決定鈉/鉀離子通道選擇性的因子
13th 生化&微生物教學 彭偉峰
摘要： 鈉離子及鉀離子在人體生理扮演重要的角色，包括神經動作電位與人體電解 質平衡等。而這兩種單價陽離子通道具有十分優異的選擇性，由於缺乏高解析度 的蛋白質X光晶體繞射結果，關於此方面實驗及理論的研究，尚未有系統性的研 究。Lim及Dudev在Journal of American Chemistry Society發表的計算研究指 出，鈉及鉀離子通道的選擇性與蛋白質結構及熱力學因素有關，而且決定離子通 道選擇性的因子在鈉及鉀離子通道中是近乎相反的，單價陽離子的配位數 (Coordination Number, CN)、水合 1數 (Hydration Number, HN)、配基種類以及 離子通道中決定選擇性位置的物理條件均是影響離子通道選擇性的因子。 介紹： 單價離子在人體扮演十分重要的角色：體液恆定性、肌肉收縮、感覺以及訊 息傳導等。鈉離子濃度在胞外較多：鉀離子濃度在胞內較多，單價離子運輸是由 細胞膜上的通道負責，鈉及鉀離子通道具有優異的選擇性，鉀與鈉通過鉀離子通 道的比率為 1000:1；而鈉與鉀通過鈉離子通道的比率為 500:1，陰離子及二價離 子均不能通過兩類通道。雖然鈉離子及鉀離子均為鹼金族元素，化學及物理性質 相似，且他們的離子半徑 2相當，但生物體內的離子通道仍然能夠「分辨」這兩 種離子，並作出正確的選擇。 鈉離子通道分為兩類：一類為上皮細胞鈉離子通道/Degenerin家族 3；一類 為電壓敏感鈉離子通道。上皮細胞鈉離子通道具有 3 個次單元 (α,β,γ)，目前關 於這類通道選擇性的研究都是來自於定點突變(site-directed mutagenseis)，研究 指出次單元上的絲胺酸(serine, Ser)與離子選擇性有關係，至於是絲胺酸的殘基 上的氧離子還是碳骨架上的氧離子與鈉離子產生作用，尚沒有定論。 電壓敏感鈉離子通道與上皮細胞鈉離子通道不同，它具有 4 個次單元而不是 3 個次單元，而在 4 個次單元上的 4 種胺基酸DEKA 4，被認為是決定此類鈉離子 通道的因子，研究指出將K替換為其他的胺基酸，甚至連同樣帶正電的精胺酸 (Arginine, Arg)都會影響甚至逆轉其選擇性。 在鉀離子通道的選擇性研究中，”snug 5-fit”為一經典理論，內容為”鉀離子通 道的構造精確符合鉀離子半徑，因此對於相對小的鈉離子便無法與之緊密結 合”。在另外的研究中指出鉀離子通道中的配基CO若與鈉離子結合後，兩個CO 配基會產生互相排斥的現象 (carbonyl-repulsion)，因此鈉離子的CO配基成為決 定選擇性的因子，而其他通道的結構則與決定離子選擇性無關。 1
極性溶劑分子(水)可以產生偶極，這些分子具有較高的介電常數。水藉由靜電力讓部分帶電區域 與離子接觸，進而溶解溶質，這樣的現象穩定了系統並在離子外產生一層水合層。 2 在六配位的情況下，鈉離子半徑為 1.02Ǻ；鉀離子半徑為 1.38Ǻ。 3 Degenerin /Epithelial sodium channel superfamily (DEG/ENaC)一個蛋白質超家族，N 及 C 端在細 胞內，具有 2 個疏水性過膜結構，在胞外有一個 loop。 4 D: Aspartic acid, Asp,天門冬胺酸；E: Glutamic acid, Glu,麩胺酸：K: Lysine, Lys,離胺酸；A: Alanine, Ala,丙胺酸。 5 Snug (v.)使緊貼合身。
在Lim及Dudev的研究中，他們使用連續介電方法(continuum dielectric method, CDM)、密度泛函理論(density functional theory, DFT)來進行理論研 究。單價離子通道的選擇性可以被視為溶劑及蛋白質配基對天然對應離子及其 「對手」離子的競爭 6，這樣的模式可以利用自由能 7 (free energy, ΔGx)來評估： +
+
+
+
