BK通道的生物物理特性及其门控

万方数据
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医用生物力学第２３卷第２期２００８年４月
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｄｉｃａｌＢｉｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ．Ｖ０１．２３Ｎｏ．２．Ａｐｒ．２００８
通道具有生物力学意义。

１ＢＫ通道的分子结构基础
ＢＫ通道由０ｃ亚基与１３亚基组成四聚体结构，每个单体包括一个１７，亚基或ｉｆ，亚基与ｐ亚基对的结合体，其中０ｃ亚基是孔道形成单位，ｐ亚基是调控单位…６．７】。

０ｃ亚基由ｓｌｏ基因编码，具有６个跨膜区域（Ｓ１．Ｓ６），这些结构域是电压门控Ｋ＋离子通道超家族（Ｋｖ家族）共有的，与钾离子通道家族不同的是，ＢＫ通道在ＮＨ，端还多一个跨膜的Ｓ０区，在Ｃ端还有４个输水区Ｓ７一Ｓ１０，Ｎ端是ａ亚基与Ｄ亚基的结合区…。

ＢＫ通道的四聚化是由结合区介导的，ＢＫ通道中该结合域被称为ＢＫ—Ｔ１，位于Ｓ６及Ｃ端调节区之间［１１。

ｉｆ，亚基与１３亚基的结构如图１所示。

图１ＢＫ通道Ｏｒ，亚基与Ｂ亚基分子结构示意图【，Ｉ包括０【亚基Ｎ端，Ｓ０．Ｓ６区域，孔道区，Ｓ７．Ｓ１０区域，钙球及长Ｃ端，Ｂ亚基的ＴＭｌ与ＴＭ２区域
Ｆｉｇ．１ＴｈｅｍｏｌｅｃｕｌａｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆｔｈｅａｓｕｂｕｎｉｔａｎｄｔｈｅＢｓｕｂｕｎｉｔｏｆＢＫｃｈａｎｎｅｌｓ．ＴｈｉｓｆｉｇｕｒｅｓｈｏｗｓｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｍｏｄｅｌｓｏｆｔｈｅａｓｕｂｕｎｉｔａｎｄｔｈｅＢｓｕｂｕｎｉｔ，ＩｎｃｌｕｄｌｎｇｔｈｅＮ－ｔｅｒｍｌｎａｌ，Ｓ０－Ｓ６ｄｏｍａｉｎｓ，ｔｈｅｐｏｒｅｒｅｇＩｏｎ，Ｓ７－Ｓ１Ｏｄｏｍａｉｎｓｔｈｅｃａｌｃｉｕｍｂｏｗｌ，ａｎｄｔｈｅｌｏｎｇＣ－ｔｅｒｍｉｎｕｓｏｆｔｈｅａａｕｂｕｎｉｔ；ｔｈｅＴＭｌａｎｄＴＭ２ｄｏｍａｉｎｓｏｆｔｈｅＢｓｕｂｕｎｉｔ．
迄今为止仅发现了一种０ｃ亚基，但是已经克隆出了４种公认的Ｂ亚基（见表１），Ｄ亚基包括２个由１个细胞外环连接的跨膜区，其Ｎ端与Ｃ端均朝向胞质，胞外连接环具有由４个保守半胱氨酸残基形成的二硫键连接，这些亚基多数在平滑肌与心肌细胞中转录，淋巴，肝脏及脑中较少…。

表１ａ亚基与ｐ亚基的大小及组织分布１９１
Ｔａｂ．１Ｔｈｅｓ‘ｉｚｅｏｆｔｈｅａｓｕｂｕｎｉｔａｎｄＢａｕｂｕｎｌｔ
２ＢＫ通道的选择过滤的分子机制
与钾离子通道家族的所有成员一样，ＢＫ通道能有效通透半径为１．３３Ａ的Ｋ＋，却排斥半径更小（０．９５Ａ）的Ｎａ＋，即具有特异性保持Ｋ＋高速流通的功能【１０・Ｉ¨。

Ｋ＋的选择性孔道位于４个０【亚基中间，在膜中间形成一个含水的半径较大的孔道内腔，孔道上部最窄的部分称为选择性过滤器【１２】。

选择性过滤器突出体现了Ｋ＋通道家族的保守性。

ＢＫ通道的Ｓ６区被认为是Ｋ＋选择性孔道的大门，Ｓ５与Ｓ６之间的孔道环则形成了上述选择性过滤器，并能作为孔道阻断剂非洲蝎毒（ｉｂｅｒｉｏｔｏｘｉｎ，ＩｂＴＸ）与北非蝎毒素（ｃｈａｒｙｂｄｏｔｏｘｉｎ，ＣｈＴＸ）的受体【１３】。

