VII Съезд биофизиков России
Краснодар, Россия
17-23 апреля 2023 г.
Главная
О Съезде
Организаторы
Программный комитет
Программа Съезда
Место проведения Съезда
Проживание
Оргвзносы
Основные даты
Регистрация
Публикации материалов Съезда
Молодежный конкурс
Контакты
Тезисы
English version
Партнеры Съезда
Правила оформления докладов

Программа Съезда

Секции и тезисы:

Биофизика клетки. Мембранные и транспортные процессы

Нелокально-электростатический подход к катионной селективности моновалентных катионов в водной полости K+ канала в биомембране и к зарядовой селективности в плотных контактах между эпителиальными клетками

А.А. Рубашкин1*, П. Исерович2, О.С. Остроумова1

1.ИНЦ РАН, Санкт-Петербург, Россия;
2.Государственный университет Нью-Йорка, Медицинский центр нижнего штата, Бруклин, Нью-Йорк, США ;

* andrey.rubashkin(at)gmail.com

На важность анализа электростатических взаимодействий в водной полости ионного канала в биомембране для объяснения стабилизации катиона в полости указывалось в [1-2]. В [1] не рассматривалось изменение химического потенциала Δμ катиона при его переходе в полость KcsA K+ канала, поскольку предполагалось, что статическая диэлектрическая проницаемость ε в полости не отличается от ε воды во внешнем растворе. В [2] рассматривался преход катиона в циллиндрический канал, было показано, что ε воды в канале значительно меньше ее значения во внешнем растворе. Однако стабилизацию катиона в канале авторам объяснить не удалось, поскольку для оценки Δμ катиона использовалась классическая формула Борна, расчет по которой, как известно, дает завышенные величины для энергии сольватации иона W в растворе [3]. По этой причине в [1] значение ε в полости и было иыбрано равным 80, то есть ее значению в свободном растворе. Поэтому в [4] мы провели анализ возможности применения классической теории сольватации, основанной на формуле Борна, к объяснению как стабилизации катиона в водной полости канала, так и к возникновению катионной селективности в полости. Этот анализ показал невозможность объяснить стабилизацию катиона в полости на основе классической электростатики. В работе [5] мы рассматривали переход катиона из раствора в селективный фильтр канала, причем для расчета W мы использовали нелокально-электростатическую НЭ теорию, основы которой изложены в монографии [3].

В представленном здесь сообщении мы, применяем идеи наших работ [4,5] для моделирования процесса перехода моновалентных катионов в водную полость канала, и используем НЭ теорию для расчета W катиона как в свободном растворе, так и в водной полости канала. Явление возникновения K+/Na+ селективности в водной полости (Cav) ионного канала существенно отличается от механизма образования зарядовой селективности в плотных контактах (ПК) между эпителиальными клетками. Основной эффект здесь – различие ΔW для катионов K+ и Na+. Электростатическое взаимодействие иона с зарядами белков, окружающих полость важно для стабилизации катиона в водной полости, но не для возникновения катионной селективности в полости, которая рассчитывается по формуле: SK/Na(Cav)=exp[(−ΔμK)/kT]/exp[(−ΔμNa)/kT]. Расчет селективности, проведенный по этой формуле предсказывает существование K+/Na+ селективности в водной полости нанометровых размеров в пределах 1.4<SK/Na<8. При этом значение ε в полости канала варировалось от 2 до 10. Мы смогли объяснить стабилизацию катиона в полости, что невозможно сделать при таком большом отличии ε в полости от ее значения в свободном растворе при использовании классической теории сольватации.

Рассмотрим теперь общее и различие в процессах возникновения катионной селективности в каналах и зарядовой селективности в плотных контактах (ПК) между эпителиальными клетками. Теорию последней мы разработали в [6-8], используя НЭ теорию для расчета энергий сольватации ионов. Было показано, что Na+/Cl- возникала вследствии комбинации двух эффектов. Первый из этих эффектов – это электростатическое взаимодействие подвижных ионов с фиксированными зарядами макромолекул клаудина в ПК. Второй эффект – это увеличение корреляционной длины воды в ПК и как следствие - большие отрицательные значения энергий ΔW пересольватации Na+ и Cl-, приводящие к их низким концентациям внутри ПК. Высокая Na+/Cl- селективность в ПК обусловлена низкими ионными концентрациями в сочетании с взаимодействиями ионов с отрицательными зарядами клаудина в ПК. В формулу для расчета зарядовой селективности SNa/Cl в ПК входят изменения химических потенциалов ионов (Δμ=−ΔW) и электростатический потенциал в ПК (φTJ): SNa/Cl(TJ)={exp[(−ΔμNa)/kT]/exp[(−ΔμCl)/kT]}exp[−2eφTJ/kT]. Отметим, что последнего сомножителя не было формуле для катионной селективности.

