上から見たカリウムチャネル
紫の点はカリウムイオンを表す（PDB 1BL8）
カリウムチャネル（英語：potassium channel）とは、細胞膜に存在するイオンチャネルの一種である。ほとんどの細胞に存在し、カリウムイオンを選択的に通過させる。それによって細胞の機能を維持している[1][2]。
目次
- 1 機能
- 2 種類
- 3 構造
- 4 選択フィルター
- 5 中心孔
- 6 ムスカリンカリウムチャネル
- 7 参考・注釈
- 8 関連項目
- 9 外部リンク
機能
カリウムチャネルは、ニューロンのような活発な細胞で活動電位と静止電位（いずれも活動電位を参照）を調節している。心筋のカリウムチャネルがうまく活動電位を調節できなくなった場合、心不全などを起こす可能性がある。カリウムチャネルはいくつかのホルモン（膵臓のβ細胞からのインスリンなど）の分泌の調整に関わっている。したがって、カリウムチャネルがうまく働かない場合は糖尿病になる可能性もある。
種類
カリウムチャネルは大きく分けて以下の4種類に分けられる。
- 電位依存性カリウムチャネル（Voltage-gated potassium channel）
- 膜内外の電位差の変化によって開閉する電位依存性チャネル（Voltage-gated ion channel）である。
- カルシウム依存性カリウムチャネル（Calcium-activated potassium channel）
- カルシウムイオン、もしくは他のシグナル分子の存在によって開閉する。
- 内向き整流カリウムチャネル（IRK、Kir、Inwardly rectifing potassium channel）
- 直列ポアドメインカリウムチャネル（Tandem pore domain potassium channel）[3]
- もともと開いているか、もしくは「静止カリウムチャネル」のような高い基礎活性を有しており、ニューロンの膜電位を負に保つ働きをしている。
カリウムチャネルの種類
| クラスと構造[4] |
サブクラス
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機能[4] |
ブロッカー[4] |
アクチベーター[4] |
電位依存型
6T & 1P |
- hERG (Kv11.1)
- KvLQT1 (Kv7.1)
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- 活動電位の再分極（repolarization）
- 活動電位の頻度を調節
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- テトラエチルアンモニウム（Tetraethylammonium）
- 4-アミノピリジン（4-Aminopyridine）
- デンドロトキシン（Dendrotoxin）
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カルシウム依存型
6T & 1P |
- BKチャネル（BK channel）
- SKチャネル（SK channel）
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- アパミン
- カリブドトキシン（Charybdotoxin）
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内向き整流
2T & 1P |
Gタンパク質共役型 |
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| ATP依存型 |
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（間接的）
- グリベンクラミド（Glibenclamide）
- トルブタミド (Tolbutamide）
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- ジアゾキシド（Diazoxide）
- ピナシディール （Pinacidil）
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直列ポアドメイン[3]
4T & 2P |
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なし |
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構造
カリウムチャネル KvAPの構造
脂質二重層が赤と青の線によって示されている
哺乳類にはカリウムチャネルのサブユニットをコードする遺伝子が80個以上ある。細孔（pore）を構成するサブユニットはホモもしくはヘテロの4量体構造をしている。4つのサブユニットは細孔を囲むように存在する。
カリウムチャネルの全てのサブユニットにはポアループ構造（pore-loop structure）が存在する。ポアループ構造は細孔の上に並んでおり、この構造によりカリウムのみを選択して通すことができる。細菌のカリウムチャネルの構造は最もよく研究されている。
X線結晶構造解析により、カリウムイオンがどのようにチャネルを通過するか、なぜカリウムイオンより小さいナトリウムイオンがチャネルを通過できないかということが突き止められた[5][6]。これを研究したロデリック・マキノンは2003年のノーベル化学賞を受賞した[7]。
選択フィルター
バクテリアのKcsaカリウムチャネルの構造（PDB 1K4C）[8]
スレオニンの赤い部分は酸素原子、緑の部分は炭素原子を表す。紫の球はカリウム、赤い球は酸素原子である。
カリウムチャネルは、イオンが選択フィルターに入るとイオンの水和シェル（hydration shell）を取り除く。選択フィルターは、各サブユニットのアミノ酸5残基（多くの場合TVGYG）で構成されている。このサブユニットはフィルター孔に向いて並んだ電気的に陰性のカルボニル酸素原子を持っており、カリウム結合サイトの周りに水和シェルに似た反プリズム（anti-prism）を構成する。
