选择过滤器按照主链的信 号序列排列。 图 3 KcsA K+通道分子表面和孔道轮廓图 Fig.3 Molecular surface of KcsA and contour of the pore 当 K+在狭窄的孔道中运动时，由它所激发的 静电场使它的周围环境极化，使偶极子的负端接近 K+从而使离子稳定，但是在膜中央极化率最低， K+的能量最高，洞穴为了克服由于绝缘性的膜而引 起的静电场的不稳定性，在洞穴中用可极化的水包 围着离子。K+通道的另一个结构特点也是为了稳定 K+，就是直接指向洞穴中心的四个孔道螺旋，这些 螺旋中从氨基到羧基的方向也在空穴中心处加了一 个负的静电场，虽然每个螺旋离洞穴比较远（8 Å）， 但四个螺旋同时起作用，从而加大了影响。因此， 充水的洞穴和定向的螺旋解决了一个基本的物理问 题─如何降低离子通过时遇到的静电场的障碍。如 果为了克服膜中央不稳定的静电场的影响，可以使 整个孔道都具有一个可极化的表面，但是这将会影 响离子通道的透过率，因为 K +会和通道表面发生 强相互作用而被陷入通道。所以这种除了选择过滤 器表面都是疏水的结构提供了相对惰性的表面，减 少了对透过率的影响。 1.2 选择过滤器 离子通道选择离子的准确性是通过选择过滤器 实现的。选择过滤器的结构有两个基本的特征：第 一，在过滤器中，有四个分别来自四个亚基的 TVGYG 序列，它们的羰基氧原子指向离子通道的 中心，这种排列提供了四个可能的离子束缚位置（见 图 4）。这四个位置分别用 1、2、3、4 来表示，脱 水状态的 K+可被束缚在这些位置上，周围围绕着 8 个氧原子，1—3位置的8个氧原子均来自主链羰基， 4 位置上有 4 个氧原子来自于主链羰基，4 个来自