[论文解读] 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 7

一句话总结

该论文基于系综理论构建了生物离子通道中离子选择性与电导率的平衡统计力学理论，采用巨正则系综对选择性过滤器中的离子分布进行建模，并与外部离子浴耦合。该理论解决了长期存在的矛盾：即在保持高K+选择性的同时，为何电导率仍接近扩散控制极限。研究发现，Eisenman选择性关系可自然地从无势垒、扩散控制的电导条件中导出，且壁面涨落通过增加有效扩散系数而提升电导率，而不改变选择性。

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.

研究动机与目标

• 解决生物离子通道在保持近似扩散控制电导率的同时实现高K+选择性的悖论。
• 为多离子位点、多离子过滤器在任意离子浓度下的离子渗透建立统计力学框架。
• 阐明壁面涨落在不改变选择性的前提下调节过滤器电导率的作用。
• 从扩散控制电导的基本原理出发，推导Eisenman选择性关系。
• 为人工纳米孔道和混合价态离子输运提供理论基础。

提出的方法

• 为选择性过滤器中的离子构建巨正则系综，与外部具有任意浓度混合离子物种的浴耦合。
• 应用线性响应理论，在小的电化学势梯度下计算电流。
• 利用广义爱因斯坦关系，将电导率表示为离子数涨落与均方位移的函数。
• 引入静电自能近似，以考虑过滤器内离子-离子相互作用。
• 使用该模型分析KcsA钾通道过滤器，重点关注K+与Na+的竞争行为。
• 通过将壁面涨落视为调节电流方程中有效扩散系数的方式，评估其对电导率的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 生物离子通道如何在维持近似扩散控制电导率的同时，实现对K+离子的高选择性？
• RQ2 何种统计力学条件可导致多离子过滤器中无势垒、快速电导？
• RQ3 Eisenman选择性关系如何从离子渗透的物理约束中自然产生？
• RQ4 通道壁的结构涨落在离子电导率和选择性中起何种作用？
• RQ5 平衡统计力学能否完全解释KcsA选择性过滤器的观测行为？

主要发现

• K+与Na+的选择性关系可直接从过滤器中无势垒、扩散控制电导的条件中推导得出。
• 当过滤器中同时含有两个或三个K+离子的概率相等时，可实现高电导率，对应于离子通量最大的‘调谐’状态。
• 完全匹配离子数的完美适配过滤器表现出低电导率，与‘紧密契合’模型的预测相矛盾。
• 壁面涨落通过增加有效扩散系数来提升电导率，而不改变过滤器的选择性。
• 该理论预测电流与过滤器中离子数的方差成正比，将电导率与电荷及粒子数涨落联系起来。
• 该模型成功恢复了KcsA过滤器中已知的离子分布，并为选择性与电导率提供了统一的理论框架。