图２ａ所示的是４个Ｐ一环内陷构成的离子过滤器，每个Ｐ环上具有的高度保守的序列ＴＶＧＹＧ（又称标识序列）是几乎所有钾离子通道选择通过性的基础…ｌ。

图２ｂ所示，标识序列中的甘氨酸（Ｇ）位于或者接近于拉氏构象图（ＲａｍａｃｈａｎｄｒａｎＰｌｏｔ）的左手螺旋区，苏氨酸（Ｔ）残基也是如此，使得主链的羧基氧原子均指向一个方向，沿孔道指向Ｋ＋，交替的甘氨酸残基形成了合适的二面角，苏氨酸羟基氧原子与Ｋ＋相配，缬氨酸（Ｖ）与酪氨酸（Ｙ）的侧链朝向过滤器周围的孔道蛋白核以影响通道几何构型的约束。

最终，亚基聚集成的狭窄孔道包括了４个空间结构完全相等的Ｋ＋结合位点，每一个结合位点都是由以８个氧原子为顶角形成的笼子，或是一个称为四方反棱柱（ｓｑｕａｒｅａｎｔｉｐｒｉｓｍ）的扭曲的立方体。

选择性滤过器中Ｋ＋周围的氧原子类似于孔道内腔中水化的Ｋ＋周围的水分子，这一过滤器结合位点抵消了水化Ｋ＋脱水的能量。

相比而言，Ｎａ＋离子尺寸对于这些结合位点“围成”的空间区域明显过
小，脱水的能量不能得到合适的补偿，因此通透　万方数据
高晓晖．等．ＢＫ通道的生物物理特性及其门控
ＧＡＯＸｉａｏ—ｈｕｉ，ｅｔａＬＢｉｏｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｇａｔｉｎｇｏｆｔｈｅＢＫｉｏｎｃｈａｎｎｅｌｓ１７３
图２钾离子选择性模型Ｉ”１（ａ）为ＢＫ通道选择过滤器的简化模型，由四个Ｐ环构成；（ｂ）为钾离了选择过滤器微观结构的剖面图（图中仪能显示出两个亚摹），从细胞外侧方向观察，氧原子（红色）与钾离子（绿色小球）能在１－４侍配位，单字母标志的氨基酸构成了离子选择性的标识序列，黄色代表碳原子，蓝色为氮原子，绿色及灰色虚线分别代表氧原子．Ｋ＋以及氢键相互作用。

Ｆｉｇ．２Ｔｈｅｍｏｄｅｌｏｆｉｏｎｓｅｌｅｃｔｉｖｉｔｙ（ａ）ｉｓａｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄｍｏｄｅｌｏｆＢＫｃｈａｎｎｅｌｓ’ｓｅｌｅｃｔｉｖｉｔｙｆｉｌｔｅｒ．ＩｔｗａｓｍａｄｅｂｙｆｏｕｒＰ－ｌｏｏｐｓ；（ｂ）ｉｓｔｈｅｐｒｏｆｉｌｅｏｆｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｖｉｔｙｆｉｌｔｅｒ（ｔｗｏ・ｓｕｂｕｎｉｔｓ）．Ｆｒｏｍｔｈｅｅｘｔｒａｃｅｌｌｕ／ａｒｓｉｄｅ，ｗｅｓｅｅＯｘｙｇｅｎａｔｏｍｓ（ｒｅｄ）ｃｏｏｒｄｉｎａＩｅＫ＋ｉｏｎｓ（ｇｒｅｅｎｓｐｈｅｒｅｓ）ａｔｐｏｓｉｔｉｏｎｓ１－４．Ｓｉｎｇｌｅｌｅｔｔｅｒｓｙｍｂｏｌｓｏｆａｍｉｎｏａｃｉｄｓｓｔａｎｄｓｆｏｒｓｅｌｅｃｔａｍｉｎｏａｃｉｄｓｏｆｔｈｅｓｉｇｎａｔｕｒｅｓｅｑｕｅｎｃｅ（ｙｅｌｌｏｗ：ｃａｒｂｏｎ。

