The protonation state of the Glu-71/Asp-80 residues in the KcsA potassium channel: a first-principles QM/MM molecular dynamics study

doi:10.1529/biophysj.106.102509

.2007年10月1日；93(7):2315-24.

doi:10.1529/biophysj.106.102509。 Epub 2007年5月25日。

KcsA钾通道中Glu-71/Asp-80残基的质子化状态：第一原理QM/MM分子动力学研究

丹尼斯·布彻¹, 莱昂纳多·吉多尼, 乌苏拉·罗思伯格

附属公司

PMID： 17526559
预防性维修识别码：项目经理1965436
内政部： 10.1529/生物物理.106.102509

KcsA钾通道中Glu-71/Asp-80残基的质子化状态：第一原理QM/MM分子动力学研究

丹尼斯·巴彻等。生物物理学J. 2007.

.2007年10月1日；93(7):2315-24.

doi:10.1529/biophysj.106.102509。 Epub 2007年5月25日。

作者

丹尼斯·巴彻¹, 莱昂纳多·吉多尼, 乌尔苏拉·罗斯利斯伯格

附属

¹瑞士洛桑联邦理工学院EPFL、化学科学与工程研究所。

PMID： 17526559
预防性维修识别码：项目经理1965436
内政部： 10.1529/生物物理.106.102509

摘要

虽然KcsA K（+）通道的一些x射线结构已经结晶，但关于离子渗透机制和选择性过滤器的质子化状态的几个问题仍然没有解决。利用第一原理量子力学/分子力学模拟方法，我们研究了位于选择性过滤器附近的两个重要残基Glu-71和Asp-80的质子化状态。动力学结果表明，两个残基之间共享一个质子，对Glu-71略有偏爱。质子被发现在皮秒时间尺度上交换，这是经典分子动力学中无法观察到的有趣现象。对过滤器不同离子负载状态的模拟表明，质子转移概率与过滤器占用率相关。此外，Glu-71/Asp-80对能够调节K（+）离子沿孔轴平移时所经历的势能分布。这些理论预测以及最近的实验结果表明，过滤器结构的改变可能与Glu-Asp质子化状态的改变有关，这反过来会影响离子移位。

PubMed免责声明

数字

图1
模拟快照。(*左侧面板*)模拟系统示意图。两个通道子单元显示为卡通，K⁺离子作为球体，体积水分子和空腔水分子作为棒子。箭头所示区域浸入n个-辛烷值（未显示）。(*右侧面板*)选择性过滤器的详细信息。残基Glu-71/Asp-80位于选择性滤光片指纹附近⁺结合位点（S₁–S₄)指示选择性过滤器内部。在模拟中研究了滤波器的两种不同加载状态：(一)S中的离子₁，S_三，S中的水₂，S_4;和(B类)S中的离子₁，S₄，S中的水₁，S_三.

图2
(顶部)结晶水分子的取向(*WAT公司*). (一)氢键受体(虚线)与Leu-81的O–O距离（2.67º）；Glu-71（2.91Å）；Asp-80（3.21º）在x射线结构中。(B类)WAT与残基Glu-71/Asp-80的相互作用。如果距离O–H为_（瓦）(*实心暗线*)小于3°，角度O–H_（瓦）–O型_（瓦）(*实心光线路*)大于130°。(底部)经典仿真和QM/MM仿真中WAT协调的比较。WAT与Glu-71（在QM/MM中）相协调，而不是Asp-80（在经典模拟中）。水的偶极矩指向选择性过滤器的芯内侧，使Tyr-78羰基变得更加灵活，并暴露在溶剂中。在QM/MM模拟中可以看到不同的模式，其中水分子与Glu-71和Asp-80 N-H结合，使其偶极子朝向细胞外侧并稳定Tyr-78环。

图3
(顶部)关于残基Glu-71模拟的第一帧的RMSD(*深色细线*)，天冬氨酸-80(*轻薄线条*)、和(*WAT公司*) (*深色粗线条*). (底部)12-ps QM/MM模拟期间Glu-71和Asp-80之间的质子交换。到Asp:O的距离(*黑暗的*)和Glu:O(光).

