哺乳动物Shaker家族电压依赖型钾通道的晶体结构

哺乳动物Shaker家族电压依赖型钾通道的晶体结构

电压依赖型钾通道，顾名思义，当膜电压发生变化时，会运输钾离子穿越细胞膜，从而通过控制细胞形态以及动作电位的频率来调节神经元的兴奋性。本文章报道了一个分辨率为2.9埃的哺乳动物的Kv通道（Kv1.2通道）晶体结构，这个通道属于Shaker型钾通道家族成员。该通道与一个氧化还原酶的β亚基形成复合结构。在细胞原始环境下，这一氧化还原酶β亚基可以调控哺乳动物的Kv通道。在通道内端与细胞质之间存在一个很大的侧向入口沟通两者。侧向入口的静电性能以及T1域和β亚基的位置与门控失活的电生理学研究是吻合的，钾通道可能受到β亚单位的调控。

电压依赖型钾通道是电压依赖型阳离子通道家族的成员，这个家族包括钾通道，钠通道以及钙通道。这些通道普遍存在于广阔的生物王国中。在真核细胞中，他们与其他离子通道相互协作共同参与或调控细胞的电生理活动。这种电生理活动在电敏感细胞如神经元以及肌肉细胞以及非电敏感细胞的许多生理活动中都发挥重要作用。在典型的易兴奋细胞神经元细胞中，Kv通道帮助膜电压在动作电流后回复到静息电位，并且能够调整动作电流的形状以及控制动作电流的激发率。

我们大部分对于Kv通道的了解来源于对黑腹果蝇Shaker钾通道以及在哺乳动物中其他家族成员的研究。由于Shaker家族通道可以轻松的在非洲爪蟾蜍卵母细胞中表达，因而被广泛的用于电生理学研究。但是不同的是，我们对于钾通道结构的了解却仅限于原核生物的研究。这是因为它们可以在大肠杆菌（Escherichia coli）中高水平表达。这些研究揭示了很多关于孔、选择性滤器以及门控的知识。

真核生物Kv通道在许多方面都和原核生物有相似之处。由于选择性过滤器非常保守，我们猜测其结构在所有Kv通道中本质上都是一样的。‘孔螺旋形成漏斗形，选择性过滤器位于接近胞外的宽口端’这一说法被认为是一个保守的特征。然而，除了它们保守的孔以及一些调控通道开放的特定的域，真核生物Kv通道有一些与众不同的特征。例如，在S6内部螺旋（在选择性滤器细胞内端），有一段高度保守序列Pro-X-Pro（X可以是任意的氨基酸），存在于Shaker家族Kv通道，但是并不存在于原核生物Kv通道。突变实验显示这一段序列对于门控相当重要，但是原因还不清楚。由此可以推测Shaker Kv通道的内部孔腔（由S6内螺旋围成）与原核生物不相同。

Shaker家族Kv通道对于真核生物来说是特有的，不存在于原核生物中，这有利于我们了解真核生物Kv通道与原核生物的区别。在第一个跨膜螺旋S1之前，N端在细胞内形成T1域。分别来自于四个Shaker Kv通道亚基的四个T1域在细胞膜内表面形成一个四聚体。四聚体处在通道孔腔与细胞质之间的入口处，这意味着跨膜通道需要与细胞质通讯从而让钾离子自由的在细胞与跨膜通道之间流动。这一入口不仅足够钾离子通过，而且在一些Shaker 家族Kv通道中还能允许通道N端进入介导门控失活。

T1域在真核生物Kv通道中充当β亚基的对接平台。β亚基形成一个与醛固酮还原酶有关的四聚体蛋白，这是一种基于NADPH的具有α-β桶结构的氧化还原酶。β亚基四聚体以及β-T1复合体的晶体结构显示酶活位点包括一个NADP+辅因子以及氢转移催化残基。但是由于β亚基的功能未知，所以其活性位点还是个谜。它是一个被Kv通道调控的酶还是作为Kv通道的传感器帮助细胞通过氧化还原状态影响膜的电生理活动。差不多所有的在哺乳动物神经系统中的Shaker家族Kv通道都有这些β亚基氧化还原酶。

