äußere Helix Poren-Helix innere Helix Selektivitätsfilter Turm Ansicht von oben raumfüllende Ansicht Schnittbild
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Die wichtigste Aufgabe in dem Molekül hat der Selektivitätsfilter . Kaliumionen sollen den Kanal mit akzeptabler Geschwindigkeit passieren, Natriumionen aber nicht. Tatsächlich läßt der Kanal bis zu 108 Kaliumionen pro Sekunde passieren, Natrium aber um den Faktor 104 weniger. Von den anderen Alkaliionen werden Rubidium und Cäsium durchgelassen, Lithium aber nicht: Cs+ (Radius 1,69Å) Rb+ (Radius 1,48Å) K+ (Radius 1,33Å) Na+ (Radius 0,95Å) Li+ (Radius 0,6Å) Der Selektivitätsfilter besteht aus der in allen Kaliumkanälen konservierten Sequenz Thr-Val-Gly-Tyr-Gly (hier nur für zwei Untereinheiten gezeigt) . In dem untersuchten Proteinkristall wurden zwei Kaliumionen und ein fest gebundenes Wassermolekül gefunden . Die hydrophoben Seitenketten von Val und Tyr zeigen von dem gebildeten Kanal weg, die Carbonylgruppen der Peptidkette zeigen zu den Ionen . Gegenüber von Tyr78 liegen in der Poren-Helix zwei Tryptophane , die im Gesamtkomplex einen aromatischen Ring um den Filter bilden . Hier wird der Durchmesser des Filters fixiert. Die Pore ist so eng, daß Kaliumionen nur unter Verlust ihrer Hydrathülle eintreten können. Die Koordination durch Wasser-Sauerstoff im Hydrat wird in der Pore durch die Carbonyl-Sauerstoffatome ersetzt (Schnittbild). Der Energieverlust durch die Dehydratisierung wird durch die Wechselwirkung mit den Sauerstoffatomen des Proteins kompensiert, was nur durch exakt passende Abstände zu den Ionen möglich ist. Bei Natriumionen mit ihrem kleineren Durchmesser ist ein Energieausgleich aufgrund unterschiedlicher Potentiale nicht möglich. Der nicht vollständig kompensierte Energieverlust beim Abstreifen der Hydrathülle verhindert daher den Eintritt der kleineren Ionen in den Filter. Die beiden Kaliumionen in der Filteröffnung haben einen Abstand von 7,5Å zueinander, was dem mittleren Abstand in einer 4M KCl-Lösung entspricht. Damit ist die lokale Konzentration im Kanal höher als die physiologische Konzentration und es sind Abstoßungskräfte zu erwarten. Diese sind auch notwendig, damit die Kaliumionen nicht ewig in ihren Positionen festsitzen: wenn sich ein weiteres Kaliumion nähert, rutschen die vorhandenen eine Position weiter, so daß es zu einem Kaliumfluß kommt. Die Abstoßungskräfte gehen in die Dehydratisierungs-Energiebilanz ein. In der raumfüllenden Darstellung ist im Schnittbild unterhalb des Selektivitätsfilters (zum Cytoplasma hin) in dem Kaliumkanal eine Stelle mit größerem Durchmesser (c. 10Å) zu sehen. Dort gibt es eine bevorzugte Aufenthaltswahrscheinlichkeit für ein weiteres Kaliumion . Hier ist Platz genug für eine an das Ion gebundene Hydrathülle. Die Fixierung erfolgt durch das Dipolmoment der Poren-Helices. In diesen Helices ist die Ladung der Aminosäuren ungleichmäßig verteilt (rot = negativ, grün = positiv). Die innere Wand des Kanals ist überwiegend hydrophob , an den Eingängen befinden sich jeweils negativ geladene Aminosäuren . Literatur: DA Doyle et al, The structure of the potassium channel: molecular basis of K+ conduction and selectivity, Science 280 (1998) 69-77 E Gouaux, Single potassium ion seeks open channel for transmembrane travels: tales from the KcsA structure, Structure 6 (1998) 1221-1226 Link zu einer VRML-Darstellung (RCSB [USA], erfordert COSMO-Player o.ä.). 2-99 - Rolf Bergmann