图4
Glu-71/Asp-80对的电离状态。从过滤器的状态A和B开始，在100 K下进行QM/MM模拟。(*左侧面板*)质子到Asp-80氧气的距离(虚线)和Glu-71氧气(*大胆的*). (*右侧面板*)质子在距Asp-80氧气一定距离处的分布直方图。为了绘制直方图，每隔50 a.u.收集一次轨迹帧，并将其放入200个箱子中。

图5
重建的自由能曲线（Δ*G公司*)对于状态A的两个QM/MM模拟(实线)和B(虚线). 气相ΔE类BLYP级别的计算（如图所示）与QM/MM第一原理模拟在定性上一致。

图6
(一)选择性过滤器内点电荷的等势能轮廓。所有四个Glu-71和所有四个Asp-80残基的质子化差异以kcal/mol表示。结合位点S₀–S₄用十字表示。的起源*z（z）*轴取自Thr-75 OH侧链位置的过滤器入口。(B类)等值线为0.002 e/au^三两个质子化态之间的电子密度差图。电子密度差正值(左边)和负值(*正确的*). 仅显示了通道的一个子单元中滤波器的主干原子。(C类)沿选择性过滤器K的静电势⁺离子途径。四个内结合位点S₁–S₄用箭头表示。

请参阅PMC中的此图像和版权信息

类似文章

Glu-71在KcsA K（+）通道中的电离态和构象。
Bernèche S，Roux B。 Bernèche S等人。《生物物理学杂志》，2002年2月；82(2):772-80. doi:10.1016/S0006-3495（02）75439-8。《生物物理学杂志》，2002年。 PMID：11806919 免费PMC文章。
双层膜中KcsA K（+）通道的分子动力学。
Bernèche S，Roux B。 Bernèche S等人。《生物物理学杂志》2000年6月；78(6):2900-17. doi:10.1016/S0006-3495（00）76831-7。《生物物理学杂志》2000年。 PMID：10827971 免费PMC文章。
钾离子通道中的侧链电离态。
Ranatunga KM、Shrivastava IH、Smith GR、Sansom MS。 Ranatunga KM等人。生物物理杂志，2001年3月；80(3):1210-9. doi:10.1016/S0006-3495（01）76097-3。《生物物理学杂志》，2001年。 PMID：11222285 免费PMC文章。
K+通道中的多样化门控：孔螺旋谷氨酸在稳定通道孔中的不同作用。
拉贾·M·。拉贾·M·。生物化学与生物物理研究委员会。2011年9月16日；413(1):1-4. doi:10.1016/j.bbrc.2011.08.062。Epub 2011年8月22日。生物化学与生物物理研究委员会。2011 PMID：21872570 审查。
细菌反应中心Q（B）位置电子转移与质子吸收的耦合：FTIR差分光谱的观点。
Nabedryk E，Breton J。 Nabedryk E等人。 Biochim生物物理学报。2008年10月；1777(10):1229-48. doi:10.1016/j.bbabio.2008.06.012。Epub 2008年7月11日。 Biochim生物物理学报。2008 PMID：18671937 审查。

查看所有类似文章

引用人

氟在CLC转运体中的转运和抑制。
Asgharpour S、Chi LA、Spehr M、Carloni P、Alfonso-Prieto M。 Asgharpour S等人。 Handb实验药理学。2024;283:81-100. doi:10.1007/164_2022-593。 Handb实验药理学。2024 PMID：36042142
控制钾在KcsA离子通道中渗透的强相关残留动力学网络的解开。
Cosseddu SM、Choe EJ、霍瓦诺夫IA。 Cosseddu SM等人。熵（巴塞尔）。2021年1月6日；23(1):72. doi:10.3390/e23010072。熵（巴塞尔）。2021 PMID：33418985 免费PMC文章。
膜双层厚度对KcsA通道活性的影响。
卡拉汉KM、蒙杜B、萨塞维尔L、施瓦茨JL、达凡佐N。卡拉汉·KM等人。频道（奥斯汀）。2019年12月；13(1):424-439. doi:10.1080/19336950.2019.1676367。频道（奥斯汀）。2019. PMID：31608774 免费PMC文章。
氯离子通过大肠杆菌CLC氯^-/H（H）⁺反转运：一项量子力学和分子力学相结合的研究。
Wang CH、Duster AW、Aydintug BO、Zarecki MG、Lin H。 Wang CH等。前部化学。2018年3月13日；6:62. doi:10.3389/fchem.2018.00062。2018年eCollection。前部化学。2018 PMID：29594103 免费PMC文章。
离子通道的建模和仿真。
Maffeo C、Bhattacharya S、Yoo J、Wells D、Aksimentiev A。 Maffeo C等人。《化学评论》2012年12月12日；112(12):6250-84. doi:10.1021/cr3002609。Epub 2012年10月4日。《化学评论》，2012年。 PMID：23035940 免费PMC文章。审查。没有可用的摘要。