实验证据表明在真核生物以及原核生物中电压依赖的门控本质上是相似的，而且它们的电压传感器的结构是类似的。但是关于Shaker家族Kv通道的结构研究可以提示更多的信息。原核生物Kv通道KvAP的结构揭示完整的磷脂双分子层细胞膜对于保证电压传感器正确的导向孔有重要作用。但是在分离通道的过程中，细胞膜被去除。这使得推导电压传感器和孔之间的电偶联的所有尝试都变得含糊不清。Kv通道的电压传感器被细胞内的T1域束缚，

以维持它和孔脆弱的作用。

Kv1.2-β亚基复合体的结构。T1域和

β亚基的结构很严格，而且在β亚基层被包

装的很好。孔位于细胞膜上，相对来说比较

自由，电压传感器与周围的蛋白分子作用

少，自由度最高。β亚基，T1域，孔以及

S4-S5 linker的结构模型基本完整，保存了

大部分侧链。电压传感器的四个片段

（S1-S4）构建起的结构没有S1-S2，S2-S3

以及S3-S4之间的环。由于这一区域侧链的

电子密度最弱，所以先前对于KvAP结构的

了解能够帮助构建电压传感器。T1域与S1

之间的连接是用两个甘氨酸螺旋构建。

T1-S1 linker像一个垫片一样将跨膜孔道与通道胞内部分隔开。

孔螺旋与电压传感器螺旋之间以一种不寻常的方式关联。电压传感器与相邻亚基的孔锁在一起。从细胞外俯视时可以看得更清楚。见下图。电压传感器与孔之间依靠S4-S5 linker 连结，S4-S5 linker与细胞内表面平行，和内螺旋束crossing在一个水平面。在KcsA中内螺旋束是指在选择性过滤器在细胞内排成一排的四个右转内螺旋束。这样一个可膨胀可压缩的结构对于离子通道的打开和关闭起着至关重要的作用。

在Kv1.2-β2晶体结构中，电压传感器螺旋貌似倾斜着存在于膜中，但是它们有一个天然的跨膜定位信号——在膜表面螺旋之间的疏水环。

运输离子的孔。四个不同原核生物钾通道（KcsA，MthK，KirBac以及KvAP）的结构已经通过X射线晶体学解析出来。对比这些通道可以总结出钾通道的两个重要方面：1.孔细胞外端的钾离子选择性滤器是高度保守的；2.内孔腔（在选择性滤器与细胞内液之间）形态各异。钾离子选择性滤器的保守性提示其对于钾离子的选择性机制也是保守的，而内孔腔的多变可能是由于通道开放关闭时构象的变化导致。在已公布的结构中，KcsA以及KirBac 在孔内螺旋束最窄地方的大小上看起来像是关闭状态的通道。而MthK和KvAP看起来就像是开放状态。在图中，A和B，Kv1.2孔的两个亚基和KcsA（关闭，灰色）以及KvAP（开放，蓝色）叠加。Kv1.2的内螺旋在KcsA与KvAP之间，但是更接近KvAP。Kv1.2的孔在bundle crossing处的直径大约是12埃，这表明晶体结构中的通道是打开的。

Kv1.2的内螺旋包含氨基酸序列Pro-V al-Pro，这一序列在Shaker家族Kv通道中高度保

守。这些氨基酸使S6内螺旋弯曲，使得在细胞内表面它们几

乎相互平行。弯曲的内螺旋似乎是Kv通道特有的。在KvAP

（一个原核生物Kv通道）的内螺旋上，一个甘氨酸残基使

其产生类似的弯曲。因此，序列Pro-x-Pro和甘氨酸是使内螺

旋弯曲的两种途径。

连接T1域到S1的α螺旋linkers从孔中央向外发散，在

孔与T1域之间形成一个很大的空间。这可以实现两个功能：

①在通道开放时使得内螺旋构象变化时不会接触到T1域以

或者linkers；②在通道入口与细胞质之间形成一个低阻力的

扩散途径。四个侧向门户每个的直径从15到20埃不等。这一区域的表面上有许多带负电的氨基酸，尤其是侧向门户的边缘，它们产生的静电势会吸引

阳离子。通道的这一特征让人想起乙酰胆碱受体离子通

道细胞内的入口通道。

侧向门户的大小以及静电学特性提供了关于Shaker

家族钾通道子成员重要门控形式N-type或者‘链球模型’

