バリウムブロックカリウムチャネルのオープンとクローズド構造

Open and Closed Structures of a Barium-Blocked Potassium Channel.

• Ahmed Rohaim
• LiDong Gong
• Jing Li
• Huan Rui
• Lydia Blachowicz
• Benoît Roux

抄録

バリウム（Ba）は、カリウム（K）チャネルの古典的な透過性ブロッカーです。外部Kの結合がブロッカーの前方トランスロケーションを阻害することにより、バリウムブロック実験における"外部ロックイン効果"は、カリウムチャネルの孔に沿って結合部位の選択性を調査するための強力な手段を提供しています。バリウムブロック実験は、外部ロックインサイトは、Na上のKのために非常に選択的であることを示しています。野生型KcsAを低K条件で結晶化させ、様々な濃度のバリウムを含む溶液に浸した。構造解析の結果、KcsAチャネルはオープンゲートとクローズドゲートの両方の構造を持つことが明らかになった。異常回折実験の結果、開門構造ではBaは選択性フィルターの最内側のS4サイトとS2サイトに主に結合しているが、閉門構造では結合していないことがわかった。アルカリ化学的自由エネルギー摂動計算により、選択性フィルター中のBaイオンの存在が、外部サイトS0-S2のNaに対するK結合の特異性を高めることが示された。

Barium (Ba) is a classic permeant blocker of potassium (K) channels. The "external lock-in effect" in barium block experiments, whereby the binding of external K impedes the forward translocation of the blocker, provides a powerful avenue to investigate the selectivity of the binding sites along the pore of potassium channels. Barium block experiments show that the external lock-in site is highly selective for K over Na. Wild-type KcsA was crystallized in low K conditions, and the crystals were soaked in solutions containing various concentrations of barium. Structural analysis reveals open and closed gate conformations of the KcsA channel. Anomalous diffraction experiments show that Ba primarily binds to the innermost site S4 of the selectivity filter of the open-gate conformation and also the site S2, but no binding is detected with the closed-gate conformation. Alchemical free-energy perturbation calculations indicate that the presence of a Ba ion in the selectivity filter boosts the specificity of K binding relative to Na in the external sites S0-S2.

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