[Na -aq] + [K -filter]→[Na -filter] + [K -aq]------------------------------------------------------(1)
在方程式(1)中，[M+-aq]及[M+-filter] (M=Na or K)分別代表在通道外水合態的單 價金屬離子及在通道內filter8的單價陽離子，而在介電常數 9為ε=x 的環境下，這 個離子交換方程式的自由能： ΔG =ΔG + ΔGsolv ([Na -filter]) + ΔGsolv ([K -aq]) -ΔGsolv ([K -filter]) - ΔGsolv ([Na -aq])--- (2) x
1
x
+
x
+
x
+
x
+
ΔG1是氣態的自由能，ΔGsolvx是一個分子由氣相轉移至某個介電常數為x的環境 下的自由能，以下部分，若你對物理沒興趣，可以跳過，不會影響你的閱讀理解。 在研究中，密度泛函理論及從頭計算法(ab initio)被使用來計算分子在 T=298.15K時的電子運動能量(ΔEel)、零點能量( ΔEth)及熵( ΔS)，並利用方程式(3) 來計算ΔG1。而ΔGsolvx則是以差分法(finite difference method)計算泊松方程式 (Poisson’s equation) 來估計。 ΔG = ΔEel + ΔEth + ΔPV – TΔS---------------------------------------------------------------------------- (3) 1
決定鉀離子通道選擇性的因子： 決定計算模型中鉀離子的水合數 為了實驗的精確性，研究團隊計算在水溶液中將18-冠-6醚中心的K+換成 Na+的ΔG(K+→Na+)是否與實驗數據2.0±0.1 kcal/mol相當，其中不同反應的K+的 水合數不同，其中[Na(H2O)6]+ + [K(18-crown-6)]+ →[Na(18-crown-6)]++[K(H2O)6]+的 ΔG(K+→Na+)計算出來為1.4 kcal/mol，最接近實驗數據，因此推斷K+在水中成 + [K(H2O)6] (與6個H2O水合的狀態)。 表格一：在不同環境下以羰基為配基的 filter 經計算過後的 ΔEel, ΔEth, ΔS, ΔG
表格一：在不同環境下以羰基為配基的 filter 經計算過後的 ΔEel, ΔEth, ΔS, ΔG(kcal/mol) 6
“…competition between the bulk solvent and the protein ligands for the native ion and a “rival” cation.” J. Am. Chem. Soc. 131, 8092-8101 7 在熱力學當中，自由能指的是在某一個熱力學過程中，系統減少的內能中可以轉化為對外作功 的部分，它衡量的是：在一個特定的熱力學過程中，系統可對外輸出的「有用能量」 。在此，我 們使用的「自由能」為吉布斯自由能 (Gibbs Free energy)。 8 在這篇文章中，我們定義一個離子通道中決定選擇性的位置為 filter。 9 介電常數 (dielectric constant)，又名相對電容率 (relativity static permittivity)，為電容率與真空 電容率之比，相對電容率是物質集中靜電通量線的程度，真空中為 1、高極性的水為 80。
圖 1：鉀離子通道的球棍模型，(a)以-CONH2 為配基的 4 個次單元 filter；(b)以-CONH2 為配基的 5 個次單元 filter；(c)以-OH 為配 基的 4 個次單元 filter。綠：C,藍：N,紅： O,灰：H,洋紅；K
圖 2：鉀離子通道的球棍模型，(a)以-CONH2 為配基的 6 個次單元 filter；(b)以-CONH2 為配基的 8 個次單元 filter。綠：C,藍：N, 紅：O,灰：H,洋紅；K