激活的信息。在膜去极化后，这一子成员形成瞬时的钾

电流，称为A电流，而不是维持延迟整流钾电流。A电

流通道和延迟整流通道给予细胞不同的电流特征。例如，

延迟整流通道（如Kv1.2）使细胞膜电位在动作电流后回

复到静息电位，而A电流通道调整特定的神经元的动作

电流频率使其输出占总神经元电流一定比例的电流。从

结构透视图可以看出A电流通道和延迟整流通道的细微

差别：A电流通道细胞内的N端或者说关联的β亚基的

N末端全是right composition of amino acids，这允许末端

可以进入内孔腔，使通道在开放后失活。这种N末端被

称为失活门或者失活多肽，导致A电流Kv通道的瞬变

现象。膜去极化时，通道开放输送钾离子，但是接着通

道就失活，这已被Aldrich和他的同事证实。他们还确定

了N末端阻断Shaker家族Kv通道孔所必须的氨基酸。

前十个氨基酸主要是疏水性质的，亲水以及带正电的氨

基酸紧随其后。疏水部分深埋到疏水环境中，而亲水的正电氨基酸对于失活门与孔之间的静电作用有重要作用。有关人Kv1.4通道的进一步研究表明疏水N末端进入由疏水氨基酸组成的内孔腔，而亲水部分的正电氨基酸则和T1域以及T1-S1 linker上的负电氨基酸发生静电作用。我们可以再Kv1.2的结构中看到侧向门户上的负电氨基酸。可以想象一条蛇形的氨基酸从侧向门户插入到孔疏水环境中，并与门户表面的负电发生静电作用。

孔，T1域以及β亚基催化位点之间的关系。到目前为止，Shaker Kv通道第一个也是唯一已经确定的功能是参与失活。β1亚基N末端有一段氨基酸序列还有其它的功能。β亚基可以影响通道表达的水平，它们也许起到通道伴侣的作用。β亚基酶活位点上存在保守的氢转移催化残基，提示β亚基在行使催化功能中起着重要作用。Kv通道可以调控β亚基的活性，或者更可能是，β亚基调控通道的活性。β亚基就像一个氧化还原传感器，将细胞的氧化还原状态与膜上的电活动偶联在一起。

β亚基的活性位点有一个NADP+辅助因子以及一些氢转移催化残基。这一辅助因子存

在于Kv1.2-β 2 晶体结构中。（左图所示为

NADP+辅助因子的省略电子密度被限制在β亚

基的活性位点）另外，在我们所有的电子密度图

上都有一些不清楚的其他的电子密度覆盖在活性

位点上。在活性位点缝隙表面有许多芳香族氨基

酸而且高度疏水。这些电子密度不是来自于多肽

链就是来自于大型有机分子。如果它是一个多肽

链，那么它可能是通道的一部分或者是在通道纯

化过程中脱离出来的。通道的晶体结构T1域的N

端有31个混乱的氨基酸，C端有78个。将N端还是C端结合在β亚基活性位点，与辅助因子的氧化和还原有密切关系，这会影响Kv通道

的功能。例如，在一些Shaker家族Kv通道中，与T1前面多肽链的结合影响失活门的性能。由于C末端多肽直接连接在内孔区螺旋，它在通道开放与关闭过程中肯定会经历大的位移，很可能会影响门控。Kv1.2-β2晶体结构能够帮助我们验证这些想法。

总结。文章描述了哺乳动物Shaker家族Kv通道Kv1.2与β2形成的复合物的晶体结构。两者都在Pichia pastoris中表达。两个因数对于得到晶体并解析结构起着必不可少的作用。去垢剂和脂质的混合物被用于纯化和结晶化，为了减少氧化作用还采取了许多其他措施。脂质在这项工作中的重要性提示了在膜蛋白结构研究中脂质的一般用途。膜和水层交替而成的I4晶格保证了通道的天然形态。完整的膜组分、胞内T1域以及绑在T1域上的β亚基这三者的关系与Shaker钾通道失活过程的电生理学研究吻合。Kv1.2的孔与原核生物钾通道的孔结构类似。Shaker家族Kv通道S6上的Pro-X-Pro序列与KvAP通道以及许多其他通道上的甘氨酸使得内螺旋弯曲。本文中的Kv1.2的孔处于开放状态。在T1域与孔之间的侧向门户沟通了孔与胞质。侧向门户的静电特性与失活肽long-range electrostatic steering相符。NADP+辅助因子，催化残基以及β亚基活性位点上的多余电子密度提示我们设计实验测试β亚基催化Kv通道活性的功能。电压传感器在晶体中处于膜层而且是平行的。