查看所有“被引用”文章

工具书类

1. Tempel，B.L.，Y.N.Jan和L.Y.1988年1月。小鼠脑钾通道基因的克隆。自然。332:837–839.-公共医学
1. Hille，B.2001年。可激发膜的离子通道。马萨诸塞州桑德兰市西诺协会。
1. Doyle，D.A.、J.M.Cabral、R.A.Pfuetzner、A.Kuo、J.M Gulbis、S.L.Cohen、B.T.Chait和R.MacKinnon。1998。钾通道的结构：K+传导和选择性的分子基础。科学。280:69–77.-公共医学
1. Jiang，Y.X.，A.Lee，J.Y.Chen，V.Ruta，M.Cadene，B.T.Chait和R.MacKinnon。2003.电压依赖型K+通道的X射线结构。自然。423:33–41.-公共医学
1. Zhou，Y.F.、J.H.Morais-Cabral、A.Kaufman和R.MacKinnon。2001年，通过2.0埃分辨率的K+通道-Fab络合物揭示了离子配位和水合化学。自然。414:43–48.-公共医学

MeSH术语

行动
行动
行动
行动
行动
行动
行动
行动
行动
行动
行动
行动
行动
行动
行动
行动

LinkOut-更多资源

全文源

[1] Tempel，B.L.，Y.N.Jan和L.Y.1988年1月。小鼠脑钾通道基因的克隆。自然。332:837–839.-公共医学

[2] Tempel，B.L.，Y.N.Jan和L.Y.1988年1月。小鼠脑钾通道基因的克隆。自然。332:837–839.-公共医学

[3] Hille，B.2001年。可激发膜的离子通道。马萨诸塞州桑德兰市西诺协会。

[4] Hille，B.2001年。可激发膜的离子通道。马萨诸塞州桑德兰市西诺协会。

[5] Doyle，D.A.、J.M.Cabral、R.A.Pfuetzner、A.Kuo、J.M Gulbis、S.L.Cohen、B.T.Chait和R.MacKinnon。1998。钾通道的结构：K+传导和选择性的分子基础。科学。280:69–77.-公共医学

[6] Doyle，D.A.、J.M.Cabral、R.A.Pfuetzner、A.Kuo、J.M Gulbis、S.L.Cohen、B.T.Chait和R.MacKinnon。1998。钾通道的结构：K+传导和选择性的分子基础。科学。280:69–77.-公共医学

[7] Jiang，Y.X.，A.Lee，J.Y.Chen，V.Ruta，M.Cadene，B.T.Chait和R.MacKinnon。2003.电压依赖型K+通道的X射线结构。自然。423:33–41.-公共医学

[8] Jiang，Y.X.，A.Lee，J.Y.Chen，V.Ruta，M.Cadene，B.T.Chait和R.MacKinnon。2003.电压依赖型K+通道的X射线结构。自然。423:33–41.-公共医学

[9] Zhou，Y.F.、J.H.Morais-Cabral、A.Kaufman和R.MacKinnon。2001年，通过2.0埃分辨率的K+通道-Fab络合物揭示了离子配位和水合化学。自然。414:43–48.-公共医学

[10] Zhou，Y.F.、J.H.Morais-Cabral、A.Kaufman和R.MacKinnon。2001年，通过2.0埃分辨率的K+通道-Fab络合物揭示了离子配位和水合化学。自然。414:43–48.-公共医学

将引文保存到文件

电子邮件引文

添加到集合

添加到我的书目

您保存的搜索

为外部引文管理软件创建文件

您的RSS源

KcsA钾通道中Glu-71/Asp-80残基的质子化状态：第一原理QM/MM分子动力学研究

附属

KcsA钾通道中Glu-71/Asp-80残基的质子化状态：第一原理QM/MM分子动力学研究

作者

附属

摘要

数字

类似文章

引用人

工具书类

MeSH术语

物质

LinkOut-更多资源

全文源

摘要

数字

类似文章

引用人

工具书类

MeSH术语

物质

相关信息

LinkOut-更多资源

全文源