以羰基為配基的 filter 的離子選擇性─鉀離子的水合數 為了要了解 K+水合程度對鉀離子通道選擇性的影響，研究團隊計算 K+的水 合數 6,7,8 對 ΔGx 影響，若以表格一中的數據，每 3 個反應為一組來看，比較 ΔGx (x=4,10,20)可以發現，K+的水合數越多，filter 越容易選擇 K+ (ΔGx 越偏向正數)。 然而在缺乏溶劑的環境，選擇性卻是逆轉的，即 K+的水合數越多，離子通道越 偏向於選擇 Na+ (ΔGx 越偏向負數)，原因為在缺乏蛋白質基質的情況下，K+再與 一個水進行水合所增加的焓相對於水合後所減少的熵來的重要，因此離子的水合 數及離子通道的蛋白質基質均是影響選擇性的因素，而相對於鈉離子，K+擁有較 高的水合數，是影響鉀離子通道選擇性的因素之一。 以羰基為配基的 filter 的離子選擇性─通道內離子的部分水合 在某些情況下，離子通道的配基若不能滿足離子的配位數，水就會在 filter 中成為離子的配基之一，為了檢驗這個現象，表格一的反應 4 到 6 中的離子通 道均有一個水與離子進行配位，實驗數據顯示反應 4 到 6 與反應 1-3 的 ΔGx(x=1-20)並無太大的差別，因此在特定的配位數下，通道內離子的部分水合 不影響離子通道的選擇性。 以羰基為配基的 filter 的離子選擇性─暴露於溶劑中的程度 暴露於溶劑中的程度在本實驗中取決於介電常數，在表格一中可以看出，表 中每一個反應的 ΔGx(x=4-20)均是同號的，即增加 filter 暴露於溶劑中的程度， 不逆轉離子通道的選擇性，。 以羰基為配基的 filter 的離子選擇性─羰基的數量 為了要檢驗羰基的數量對通道選擇性的影響，具有 4,5,6,8 個醯胺基的模型 被用來比較，在固定的 K+水合數下，越多的配基數量增加了離子通道的選擇性，
因此，具有 8 配基的 filter，在 K+的水合數為 8 的情況下，被認為是擁有最佳選 擇性的 filter。Na+的半徑較 K+小，若與 8 個羰基結合後，羰基之間會產生排斥 力，反而影響 Na+與 filter 結合的穩定性，而在氣相(x=1)的環境下，在低配位數， 且 K+水合數為 6 的情況下，中心離子跟配基之間的作用力大與配基之間的排斥 力，故 Na+與 filter 之間的結構是穩定的，但隨著配數的增加，配基之間的排斥 力增加，Na+與 filter 之間的結構穩定性便被破壞了。 以羰基為配基的 filter 的離子選擇性─filter 的彈性 (flexibility) 前面的計算都是在配位數不變的情況 下進行的，即通道的模型是固定的，由於 羰基之間的排斥力，Na+在配基多於 4 個的 情況下與通道的結合會變得不穩定，因 此，若設計一個足夠有彈性的模型，使 Na+ 能選擇適合自己的配位型態，便能證實 Na+相對於 K+比較偏好配位數少的狀況。 一個五配位跟四配位的通道被拿來進行自 由能的計算，比較圖 3(a)與(b)的結果可以 發現，當配位數減少時，鉀離子通道的選擇 圖 3：在以醯胺基為配基的五個次單元 filter + + + 的 K →Na 自由能(kcal/mol)，(a) Na 與 5 個 性會逆轉。 + 以羥基為配基的 filter 的離子選擇性
羰基結合(b) Na 與 4 個羰基結合。綠：C,藍： N,紅：O,灰：H,洋紅；K,青：Na
雖然鉀離子通道內的filter均以羰基為配 基，但仍然不知道以羰基為配基是否是決定 鉀離子通道選擇性的因子，因此一個以 4 個 羥基做為配基的filter被拿來模擬具有蘇胺酸 跟絲胺酸 10的filter，在圖 4 中可以發現以 4 個羥基做為配基的filter，它的ΔGx(x=1-10) 均為正的，而且它對於離子的選擇性比以羰 基為配基的filter來的好，原因是，-OH的配 基強度較弱 11，如此的特性會使配基與Na+ 的鍵結大大減弱，這樣的結果與Noskov 12團 隊的結果相當，他們發現配基的強度越弱， 鉀離子通道越容易選擇K+，而這樣的計算也 證實，除了羰基外，以羥基為配基的filter也 具有良好的選擇性。