钾通道的结构：选择性运输钾离子的基础

来自于Streptomyces lividans的钾离子通道有着与已知钾离子通道相似的序列，特别是在孔区。3.2埃的X射线分析数据揭示四个相同的亚基围成漏斗形，承载着孔外端的选择性滤器。狭窄的选择性滤器只有12埃的长度，然而剩余的孔更大而且有很多疏水氨基酸。大而富水的孔腔以及螺旋偶极子克服了磷脂双分子层膜中心离子在孔内的静电不稳地性。钾离子通道在过滤器上有一段重要序列，其上的羰基氧原子在结构性约束钾离子而不是更小的钠离子通过。选择性过滤器包含两个距离7.5埃的钾离子。这种配置利用离子排斥力克服钾离子与选择性滤器间的吸引力从而运输离子。孔结构建立了基于钾离子选择性运输的物理原理。

钾离子通过一种称为钾离子通道的蛋白快速穿越细胞膜。这种运输是许多重要生理活动的基础。虽然钾离子通道门控机制多样，但是它们都有相似的离子渗透特征。所有的钾离子通道渗透性强弱都是K+≈Rb+＞Cs+，然而对于小的碱性金属离子Na+和Li+的渗透率很低。钾离子的渗透性大约是钠离子的10000倍，这是钾离子通道的本质特征。钾离子通道还有一个渗透特征，这种特征是多粒子运输机制的象征：单方向的离子流通显示在相反方向上流动的高度耦合，而且离子混合物导致异常的导电机制。因为这些特征，钾离子通道被归类为‘长孔腔通道’，援引其概念为多个离子在长而狭窄的孔腔排成一列。另外，所有钾离子通道的孔腔都可以被TEA离子阻断。

所有的钾通道都有本质上相同的孔构造，分子克隆以及突变实验佐证了这一点。无一例外，都有一段相同的氨基酸序列——钾通道关键序列。这些氨基酸的突变会干扰钾通道对钾离子和钠离子的选择性。

在过去的二十五年，钾离子通道的离子运输功能在两个方面使得生物物理学家非常苦恼。首先，各自依靠一个鲍林半径为1.33埃和0.95埃的普通球体高精度分辨钾离子与钠离子的化学基础是什么；其次，钾离子通道如何在如此高选择性而且接近扩散限制的情况下还能够如此高效率的运输？钾离子的渗透率是钠离子的104倍，这显示出钾离子与孔具有高能量作用。然而高能量的作用好像有与每秒108个离子的运输效率相互矛盾。这两方面究竟是如何调和的呢？

钾离子通道结构

来自于Streptomyces lividans的钾离子

通道（KcsA钾通道）具有与其他的钾离子

通道（包括脊椎动物与非脊椎动物的钾离

子通道，脊椎动物内向整流钾通道以及钙

调钾通道，植物以及细菌的钾通道，环形

核苷酸门控的阳离子通道）相似的氨基酸

序列。基于疏水性分析，有两种相似的钾

通道，它们分别每个亚基有两个跨膜片段

或者六个跨膜片段。但是所有的钾通道都

是由四个亚基组成的四聚体。具有两个跨

膜片段的亚基就像是六个跨膜片段亚基的

一个残缺副本，缺少了前四个跨膜片段。

虽然KcsA钾通道只有两个跨膜片段，但

是氨基酸序列与六个跨膜片段的真核生物钾通道是相似的。特别是孔区部分，它位于跨膜片段延伸部分包含了钾离子通道重要序列，与果蝇（Shaker）以及蔬菜中的钾离子门控通道高度一致。在随后的文章中，通过KcsA钾通道与真核生物钾通道毒素作用的研究，我们确信KcsA钾通道孔结构与真核生物钾通道类似，而且在用去垢剂将其从膜上分离出来时其结构未发生变化。

我们通过X射线晶体学确定了KcsA钾通道从23位残基到119位残基的结构。细胞质内的羧基尾端（126位到158位）在准备阶段被去除，剩余的残基紊乱了。KcsA钾通道晶体对于射线很敏感，衍射图案是各向异性的······