Der Selektivitätsfilter besteht aus der in allen Kaliumkanälen konservierten Sequenz Thr-Val-Gly-Tyr-Gly (hier nur für zwei Untereinheiten gezeigt) . In dem untersuchten Proteinkristall wurden zwei Kaliumionen und ein fest gebundenes Wassermolekül gefunden . Die hydrophoben Seitenketten von Val und Tyr zeigen von dem gebildeten Kanal weg, die Carbonylgruppen der Peptidkette zeigen zu den Ionen . Gegenüber von Tyr78 liegen in der Poren-Helix zwei Tryptophane , die im Gesamtkomplex einen aromatischen Ring um den Filter bilden . Hier wird der Durchmesser des Filters fixiert. Die Pore ist so eng, daß Kaliumionen nur unter Verlust ihrer Hydrathülle eintreten können. Die Koordination durch Wasser-Sauerstoff im Hydrat wird in der Pore durch die Carbonyl-Sauerstoffatome ersetzt (Schnittbild). Der Energieverlust durch die Dehydratisierung wird durch die Wechselwirkung mit den Sauerstoffatomen des Proteins kompensiert, was nur durch exakt passende Abstände zu den Ionen möglich ist. Bei Natriumionen mit ihrem kleineren Durchmesser ist ein Energieausgleich aufgrund unterschiedlicher Potentiale nicht möglich. Der nicht vollständig kompensierte Energieverlust beim Abstreifen der Hydrathülle verhindert daher den Eintritt der kleineren Ionen in den Filter. Die beiden Kaliumionen in der Filteröffnung haben einen Abstand von 7,5Å zueinander, was dem mittleren Abstand in einer 4M KCl-Lösung entspricht. Damit ist die lokale Konzentration im Kanal höher als die physiologische Konzentration und es sind Abstoßungskräfte zu erwarten. Diese sind auch notwendig, damit die Kaliumionen nicht ewig in ihren Positionen festsitzen: wenn sich ein weiteres Kaliumion nähert, rutschen die vorhandenen eine Position weiter, so daß es zu einem Kaliumfluß kommt. Die Abstoßungskräfte gehen in die Dehydratisierungs-Energiebilanz ein. In der raumfüllenden Darstellung ist im Schnittbild unterhalb des Selektivitätsfilters (zum Cytoplasma hin) in dem Kaliumkanal eine Stelle mit größerem Durchmesser (c. 10Å) zu sehen. Dort gibt es eine bevorzugte Aufenthaltswahrscheinlichkeit für ein weiteres Kaliumion . Hier ist Platz genug für eine an das Ion gebundene Hydrathülle. Die Fixierung erfolgt durch das Dipolmoment der Poren-Helices. In diesen Helices ist die Ladung der Aminosäuren ungleichmäßig verteilt (rot = negativ, grün = positiv). Die innere Wand des Kanals ist überwiegend hydrophob , an den Eingängen befinden sich jeweils negativ geladene Aminosäuren . Literatur: DA Doyle et al, The structure of the potassium channel: molecular basis of K+ conduction and selectivity, Science 280 (1998) 69-77 E Gouaux, Single potassium ion seeks open channel for transmembrane travels: tales from the KcsA structure, Structure 6 (1998) 1221-1226 Link zu einer VRML-Darstellung (RCSB [USA], erfordert COSMO-Player o.ä.). 2-99 - Rolf Bergmann
In der raumfüllenden Darstellung ist im Schnittbild unterhalb des Selektivitätsfilters (zum Cytoplasma hin) in dem Kaliumkanal eine Stelle mit größerem Durchmesser (c. 10Å) zu sehen. Dort gibt es eine bevorzugte Aufenthaltswahrscheinlichkeit für ein weiteres Kaliumion . Hier ist Platz genug für eine an das Ion gebundene Hydrathülle. Die Fixierung erfolgt durch das Dipolmoment der Poren-Helices. In diesen Helices ist die Ladung der Aminosäuren ungleichmäßig verteilt (rot = negativ, grün = positiv). Die innere Wand des Kanals ist überwiegend hydrophob , an den Eingängen befinden sich jeweils negativ geladene Aminosäuren . Literatur: DA Doyle et al, The structure of the potassium channel: molecular basis of K+ conduction and selectivity, Science 280 (1998) 69-77 E Gouaux, Single potassium ion seeks open channel for transmembrane travels: tales from the KcsA structure, Structure 6 (1998) 1221-1226 Link zu einer VRML-Darstellung (RCSB [USA], erfordert COSMO-Player o.ä.). 2-99 - Rolf Bergmann