Как катионную селективность в полости ионного канала, так и зарядовую селективность в плотных контактах невозможно объяснить, пользуясь классической теорией сольватации.



[1] Roux B., MacKinnon R. The Cavity and Pore Helices in the KcsA K+ Channel:

Electrostatic Stabilization of Monovalent Cations. Science, 1999, 285, p. 100–102.

[2] Partenskii M.B., Dorman V., Jordan P.C. Influence of a channel-forming peptide on energy barriers to ion permeation, viewed from a continuum dielectric perspective. Biophys. J., 1994, 67, p. 1429–1438.

[3] Воротынцев М.А., Корнышев А.А. Электростатика сред с пространственной дисперсией. Москва, Наука 1993.

[4] Рубашкин А.А., Остроумова О.С. Расчет K+/Na+ селективности в водной полости K+ канала по классической формуле Борна. Междунарадный научно-исследовательский журнал, 2022, № 11(125), с. 1–8.

[5] Рубашкин А. А., Исерович П. Новый подход к селективности ионных каналов: Нелокально-электростатическое рассмотрение. Доклады Академии Наук, 2007, 417(1), с. 121–124.

[6] Рубашкин А.А., Исерович П. 2018. Расчет Na+/Cl- селективности в плотных контактах между эпителиальными клетками методами нелокальной электростатики с полюсными моделями диэлектрической функции без эффекта переэкранирования. Цитология, 2018, 60(2), с. 136–143.

[7] Rubashkin A.A., Iserovich P., Vorotyntsev M.A. Physical origin of Na+/Cl− selectivity of tight junctions between epithelial cells. Nonlocal electrostatic approach. J. Mol. Liq. 2020, 317, p. 113884-1–113884-18.

[8] Рубашкин А.А., Исерович П., Воротынцев М.А. Теория обращения зарядовой селективности в катион- или анион- селективных плотных контактах между эпителиальными клетками: Нелокально-электростатический подход. Биофизика, 2021, 66, с. 99–106.

A nonlocal electrostatic approach to the cation selectivity of monovalent cations in the aqueous cavity of the K+ channel in a biomembrane and to the charge selectivity in tight junctions between epithelial cells

A.A. Rubashkin1*, P. Iserovich2, O.S. Ostroumova1

1.Institute of Cytology RAS, St. Petersburg, Russia;
2.SUNY Downstate Medical Center, Brooklyn, NY, USA;

* andrey.rubashkin(at)gmail.com

The importance of the analysis of electrostatic interactions in the water cavity of the ion channel in the biomembrane for explaining the stabilization of the cation in the cavity was pointed out in [1,2]. In [1], the change in the chemical potential Δμ of the cation during its transition to the cavity of the KcsA K+ channel was not considered, since it was assumed that the static permittivity ε in the cavity does not differ from ε of water in an external solution. In [2], the passage of a cation into a cylindrical channel was considered; it was shown that ε of water in the channel is much less than its value in the external solution. However, the authors failed to explain the stabilization of the cation in the channel, since the classical Born formula was used to estimate the Δμ of the cation, the calculation by which, as is known, gives overestimated values for the ion solvation energy W in solution [3]. Probably for this reason, in [1], the value of ε in the cavity was chosen to be 80, i.e., its value in a free solution. Therefore, in [4], we analyzed the possibility of applying the classical theory of solvation based on the Born formula to explain both the stabilization of the cation in the water cavity of the channel and the appearance of cation selectivity in the cavity. This analysis showed the impossibility of explaining the stabilization of the cation in the cavity on the basis of classical electrostatics. Earlier, in [5], we considered the transition of a cation from solution to a selective channel filter; to calculate W, we used the nonlocal electrostatic (NE) theory, the foundations of which are described in monograph [3].

