[論文レビュー] Statistical Theory of Selectivity and Conductivity in Biological Channels

D. G. Luchinsky, W. A. T. Gibby+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2016

Ion channel regulation and function参考文献 53被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、選択性フィルタと外部のバスターミナルを結合したグランドカノニカルアンサンブルを用いて、生物的チャネルにおけるイオン選択性とイオン電導度の平衡統計力学的理論を展開する。長年のパラドックスである、高いK+選択性を示しながらも、電導度が低下しない理由を解明し、障害のない拡散制限伝導の条件下でアイゼンマンの選択性関係が自然に導かれることが示された。また、壁の揺らぎが選択性を変えることなく、有効拡散係数を増加させることで電導度を向上させることも明らかにした。

ABSTRACT

We present an equilibrium statistical-mechanical theory of selectivity in biological ion channels. In doing so, we introduce a grand canonical ensemble for ions in a channel's selectivity filter coupled to internal and external bath solutions for a mixture of ions at arbitrary concentrations, we use linear response theory to find the current through the filter for small gradients of electrochemical potential, and we show that the conductivity of the filter is given by the generalized Einstein relation. We apply the theory to the permeation of ions through the potassium selectivity filter, and are thereby able to resolve the long-standing paradox of why the high selectivity of the filter brings no associated delay in permeation. We show that the Eisenman selectivity relation follows directly from the condition of diffusion-limited conductivity through the filter. We also discuss the effect of wall fluctuations on the filter conductivity.

研究の動機と目的

• イオンチャネルにおける高いK+選択性と近似的に拡散制限の電導度を併せ持つというパラドックスを解消すること。
• 任意のイオン濃度下での多サイト・マルチイオンフィルタにおけるイオン透過の統計力学的フレームワークを構築すること。
• 壁の揺らぎが選択性に影響を与えず、フィルタの電導度をどのように調節するかを明らかにすること。
• 拡散制限伝導の基本的原則からアイゼンマンの選択性関係を導出すること。
• 人工ナノポアや多価イオン輸送に応用可能な理論的基盤を提供すること。

提案手法

• 選択性フィルタ内のイオンに対してグランドカノニカルアンサンブルを定式化し、任意の濃度の混合イオン種を有する外部バスターミナルと結合する。
• 微小な電気化学ポテンシャル勾配下での電流を計算するために線形応答理論を適用する。
• 一般化されたアインシュタイン関係を用いて、電導度をイオン数の揺らぎと平均二乗変位の関数として表現する。
• フィルタ内でのイオン-イオン相互作用を考慮するため、静電的自己エネルギー近似を導入する。
• KcsAカリウムチャネルのフィルタを、モデルを用いて分析し、K+とNa+の競合に注目する。
• 壁の揺らぎの効果を評価するため、電流式における有効拡散係数を変動要因として扱う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 生物学的イオンチャネルは、どのようにしてK+イオンに対して高い選択性を示しながらも、近似的に拡散制限の電導度を維持できるのであろうか？
• RQ2 多イオンフィルタを通過する障害のない高速伝導を引き起こす統計力学的条件は何か？
• RQ3 アイゼンマンの選択性関係は、イオン透過の物理的制約からどのように導かれるのであろうか？
• RQ4 チャネル壁の構造的揺らぎがイオン電導度と選択性に果たす役割は何か？
• RQ5 平衡統計力学は、KcsA選択性フィルタの観察された挙動を完全に説明できるのであろうか？

主な発見

• K+とNa+の間のアイゼンマン選択性関係が、フィルタ内を障害のない拡散制限伝導が成立する条件から直接導かれる。
• フィルタ内にK+イオンが2個または3個存在する確率が等しい状態、すなわち最大イオンフラックスを示す「チューニングされた状態」において、高い電導度が達成される。
• 整数個のイオンを正確に収容できる完璧にフィットしたフィルタは、低電導度を示すため、「ぴったりフィット」モデルとは矛盾する。
• 壁の揺らぎは、選択性を変えることなく、有効拡散係数を増加させることで電導度を向上させる。
• 理論は、電流がフィルタ内に存在するイオン数の分散に比例することを予測し、電導度と電荷・粒子数の揺らぎを結びつける。
• モデルはKcsAフィルタにおける既知のイオン分布をうまく再現し、選択性と電導度の両者を一貫した枠組みで説明できる。