圖 4：(a)4 個-CONH2 配基(b)4 個-OH 配基， + + filter 的 K →Na 自由能(kcal/mol) 。綠：C, 藍：N,紅：O,灰：H,洋紅；K,青：Na
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絲胺酸(serine, Ser)及蘇胺酸(threonine, Thr)為常見的 20 種胺基酸中側鏈尾端具有羥基的胺基 酸。 11 配基的強弱是指配基對中心離子的作用，在文章中所提到的配基強度 CO(羰基)＞OH-(羥基) 12
同參考資料 9， Noskov, S. Y.；Roux, B. (2006) Ion Selectivity in Potassium Channels,
Biophys. Chem., 124,279-291
決定鈉離子通道選擇性的因子：
表格二：在不同環境下以羥基為配基的 filter 經計算過後的 ΔEel, ΔEth, ΔS, ΔG(kcal/mol)
上皮細胞鈉離子通道的選擇性─鉀離子的水合數 在氣相的環境下，K+的水合數越高， filter 越容易選擇 Na+，當 K+的水合數從 6 增加到 8，ΔEel 下降的較 TΔS 多，因此 ΔG1 也下降了一些，這表示在缺乏蛋白質基質 的情況下，K+再與一個水進行水合所增加 的焓相對於水合後所減少的熵來的重 要。而當環境的介電常數增加後，從表二 中的數據(x=4-20)可以看出，當 K+的水合 數增加，filter 越容易選擇 K+，這樣的結 果表示，一個較喜歡 K+在低水合數的狀態 的 filter，在通道中比較容易選擇 Na+。 上皮細胞鈉離子通道的選擇性─暴露於溶 劑中的程度 在Varma 13團隊的研究中發現介電常 數與K+的水合數呈負相關，也就是說：金 屬離子的結合處若暴露在溶劑中的程度 越高(介電常數越高)，它越喜歡擁有低水 合數的K+，同樣的也較喜歡與Na+結合。 表格二的結果顯示增加filter暴露在溶劑 中的程度，filter較容易選擇Na+。 13
圖 5：鈉離子通道的球棍模型，(a)以-OH 為配基的 3 個次單元 filter；(b)以-OH 為配 基的 4 個次單元 filter；(c)以-CONHCH3 為配基的 3 個次單元；(c)以-COO 為配基 的 3 個次單元 filter。綠：C,藍：N,紅：O, 灰：H,紫；K
同參考資料 11，Varma, S.；Rempe, S.B. (2007) Tuning ion coordination architectures to enable selective partitioning, Biophys. J., 93, 1093–1099
上皮細胞鈉離子通道的選擇性─羥基的數量 為了檢驗羥基數量對 filter 選擇性的影響，具有 3 個及 4 個 OH 配基的模型 被拿來計算，比較 ΔGx(x=4-20)後可以發現，Na+較容易與較低數目的配基形成 鍵結，這樣的結果顯示 Na+並不傾向太擁擠的配位形式，即高配位數會造成對於 鍵結穩定性有負向影響的配基之間之排斥力，影響大過配基與中心間的鍵結力 量。 配基的強弱 在這個部份，三個次單元的 模型中以不同的官能基(-OH, -COO, -CONHCH3 )當做配基，結 果顯示，擁有越強的配基的 filter 較容易選擇 Na+，即擁有 -CONHCH3 配基的 filter 相對於擁 有-OH 配基的 filter 較容易選擇 Na+，羰基相對於羥基有較高的偶 極。若將圖 6(b)filter 中 1 至 2 個 羰基更換為與中心離子作用更強 的羧基，結果顯示 filter 更加容易 選擇 Na+，但若將 3 個羰基都更換 為羧基，ΔG1 並沒有繼續下降，即 圖 6(e)的 ΔG1 並沒有比圖 6(c)及 圖 6(d)的 ΔG1 來的負，反而是上 圖6：(a)[filter3-(OH)3], (b) [filter3-(CONHCH3)3], 升，原因可能是與 Na+配位的 3 (c) [filter3-(CONHCH3)2(COO)], 個羧基之間的排斥力較與 K+配位 (d) [filter3-(CONHCH3)(COO)2], (e) [filter3-(COO)3]3 + + →Na 自由能(kcal/mol) 。綠：C, 個次單元filter的K 的 3 個羧基之間的排斥力來的大。 藍：N,紅：O,灰：H,紫：Na
