Mechanism of potassium-channel selectivity revealed by Na+ and Li+ binding sites within the KcsA pore

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作者
Ameer N. Thompson,Ilsoo Kim,T.D. Panosian,T.M. Iverson,Toby W. Allen,Crina M. Nimigean
出处
期刊:Nature Structural & Molecular Biology [Nature Portfolio]
卷期号:16 (12): 1317-1324 被引量:173
标识
DOI:10.1038/nsmb.1703
摘要

How potassium channels select intracellular K+ over Na+ and Li+ is investigated, using experimental and theoretical approaches. The results indicate that selectivity is not due to higher affinity for K+ binding, but rather to an energy barrier blocking Na+ and Li+ entry in the presence of K+. Potassium channels allow K+ ions to diffuse through their pores while preventing smaller Na+ ions from permeating. Discrimination between these similar, abundant ions enables these proteins to control electrical and chemical activity in all organisms. Selection occurs at the narrow selectivity filter containing structurally identified K+ binding sites. Selectivity is thought to arise because smaller ions such as Na+ do not bind to these K+ sites in a thermodynamically favorable way. Using the model K+ channel KcsA, we examined how intracellular Na+ and Li+ interact with the pore and the permeant ions using electrophysiology, molecular dynamics simulations and X-ray crystallography. Our results suggest that these small cations have a separate binding site within the K+ selectivity filter. We propose that selective permeation from the intracellular side primarily results from a large energy barrier blocking filter entry for Na+ and Li+ in the presence of K+, not from a difference of binding affinity between ions.
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