Kv 通道结构 - 功能关系的理论研究：电压传感器的静电学

电压门控离子通道介导细胞膜的电信号兴奋性。Kv 通道电压传感器 (VS) 的简化模型有助于深入理解高度带正电的 S4 跨膜结构域对膜电位变化及其他静电参数响应的静电物理机制。通过计算由静电能在平动和/或转动自由度上积分得到的配分函数，我计算了 S4 带正电残基排列的电荷位移期望值、能量学、平动与转动概率分布以及麦克斯韦应力；这些计算结果可与实验结果进行比较，以阐明 VS 各种假设原子级特征的作用。基于静电学理由，由于能量不利、电荷位移不足以及麦克斯韦应力过大，`桨板` 模型被否定。另一方面，具有三个局部反电荷、蛋白质介电系数为 4 且反电荷位置相对于 S4 螺旋正电荷周期间隔为 2/3 的`滑动螺旋`模型在静电学上是合理的，与 Shaker (Seoh et al., 1996) 的实验结果吻合良好。缺乏反电荷会使膜中的 S4 不稳定；反电荷间隔有助于确定 S4 运动范围内的能垒和势阱的数量与形状；而蛋白质的局部介电系数限制了能量极大值的高度。这些`滑动螺旋`模型与 Shaker 通道单突变和双突变电荷实验的实验结果相比表现良好。该模型对 S4 单正电荷突变体的预测相当准确；对单反电荷突变体的预测稍差；而对 S4 电荷与反电荷的双突变体的预测效果最差。