金屬離子在 filter 中的部分水合 為了要了解金屬離子在 filter 中部分水合對選擇性的影響及配位數的改變， 以-OH, -COO, -CONHCH3 當做配基的 3 個次單元 filter (圖 7)，在 K+與上述配基 與一個水進行配位的情況進行計算，金屬離子在 filter 中部分水合使配位數從 3 增加到 4，這樣的變化使 filter 較不容易選擇 Na+。金屬離子在 filter 中部分水合 對 filter 選擇性所造成的影響與配基的強度成負相關，在以-OH 為配基的 filter 中 特別明顯，而在比較強的配基中則較不明顯，即水對整個結構能量的貢獻度隨著 配基的強度增加而減弱。 若與更多的水進行配位而增加金屬離子的配位數，如圖 8，Na+及 K+均為六 配位狀態 filter 中帶有 3 個水且均與一個具有 3 個次單元的 filter 結合，圖 8(a) 的 ΔG4/ΔG20 數值減少了約 2kcal/mol，若 filte 的構形允許 Na+選擇較 K+小的配 位數，那麼 filter 選擇 Na+的機會增加；如圖 8(b)反應中，當六配位 K+換成四配 位而非六配位的 Na+時，這裡的 filter 較圖 8(a)的容易選擇 Na+。
圖7：(a)[filter3-(OH)3], (b)[filter3-(CONHCH3)3], (c)[filter3-(COO)3]3個次單元filter中部分 + + 水合的K →Na 自由能(kcal/mol) 。綠： C,藍：N,紅：O,灰：H,紫：Na
圖 9：具有 DEKA filter 的鈉離子電壓敏感通 道：(a)DEKAbb (b)DEK0Abb (c)DEKAsc，K0 代表 Lys 的去質子化，Abb 及 Asc 代表 Ala 的碳骨架 或是側鏈面向通道內腔，[NaW6]+ + [K+-filter4]→ [Na+-filter4] + [KW6]+ 的自由能 在圖的右方(kcal/mol)。綠：C,藍：N,紅：O, 灰：H,紫：Na
圖8：(a)六配位，配基為3個水及3個羧基 (b)四配位，配基為1個水及3個，羧基在 + + [(H2O)3-filter3-(COO)3]中K →Na 自由能 (kcal/mol) 。綠：C,藍：N,紅：O,灰：H, 紫：Na,橘：K
圖 10：具有 DEKA filter 的鈉離子電壓敏感通 道，其中 K 被突變了(a)DERA 模擬精胺酸取 代(b)DEQA 模擬帶有醯胺基的胺基酸 (c)DE(D/E)A 模擬天門冬胺酸/麩胺酸取代。 [NaW6]+ + [K+-filter4]→ [Na+-filter4] + [KW6]+ 的自由 能在圖的右方(kcal/mol)。綠：C,藍：N,紅： O,灰：H,紫：Na
離子通道的大小與彈性 為了要了解離子通道的大小以及彈性對選擇性的影響，圖 5(a)與(c)模型被 拿來使用，計算 Na+被更換為 K+的 ΔG，當 K+進入較狹小的鈉離子模擬 filter 中， 由於 K+在這樣的狀態中的 ΔEel 較在鉀離子通道的 filter 中高，這樣的反應在生理 狀態下是不會發生的，相對於表格二中氣相狀態的 ΔEel，這兩個模型中 K+將換 成 Na+的 ΔEel 分別下降了 19.0 及 23.6 kcal/mol，這樣的結果表示 filter 在這樣 的情況中依然較易選擇 Na+，上述能量的變化與通道的半徑成負相關，圖 5(a) 模型的半徑(Rpore=2.32 Ǻ)較圖 5(c)大(Rpore2.22 Ǻ)，而圖 5(c)模型的相對於(a)較 容易選擇 Na+。