CC BY
2ВОДНЫЕ РАСТВОРЫ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
РОЛЬ ПОНИЖЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ВОДЫ В СОЗДАНИИ БОЛЬШОЙ Ca2+/Na+ СЕЛЕКТИВНОСТИ ВНУТРИ КАЛЬЦИЕВОГО КАНАЛА CRAC В БИОМЕМБРАНЕ
Рубашкин А.А.1, Вигонт В.А.1, Воротынцев М.А.2
Институт цитологии РАН 2Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН
andrey. rubashkin@gmail.com
Кальциевый канал CRAC, активируемый высвобождением кальция, является одним из самых высокоселективных кальциевых каналов [1]. При концентрации Ca2+ во внеклеточной среде 1-2 mM, его Ca2+ селективность по сравнению с моновалентными катионами составляет 1000:1 (см. [2]). В настоящем сообщении предлагается качественная интерпретация происхождения столь высокой Ca2+/Na+ селективности за счет наличия в этом канале двух потенциальных ям для ионов. Первая из них (наружная), существование которой известно [1], обусловлена притяжением катионов к связывающим отрицательно заряженным центрам. Напротив, вторая (внутренняя) яма возникает из-за уменьшения эффективной диэлектрической проницаемости 8ch в канале до величин, меньших диэлектрической проницаемости 8p белков, окружающих канал. Для качественной оценки энергии сил изображения Wi, действующих на ион, находящийся в середине (по сечению) канала, нами использована известная формула (1), выведенная в [3] для плоского канала толщины d.
Wi(d z, е. ej = [(Zi e)2 / d ln[(1 + ech / ep)/2l, zCa = 2 zNa = L
(1)
Расчеты Wi показаны на рис. сплошной (для Ca2+) и штриховой линией (для Na+). Канал CRAC отличается от родственных ему кальциевых каналов отсутствием широкой водной полости в середине канала по его длине. В таком узком и длинном канале как CRAC все степени свободы воды заморожены, поэтому статическая диэлектрическая проницаемость в канале значительно меньше ее значения в свободном растворе и находится в пределах от электронной диэлектрической постоянной воды, равной 2, до инфрокрасной, равной 5. Аргументы в пользу такого уменьшения 8ch в канале представлены в [4-6]. Энергия Wi < 0 при 8ch < 8p, как видно из рисунка, поэтому внутри канала имеется вторая потенциальная яма для иона, глубина которой гораздо больше для двухзарядного Ca2+, чем для Na+. Высокая Ca2+/Na+ селективность в CRAC обусловлена локализацией ионов Са2+ в двух ямах, что блокирует поток Na+.
Рис. Расчет по формуле (1) энергии силы изображения W (в единицах kT), действующей на ион, находящийся в канале толщины 10 Ангстрем (синие сплошные линии для Ca2+, красные штриховые линии для Na+). На левом рисунке представлены Wi в зависимости от диэлектрической проницаемости ер окружающих канал белков при sch = 3.5. На правом рисунке Wi в зависимости от эффективной диэлектрической проницаемости воды есЪв канале при ер = 3.8.
[1] X. Hou, L. Pedi, M.M. Diver, S.B. Long. Crystal structure of the calcium release-activated calcium channel Orai. Science, 338, 1308-
1313, (2012). [2] M. Hoth, R. Penner. Calcium release-activated calcium current in rat mast cells. J. Physiol. 465, 359-386, (1993). [3] A. Parsegian. Energy of an ion crossing a low dielectric membrane: solution to four relevant electrostatic problems. Nature, 221, 844-846, (1969). [4] M.B. Partenskii, P.C. Jordan. Nonlinear dielectric behavior of water in transmembrane ion channels: Ion energy barriers and the channel dielectric constant. J. Phys. Chem, 96, 3906-3910, (1992). [5] L. Zhang, H.T. Davis, D.M. Kroll. Molecular dynamics simulations of water in a spherical cavity. J. Phys. Chem., 99, 2878-2884, (1995). [6] L. Fumagalli, A. Esfandiar, R. Fabregas, S. Hu, P. Ares, A. Janardanan, Q. Yang, B. Radha, T. Taniguchi, K. Watanabe, G. Gomila, K.S. Novoselov, A.K. Geim. Anomalously low dielectric constant of confined water. Science, 360, 1339-1342, (2018).