钾离子通道是中心对称的四个亚基围着

中心孔而成。就像其他几个膜蛋白，在大概

接近膜-水界面的位置有两层芳香烃氨基酸

残基以深入磷脂双分子层。（如上图）每个亚

基有两个跨膜α螺旋被孔区（包括turret，孔

螺旋，过滤器）大概30个氨基酸连结。一个

亚基插入到四聚体使得一个跨膜螺旋（内螺

旋）朝向中心孔，另一个（外螺旋）朝向磷

脂膜。内螺旋内螺旋相对于膜倾斜25度角而

且有些扭曲。四个亚基打开就像是花瓣一样

朝向细胞外。这个区域包含钾离子通道形成

过滤器的关键序列。亚基包装的本质特征可

以通过观察四个内螺旋与四个孔螺旋的关系

得知。在靠近细胞内面的位置四个内螺旋捆

扎在一起形成束，呈漏斗状。孔螺旋在漏斗

尖端开缝，有一个氨基酸-羧基传感器，指向

一个接近通道中心的点。这种孔螺旋配置导

致了许多内亚基相互作用将四聚体绑在一

起。这对于离子运输也是至关重要的。

钾通道以及环形核苷酸门控阳离子通道

的孔区和内螺旋的序列最保守。就连钠离子

通道和钙离子通道这些远亲缘关系的离子通

道都有这些片段。钾通道漏斗形孔道可能是

所有阳离子通道的共同特征。四个内螺旋排

成漏斗尖，四个孔螺旋，以及一个选择性滤

器——调整到选择相应的阳离子——位于胞

外表面。

KcsA钾通道的这种结构与Shaker以及

其它钾通道的功能和突变研究非常吻合。钾

通道的孔区第一次是利用来自于蝎子的孔区

阻断剂定义的。这些阻断剂与通道胞外广阔

入口上的氨基酸作用。不能渗透的有机阳离子TEA从膜两边明显位点阻断钾通道。TEA在外部与内部作用的氨基酸分别位于关键氨基酸的外部与内部。关键氨基酸的改变会破坏钾离子的选择性。Shaker钾通道内螺旋接近胞内开口的氨基酸可以映射到KcsA钾离子通道的内螺旋上。暴露于细胞质在内螺旋束上方区域需要一个电压依赖门，以控制通道的开关。在Shaker钾通道暴露于细胞质的门控过渡区域与该结构的内螺旋束之间有关于钾通道门控机制的启示。

离子运输孔道的一般性质

阳离子通道就像我们预料的一样，胞内和胞外入口都是带负电的氨基酸，这将提高阳离子溶度，降低阴离子溶度。孔的全长是45埃，直径在全长上是变化的。从细胞内，孔一开始像是18埃的‘隧道’，随后在膜中间扩展成‘大洞穴’。钾离子可以穿越内孔以及洞穴仍带水。然而，选择性滤器（在胞外与洞穴之间）很狭窄，钾离子只能脱去水以便能够通过。内孔和洞穴壁的化学组分主要是疏水的氨基酸。选择性滤器，由重要序列氨基酸上的极性主链原子排列而成。洞穴和内孔独特的机制将在后面阐述，首先我们先介绍钾离子在孔中的位

置测定。

钾离子通道排斥小的碱性金属阳离子Li+（半径0.6埃）以及Na+（半径0.95埃），但是允许同系的较大成员Rb+（1.48埃）和Cs+（1.69埃）。事实上，Rb+几乎是K+（1.33埃）完美的类似物，它的渗透性能与钾离子很类似。由于K+ Rb+ Cs+的电子密度越来越稠密，因而能够看到渗透离子的位置。通过含铷离子或者铯离子的溶液不同的电子密度图，不同的离子被很好地区分开。选择性滤器包含两个离子位于相反方向，相距7.5埃。在铷离子不同的图形中，在选择性滤器内端有两个分开的峰。它们非常接近（2.6埃）代表两个同时被占用的离子结合位点。我们怀疑它们代表单个离子与邻近位点处于快速的平衡。在铯离子不同的图形中，铯离子单一内离子峰毫无疑问的反应出图形的低分辨。所以，钾离子通道选择性滤器包含两个钾离子。在铷离子不同图形中选择性滤器下方大孔腔中心有第三个较弱的峰值。

腔和内孔

为什么在通道中心有一个10埃直径的腔而且里面有一个离子？静电计算显示当离子在下载孔道中运动穿越细胞膜时，它需要克服一个在细胞膜中心最强的能量阻碍。阳离子极化释放出的静电场使环境极化，将负偶极子末端带到更接近的位置，使得它变得稳定。在双分子层中心，周围介质的极化性最小阳离子能量最高。因而，考量简单的静电就能让我们理解