通道半徑則與熵變相關。經過計算，將鈉離子通道中的 Na+換成 K+所需要的能量是將鉀離子通道中 K+的換成 Na+的兩倍，這樣的結果顯示離子 通道的大小與彈性是決定離子通道選擇性的因素之ㄧ。 電壓敏感鈉離子通道的選擇性─DEKA 模型 接下來的計算實驗著重於電壓敏感通道的 DEKA 模型，因為沒有完整的 3D 模型，下列幾個問題仍然沒有定論：(1)離胺酸的胺基是否質子化、(2)丙氨酸側 鏈的方向、(3)為何離胺酸突變後會引起離子通道選擇性劇烈的變化及(4)”靜態” 與”動態”模型哪一個較符合真實狀況。 (a)野生型(wild type)DEKA 模型 為了要了解 DEKA 模型在生理狀態下運作的方式，(1)是丙胺酸側鏈甲基還 是丙胺酸的碳骨架面向通道內腔、(2)離胺酸的胺基是否質子化，等幾個結構上 的變化在模型設計中被考慮，在圖 9 中顯示，DEKA 是一個具有 4 個次單元體的 filter，而 Na+只與其中的 3 個配基進行配位，即天門冬胺酸及麩胺酸羧基上的氧 原子與丙胺酸羰基上的氧原子；而另一種可能的配位方式則是，若丙胺酸的碳股 架位轉向內腔，Na+與其一個羧基以單牙基，而與另一個羧基形成雙牙基的方式 配位。 不管離胺酸的側鏈是否質子化，離胺酸都不直接與 Na+形成鍵結，而是與鄰 近的羧基或是碳基以氫鍵的方式作用，如此現象決定的通道的構形，也與離子通 道的選擇性有關。上述的情況在離胺酸側鏈質子化即圖 9(a)較明顯，圖 9(a)模型 (σ=5.4 Ǻ2) 的面積較圖 9(b)小(σ=6.0 Ǻ2)，從上面的結果得知，圖 9(a)的模型較 容易選擇 Na+，總而言之側鏈質子化的離胺酸模型較側鏈未質子化的離胺酸模型 容易選擇 Na+。 丙胺酸的碳股架也對離子通道的選擇性做出貢獻，它的羰基上的氧原子可以 與 Na+產生配位作用，之後也會與鄰近的離胺酸互動。當模型中的醯胺基被換成 甲基，也就是圖 9(c)的狀態，丙胺酸與離胺酸的氫鍵消失，Na+與其一個羧基以 單牙基，而與另一個羧基形成雙牙基的方式配位，圖 9(c)的模型幾乎失去選擇 性，這樣的的結果顯示當丙胺酸的碳股架面向通道腔內，這樣狀況的模型較側鏈 面向腔內的模型容易選擇 Na+。 (b)突變的 DEKA 模型 在 DEKA 模型的四個胺基酸中，最重要的是離胺酸，離胺酸是決定鈉離子
通道選擇性的因子之ㄧ，當 DEKA 模型的離胺酸被突變後，離子通道的選擇性 受到極大的影響。舉例來說，將離胺酸更換為較中性的胺基酸，如：麩胺醯胺酸， 這樣的更換減弱了離子通道的選擇性：PK+/PNa+(通透比率)，在小鼠腦中 DEKA 鈉離子通道中為 0.10±0.03，而 DEQA 鈉離子通道中則為 0.76±0.06；若將離胺酸 更換為另一種帶正電的胺基酸(精胺酸, R)，離子通道模型則幾乎失去選擇性；當 將離胺酸更換為帶負電的胺基酸，如半胱氨酸(cystenine, Cys, C)，離子的選擇 性將會逆轉，而小鼠腦中的 DERA 鈉離子通道的 PK+/PNa+為 0.90±0.04，而 DECA 鈉離子通道的 PK+/PNa+則逆轉為 1.20±0.07。為了找出上面的現象的原理，(1)一 個中性的醯胺基團-CON(CH3)2，被用來模擬天門冬醯胺及麩醯胺的側鏈 (2)一個 帶正電的基團-NH(C= CH2+)2 被用來模擬精胺酸的側鏈(3) –COO-基團則用來模擬 天門冬胺酸及麩胺酸的側鏈。 圖 10 的結果顯示，比較 DEKA 與其他模型的 ΔG 可以發現：在 DEQA 模型 中，fulter 的離子的選擇性下降；在 DERA 模型中，filter 幾乎失去的選擇性；在 DE(D/E)A 模型中，filter 的選擇性逆轉。在 DERA 模型中，由於所使用的基團較 大，造成模型的 3 個氧原子之間的距離為 11.4 Ǻ，大於 DEKA 模型的 10.6 Ǻ， 根據前面所得的結果，DERA 的選擇性會比 DEKA 的選擇性差。 