ｂｌｕｅ：ｎｉｔｒｏｇｅｎ，ａｎｄｒｅｄ：ｏｘｙｇｅｎ）．Ｇｒｅｅｎａｎｄｇｒａｙｄａｓｈｅｄｌｉｎｅｓｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙｓｔａｎｄｆｏｒｏｘｙｇｅｎ・Ｋ＋ａｎｄｈｙｄｒｏｇｅｎｂｏｎｄｉｎｇｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ．
性反而不如Ｋ＋好，这正是产生钾离子选择性的根本原因ｌ坨・Ｉ。

】，由此也能推测与Ｋ＋大小、电性类似的有机小离子或金属离子，也可能被选择性滤过。

３ＢＫ通道门控的分子机制
ＢＫ通道的最大特色在于其能够被多信号调控。

研究表明ＢＫ通道的电压激活与Ｃａ２＋激活是相对独立的，两者并无明显耦联。

除此之外，ＢＫ通道还可以被膜应力以及其他化学因子调控ｆ１５＿＂。

３．１电压激活孔道结构机制
对于多数电压依赖性钾离子通道，具有以下特点：①通道打开需要大量电荷运动，大约１３ｅ从细胞膜的一侧有效地运输到另一侧，这一点可以通过改变特定氨基酸残基的溶解性来实现Ｉ］８＿２１］。

②电荷运动与通道开放紧密耦联，通道自发开放概率低于１０。

８，并且电压敏感性等于理论最大值『２０】。

③比起通道开放频率的强电压依赖性，通道开关速率的电压依赖性却非常弱【１９圳Ｊ。

基于电压依赖性离子通道的电生理研究，提出了电压依赖性钾离子通道的结构模型，该模型的核心内容是Ｓ４与由Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３组成的朝向脂外周的蛋白围墙从膜中被隔离，跨膜的电压变化引起ｓ４螺旋平移或旋转，可以使Ｓ４螺旋及螺旋上正电荷的精氨酸（ａｒｇｉｎｉｎｅ）残基连在孔道的水腔中运动『２２１。

最近，通过ＫｖＡＰ（来自嗜热菌Ａｅｒｏｐｙｒｕｍｐｅｒｎｉｘ的Ｋｖ通道蛋白）晶体结构分析，发现原核生物中钾离子通道的电压依赖性符合桨状物模型【２３１，这一模型中，电压感受器是高度移动性的结构域，并且其内部外翻，Ｓｌ，Ｓ２，Ｓ３螺旋并不将Ｓ４从膜中隔离，相反，Ｓ４本身位于蛋白．脂分界面，Ｓ４啮合一部分Ｓ３形成螺旋一转角一螺旋的“桨”，能够在蛋白一脂界面运动。

荧光测量Ｓｈａｋｅｒ钾离子通道后提出了蛋白表面液体裂缝处强电场下的跨膜小电荷运动的假说［２２】。

相比而言，ＫｖＡＰ通道上抗生物素蛋ｌ兰ｔ（ａｖｉｄｉｎ）易接近性的实验说明蛋白．脂界面存在电压感受器桨状物的较大型运动【２２．２３】。

最近通过在脂膜中使用电子顺磁共振光谱法（ＥＰＲ），对ＫｖＡＰ钾通道运动性与可接近性的侧链进行自旋标记，通过脂溶性与水溶性的光谱效应的可接近性参数区别出亲脂与亲水的表面ｒｚ引。

ＫｖＡＰ晶体结构显示，门控敏感性精氨酸精确地位于电压敏感器桨状物上，门控．非敏感性精氨酸不在桨状物上而在Ｓ４与Ｓ５的连接处。

４个桨状物精氨酸中，第３个和第４个埋在蛋白内部而第１个和第２个暴露在外，第１个朝向脂，第２个朝向脂与水［２２，２４】。

尽管桨状物模型是从原核生物中得到的１２４１，“桨状物”区域在人类ＢＫ通道中也是保守的，由此推测ＢＫ通道的门控很可能符合桨状物模型。

无论何种模型，最终的门控机制却是：当膜
电位为负时，离子通道处于关闭状态，电压感受　万方数据
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BK通道的生物物理特性及其门控
作者：高晓晖， 赵虎成， GAO Xiao-hui， ZHAO Hu-cheng
作者单位：高晓晖,GAO Xiao-hui(清华大学生物科学与技术系,北京,100084)， 赵虎成,ZHAO Hu-cheng(清华大学生物力学与医学工程研究所,北京,100084)
刊名：
医用生物力学
英文刊名：JOURNAL OF MEDICAL BIOMECHANICS
年，卷(期)：2008,23(2)
本文链接：/Periodical_yyswlx200802018.aspx。