腔的重要功能以及它的战略

位置。腔简单的依靠极化的

水围绕一个离子来克服低电

介质双分子层的静电不稳定

性。钾离子通道结构的第二

个特征也能使阳离子稳定在

双分子膜中心。四个孔螺旋

直接指向腔中心。这些螺旋

的氨基到羧基方向通过螺旋

偶极效应将强加一个负电

势。螺旋末端距离腔中心有

8埃的距离，但是所有四个

螺旋都参与了这种效应。因

此，这种结构的两个性质，即富水的腔和定向的螺旋，用生物学方法解决了物理学基本问题。因此，在腔中心散开的电子密度反映了含水阳离子云而不是离子结合位点。

或者，通道内孔的极化表面可以克服双分子层中心的静电不稳定效应，将离子结合位点置于全长。但是结构显示，除了选择性滤器，孔内壁都是疏水的，这是钾通道的基本性质。Armstrong里程碑式的实验预知了这一结论，显示了疏水阳离子结合在钾离子通道孔中。疏水内表面有何重要意义呢？我们猜测如果钾离子与除了选择过滤器之外的内表面作用强的话就不能达到有效地大量运输的目的。大部分全长的疏水内表面为离子扩散提供了惰性环境。

总而言之，内孔和腔在没有产生deep energy wells的情况下降低了经典阻碍。这部分孔结构和化学设计确保从胞质到选择性滤器的低阻碍通道，加快了运输效率。钾通道的功能实验佐证了这一结论。当TEA从细胞质到达腔顶端（大于50%膜距离）时，它只横跨了大约20%跨膜电压差。因此，80%的电压差都存在于选择性滤器上。因为钾离子运输的限速阶段就在这一小段距离。实际上，钾离子通道将相关的跨膜扩散距离减少到12埃。

选择性滤器

选择性滤器的结构展示了两个基本

特征。第一，主链原子产生一系列连续

的氧环，将钾离子脱水。钾离子在选择

性滤器中只能一小段的扩散。选择性滤

器第二个重要的结构特征在于包装它的

蛋白。V-G-Y-G序列中的缬氨酸和酪氨

酸侧链指向远离孔的方向，并和孔螺旋

上的氨基酸作用。来自于有大量芳香族

氨基酸片段的四个酪氨酸侧链和孔螺旋

上的色氨酸残基，一共12个，就像是选

择性滤器的袖口。

钾离子通道结构如何行使离子选择

性功能呢？当离子进入选择性滤器时，

它就会脱去水。为了补偿脱去水的能量损耗，羧基氧原子来与离子作用，就像是水起的作用。结构显示选择性滤器一种打开以防止小半径的钠离子通过。我们推测钾离子与滤器非常适合，损耗的能量和获得的能量刚好抵消。选择性滤器的结构以及它的分子弹簧使其保持打开，防止羧基氧靠近使得钠离子可以通过。

在150mM钾离子溶液中，选择性滤器中包含两个钾离子。离子位于选择性滤器的两端，距离7.5埃，与4M KCl溶液中钾离子的距离相同，而且在选择性滤器中没有Cl-平衡电荷。因此我们得出选择性滤器吸引并浓缩钾离子。但是这样一个选择性滤器如何运输离子呢？结构显示单一离子被紧紧抓住，但是两个离子会相互排斥，使得它们位于选择性滤器的两端。因此，当第二个离子进入时，钾离子与选择性滤器之间的吸引力被两个离子间的排斥力抵消，这就允许了离子运输。

总结

我们基于结构提出了钾离子通道的以下特征。1.孔呈漏斗形，选择性滤器位于宽口端。这种构造也存在于环形核苷酸门控通道钠离子通道以及钙离子通道。2.狭窄的选择性滤器只有12埃的长度，然而孔剩余的的部分更长而且具有疏水的内表面。这些结构和化学性质降低了钾离子与孔道的作用，加快了运输效率。3.大的富水腔以及螺旋偶极子帮助克服阳离子在低电介质膜中心的高静电能量阻碍。4.钾离子选择性滤器内表面富含羧基氧原子，提供了分散的相邻结合位点。滤器被约束在最佳的几何学形状使得脱水的钾离子能够通过而钠离子因为太小而无法通过。两个钾离子在选择性滤器中相互排斥，位于恰当的距离。两者的排斥克服了离子与过滤器之间的强相互作用，允许离子在高度选择性的情况下离子快速运输。