與圖 10(a)DERA 模型不同，圖 10(b)及圖 10(c)模型的 Na+均為 4 配位，因 此選擇性較 3 配位的 DERA 差，而在以羧基為配基圖 10(c)模型中，在與半徑較 小的 Na+配位時，配基之間會產生排斥力，影響鍵結的穩定性。 電壓敏感鈉離子通道的選擇性─動態與 靜態的 DEKA 模型 對於電壓敏感鈉離子通道的選擇 性，有兩個模型：”靜態”模型及”動態”模 型。在Favre提出根據突變實驗所提出的 靜態模型中，離胺酸帶正電的-NH3 會與 帶負電的天門冬胺酸/麩胺酸形成一個鹽 橋，這樣的現象可以使通道的大小相對 於鉀離子較適合鈉離子，而通道內的O原 子也比較適合鈉離子的配位狀況。 Lipkind與Fozarrd提出的動態模型中， + + 圖11：(a) Na (b) K 與具有DEKA模型的4個 DEKA模型中的兩個酸性胺基酸會與離胺 單元體filter結合的自由能，(a)模型內腔沒有 水分子(b)模型內腔有一個水分子連接在離胺 酸作用，因為鈉離子是相對於鉀離子較強 酸跟天門冬胺酸之間。綠：C,藍：N,紅：O, 的路易士酸 14，它可以與離胺酸的-NH3 競 灰：H,紫：Na,橘：K 爭與麩胺酸/天門冬胺酸結合，而鉀離子則 無法進行下列反應，因此無法通過通道。因此，在靜態模型中，離子選擇性是由
14
路易士酸，電子的接收者。根據軟硬酸鹼理論(HSAB)，電荷密度與離子半徑比值較大的離子 為硬離子，反之亦然；硬的酸與鹼之間較易反應，形成穩定的化合物，反之亦然。鈉離子較鉀離 子，半徑短，故較「硬」 。
構形決定；而在動態模型中，選擇性是由胺基酸的官能基決定。 在圖 11(a)中，離胺酸與兩個酸性胺基酸之間形成氫鍵；在圖 11(b)中，離胺 酸直接與鄰近的麩胺酸互動，至於天門冬胺酸則是透過一個水分子。計算結果顯 示，當金屬離子與通道形成鍵結時，通道的構形改變了，離胺酸被金屬離子推離 開通道中央，離胺酸側鏈的質子轉移到麩胺酸上，同時失去與天門冬胺酸的鍵 結，然後與丙胺酸的碳骨架形成新的氫鍵。 與 Lipkind 與 Fozarrd 的假說不同，Na+與 K+都可以將離胺酸推離開通道中 央，然後與通道進行配位，在圖 11 中，Na+較 K+容易與通道結合，不論通道內 是否有水分子，這樣的結果是與通道內部的物理環境有關，而非金屬離子的路易 士酸性。 結論： 簡單來說，決定鈉離子通道選擇性的因子與決定鉀離子通道選擇性的因子是 幾乎相反的，在 K+水何數的部份，鉀離子通道偏好高水合數的 K+；鈉離子通道 則偏好較低水合數的 K+。在金屬離子配位數的部份，鉀離子通道偏好高配位數 的 K+，且偏好較低水合常數的環境，鈉離子通道則偏好較低配位數的 Na+，同 樣的也偏好稍微暴露於溶劑的環境。在配基強度的部份，K+傾向與較弱配基形成 鍵結；傾 Na+向與較強配基形成鍵結。在離子通道的結構部份，鈉離子通道的結 構的大小與彈性相對於鉀離子通道的來的重要。在 DEKA 模型的部份，側鏈質 子化的離胺酸及丙胺酸的碳骨架面向通道內腔，都對電壓敏感鈉離子通道的選擇 性有極大的影響，另外根據計算結果，靜態模型較符合電壓敏感鈉離子通道在生 理情況下的運作模式。
參考資料： +
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2. Dudev, T.；Lim, C. (2009) Determinants of K vs Na Selectivity in Potassium Channels, J. Am. Chem. Soc. 131, 8092-8101 以上兩篇為內文主要參考論文，文中所有圖片皆出自於以上兩份論文。 +
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感謝： 中央研究院生命科學圖書館、中央研究院生物醫學科學研究所、以上所列文章的 作者。