In the report presented here, we apply the ideas of our works [4, 5] to model the process of transition of monovalent cations into the water cavity of the channel, and use the NE theory to calculate the W of the cation both in free solution and in the water cavity of the channel.

The appearance of K+/Na+ selectivity in the water cavity (Cav) of the ion channel differs significantly from the mechanism of charge selectivity formation in tight junctions (TJ) between epithelial cells. The main effect here is the difference in ΔW for K+ and Na+ cations.

The electrostatic interaction of the ion with the charges of proteins surrounding the cavity is important for the stabilization of the cation in the cavity, but not for the occurrence of cation selectivity, which is calculated by the formula: SK/Na(Cav)=exp[(−ΔμK)/kT]/exp[(−ΔμNa)/kT].

The selectivity calculation carried out using this formula predicts the existence of K+/Na+ selectivity in a nanometer-sized water cavity in the range 1.4<SK/Na<8. In this case, the value of ε in the channel cavity varied from 2 to 10. We were able to explain the stabilization of the cation in the cavity, which is impossible to do with such a large difference between ε in the cavity and its value in a free solution using the classical theory of solvation.

Let us now consider the general and the difference in the processes of occurrence of cation selectivity in channels and charge selectivity in tight junctions (TJ) between epithelial cells. We developed the theory of charge selectivity in TJ in [6–8], using the NE theory to calculate the solvation energies of ions. It was shown that Na+/Cl- selectivity arose due to a combination of two effects. The first of these effects is the electrostatic interaction of mobile ions with fixed charges of claudine macromolecules in TJ. The second effect is an increase in the correlation length of water in TJ and, as a consequence, large negative values of the Na+ and Cl- resolvation energies ΔW, leading to their low concentrations inside TJ. The high Na+/Cl- selectivity in TJ is due to low ionic concentrations in combination with the negative charges of claudine in TJ. The formula for calculating the charge selectivity of SNa/Cl in TJ includes changes in the chemical potentials of ions (Δμ=−ΔW) and the electrostatic potential in TJ (φTJ):

SNa/Cl(TJ)={exp[(−ΔμNa)/kT]/exp[(−ΔμCl)/kT]}exp[−2eφTJ/kT].

Note that the last factor was not a formula for cationic selectivity. Both the cation selectivity in the channel cavity and the charge selectivity in tight junctions cannot be explained using the classical theory of solvation.



[1] Roux B., MacKinnon R. The Cavity and Pore Helices in the KcsA K+ Channel:

Electrostatic Stabilization of Monovalent Cations. Science, 1999, 285, p. 100–102.

[2] Partenskii M.B., Dorman V., Jordan P.C. Influence of a channel-forming peptide on energy barriers to ion permeation, viewed from a continuum dielectric perspective. Biophys. J., 1994, 67, p. 1429–1438.

[3] Vorotyntsev M.A., Kornyshev A.A. Electrostatics of a medium with the spatial dispersion. Moscow: Nauka, 1993. 240 p. (in Russian).

[4] Rubashkin A.A., Ostroumova O.S. Calculation of K+/Na+ selectivity in the water cavity of the K+ channel by the classic Born rule. International research journal, 2022, № 11(125), p. 1–8.

[5] Rubashkin A.A., Iserovich P. A new approach to the selectivity of ion channels: Nonlocal electrostatic consideration. Dokl. Biochem. Biophys. 2007, 417, p. 302–305.

[6] Rubashkin A.A., Iserovich P. Calculation of Na+/Cl− selectivity in tight junctions between epithelial cells by methods of nonlocal electrostatics with pole models of dielectric function without an overscreening effect. Cell Tissue Biol. 2018, 12, p. 323–330.

[7] Rubashkin A.A., Iserovich P., Vorotyntsev M.A. Physical origin of Na+/Cl− selectivity of tight junctions between epithelial cells. Nonlocal electrostatic approach. J. Mol. Liq. 2020, 317, p. 113884-1–113884-18.

[8] Rubashkin A.A., Iserovich P., Vorotyntsev M.A. A theory of charge selectivity reversal in cation- or anion-selective tight junctions between epithelial cells: a nonlocal electrostatic approach. Biophysics. 2021, 66, p. 84–90.



Докладчик: Рубашкин А.А.
85
2022-12-29

Национальный комитет Российских биофизиков © 2022
National committee of Russian Biophysicists