Трансмембранные ионные градиенты неразрывно связаны с самим явлением жизни и присутствуют в клетках всех трех таксономических доменов (эукариот, бактерий, архей) — они лежат в основе биоэнергетики, возбудимости клеток и передачи сигналов. Однако разные ионы — например, катионы натрия (Na+), калия (K+) и кальция (Ca2+) — играют разные роли, и их концентрации в разных клеточных компартментах драматически отличаются. Созданием, поддержанием и управляемым сбросом ионных градиентов занимаются ионные насосы (АТФазы) и ионные каналы, многие из которых селективны к конкретному типу ионов. Таким образом, проблема ионной селективности является одной из ключевых в молекулярной биологии.

Важнейшим шагом к расшифровке механизма селективности стало установление пространственной структуры калиевого канала KcsA 25 лет назад [1], служащей прототипом строения всех калиевых и большинства других потенциал-чувствительных катионных каналов. Эта структура показала, что селективный фильтр канала, образованный несколькими “этажами” направленных в пóру карбонильных групп, идеально подходит для десольватации иона K+, окруженного восемью молекулами воды в стереометрии квадратной антипризмы. Другие ионы (Na+ и Ca2+) имеют другое строение гидратной оболочки, а потому не могут быть десольватированы калиевым каналом без энергетического штрафа, как в случае K+ — это и придает каналу селективность.

Однако несмотря на изученные с тех пор десятки структур различных калиевых и натриевых [2] каналов, механизм селективности последних для Na+ пока ускользает от исследователей. В этой работе мы пробуем расшифровать механизм ионной селективности, основываясь как на чисто “геометрическом” подходе, следующем напрямую из структур гидратных оболочек ионов; так и на моделировании молекулярной динамики (МД) ионных каналов и проходящих через их пору ионов.

Во-первых, мы проанализировали большинство доступных пространственных структур калиевых каналов при помощи разработанного нами геометрического подхода: среди множества атомов канала искали комбинации, соотвующие квадратной антипризме как в гидратной оболочке К+. Для избежания комбинаторного взрыва отбирали лишь те атомы белка, которые способны образовывать координационную связь в пределах небольшой окрестности. Реализовав алгоритм на Python и просканировав около 200 структур каналов, мы установили, что активные проводящие структуры селективных фильтров во всех случаях неукоснительно следуют “шаблону” гидратной оболочки K+. В отличие от них, структуры фильтров в непроводящей форме всегда заметно отклоняются от шаблона.

Во-вторых, с помощью расчетов МД мы показали, что в селективном фильтре симметричных тетрамерных бактериальных натриевых каналов наблюдается явление “поделенной” гидратной оболочки Na+ (бипирамида с шестью вершинами). В этом случае часть молекул воды из координационной сферы иона не замещается атомами белка (как это происходит в калиевых каналах), а координируется сольватируемыми группами в фильтре таким образом, чтобы формировать/достраивать гидратную оболочку иона. При этом в МД-расчетах с ионами K+ подобного явления не наблюдается. Мы предполагаем, что эффект “поделенной” оболочки играет важную роль в механизме селективности бактериальных натриевых каналов. Структура селективного фильтра этих каналов организована таким образом, что обеспечивает возможность транспорта ионов Na+ в полностью гидратированном состоянии. В то же время другие ионы обладают отличной от Na+ стереометрией гидратной оболочки и вынуждены замещать часть молекул воды атомами белка, что, по-видимому, повышает энергетический барьер для их прохождения через пору.

В дальнейшем мы планируем подступиться к проблеме селективности эукариотических натриевых каналов. Этот случай представляет особую сложность ввиду асимметричной структуры селективных фильтров у данных каналов, представляющих собой слитый псевдогетеротетрамер, и отсутствия легко различимых геометрических принципов, объясняющих селективность.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № 22-14-00395).



Литература

Doyle D.A., et al. (1998). The structure of the potassium channel: molecular basis of K+ conduction and selectivity. Science 280 (5360), 69–77.

Clairfeuille T., et al. (2019). Structural basis of α-scorpion toxin action on Nav channels. Science 363 (6433), eaav8573.

Transmembrane ion gradients underlie life itself and are inherent for all three domains of life (eukaryotes, bacteria, and archaea) as the basis for bioenergetics, cell excitability, and signal transduction. Moreover, different ions, e.g., sodium (Na+), potassium (K+) and calcium (Ca2+) cations, play individual roles with their concentrations varying dramatically in different cell compartments. Ion gradients are created, maintained and dissipated by ion pumps (ATPases) and ion channels, often selective to a certain ion type. Thus, the problem of ion selectivity is one of the most fundamental in molecular biology.

A giant leap to deciphering the mechanism of ion selectivity was made by the determination of the 3D structure of the potassium channel KcsA some 25 years ago [1], which became prototypical for all potassium and most other voltage-gated cation channels. That structure revealed a selectivity filter (SF) consisting of several layers of pore-lining carbonyl groups, perfectly desolvating K+ ions surrounded by eight water molecules in a square antiprism stereometry. Other ions (Na+ and Ca2+) possess different hydration shells and therefore cannot be desolvated by the potassium channel without energetic penalty, as it occurs for K+, which is, in fact, the mechanism of selectivity.

Although dozens of various potassium and sodium channel structures [2] have been studied since those times, the mechanism of Na+ selectivity still slips away from researchers. In this work, we try to figure it out by starting from purely geometric principles of ionic solvation shells and moving on to molecular dynamics (MD) simulations of ions passing through the channel pores.

First, we analyzed most of the available potassium channel structures (circa 200) using a Python-based geometric approach. Among all channel atoms, we selected the combinations that match the square antiprism, which describes the K+ hydration shell. To avoid combinatorial explosion, only atoms that are capable of ion coordination in a close vicinity are considered. Having performed a thorough scan, we demonstrate that conducting SF structures strictly follow the K+ hydration shell template. In contrast, non-conductive pores always exhibit a distorted SF geometry.

Second, in MD simulations of the symmetric tetrameric bacterial sodium channels, we found “shared” water molecules in the Na+ hydration shell (a bipyramid with six vertices). In this case the solvating water molecules are not substituted by the protein atoms (as in potassium channels), but are coordinated by them, supporting the hydration geometry. Interestingly, there is no such effect for K+ ions inside the bacterial sodium channels, suggesting that the “shared” hydration may play an important role for the Na+ selectivity, based upon fully solvated ion passage through the pore (compared to fully desolvated K+ in KcsA).

In this ongoing research we seek to explain Na+ selectivity in the eukaryotic voltage-gated sodium channels. This is the most complex case due to the asymmetric SF structure in these channels representing fused pseudo-heterotetramers, and absence of clear geometric principles underlying the selectivity.

The work is supported by the Russian Science Foundation (grant no. 22-14-00395).



References

Doyle D.A., et al. (1998). The structure of the potassium channel: molecular basis of K+ conduction and selectivity. Science 280 (5360), 69–77.

Clairfeuille T., et al. (2019). Structural basis of α-scorpion toxin action on Nav channels. Science 363 (6433), eaav8573.