選択フィルター中の結合サイトのカリウムイオンとカルボニル酸素原子の距離は、水和シェル中の水の酸素原子と水溶液中のカリウムイオンの距離と同じである。フィルターと細孔のヘリックス間では強い相互作用が働くため、小さなナトリウムイオンのサイズにチャネルの形が崩れるのを防いでいる。したがって、チャネルをナトリウムイオンが通過しにくくなっている。（カリウムイオン1000個に対しナトリウムイオンが1個通過）
選択フィルターは細胞外側に開き、グリシン残基（KcsAのGly79）のカルボニル酸素を露出させる。細胞外側の次の残基はAsp80である。このAsp80残基とフィルターの5つのアミノ酸残基により細孔が構成されている。
カルボニル酸素は電気的に強い陰性であり、カチオンを引き寄せる。フィルターはS1からS4の4つのサイトでカリウムイオンを収容することが出来る。さらに、1つのイオンは細孔のSCサイト、もしくは細胞外のS0かSextにある1つ以上のイオンに結合することが出来る。この占有はいくつかの異なるパターンがある。X線構造は多くの分子の平均的な形であるため、実際の占有を推測することは不可能である。しかし、イオンが隣同士のサイトを占有するのは静電反発があるため若干難しい。KcsAのイオン移動はシミュレーションによってよく研究されている。
24=16領域（24=16 states：S1、S2、S3、S4サイトによって占有される）の自由エネルギーマップは、（S1、S2）と（S3、S4）の2つの二重占有領域のイオン電導メカニズムを予測した分子動態シミュレーションによって作られた。2つの細胞外領域S0とSextは、高いカリウム濃度で分解されたKcsAで発見された。孔（cavity）のイオン経路は自由エネルギーによって計算され、外側へ向かうS0からSextの4つのサイトはMDシミュレーションが行われた。
カリウムチャネルのフィルターのアミノ酸残基は、真核生物のイソロイシンが原核生物ではバリンに置き換えられている場合がある[9]。
中心孔
10Åの広い中心孔はエネルギーバリアの高いチャネルの中心部分に位置している。水の満たされた孔（cavity）と細孔（pore）のヘリックスのC末端はイオンへのエネルギーバリアを緩和する。カリウムイオンがいくつか反発することにより、後のカリウムイオンが通過しやすくなる。
ムスカリンカリウムチャネル
ある種のカリウムチャネルはムスカリン受容体によって活性化される。これらはムスカリンカリウムチャネル（IKACh）と呼ばれる。ムスカリンカリウムチャネルは2つのGIRK1と2つのGIRK4で構成されたヘテロ4量体である。
例えば、心臓に存在しているムスカリンカリウムチャネルはM2ムスカリン受容体からの副交感信号によって活性化し、心拍が低下させる。
参考・注釈
- ^ Hille, Bertil (2001). “Chapter 5: Potassium Channels and Chloride Channels”. Ion channels of excitable membranes. Sunderland, Mass: Sinauer. pp. pages 131-168. ISBN 0-87893-321-2.
- ^ Jessell, Thomas M.; Kandel, Eric R.（エリック・カンデル）; Schwartz, James H. (2000). “Chapter 6: Ion Channels”. Principles of Neural Science (4th edition ed.). New York: McGraw-Hill. pp. pages 105-124. ISBN 0-8385-7701-6.
- ^ a b （訳注）直列ポアドメインは「Tandem pore domain」に対する適切な日本語が見つからなかったため、暫定的に名付けた。
- ^ a b c d Unless else specified in table, then ref is: Rang, H. P. (2003). Pharmacology. Edinburgh: Churchill Livingstone. ISBN 0-443-07145-4. Page 60
- ^ Doyle DA, Morais Cabral J, Pfuetzner RA, Kuo A, Gulbis JM, Cohen SL, Chait BT, MacKinnon R (1998). "The structure of the potassium channel: molecular basis of K+ conduction and selectivity". Science 280 (5360): 69–77. doi:10.1126/science.280.5360.69. PMID 9525859.
- ^ MacKinnon R, Cohen SL, Kuo A, Lee A, Chait BT (1998). "Structural conservation in prokaryotic and eukaryotic potassium channels". Science 280 (5360): 106–9. doi:10.1126/science.280.5360.106. PMID 9525854.
- ^ “The Nobel Prize in Chemistry 2003”. The Nobel Foundation. 2007年11月16日閲覧。
- ^ Zhou Y, Morais-Cabral JH, Kaufman A, MacKinnon R (2001). "Chemistry of ion coordination and hydration revealed by a K+ channel-Fab complex at 2.0 Â resolution". Nature 414 (6859): 43–8. doi:10.1038/35102009. PMID 11689936.
- ^ Hellgren M, Sandberg L, Edholm O (2006). "A comparison between two prokaryotic potassium channels (KirBac1.1 and KcsA) in a molecular dynamics (MD) simulation study". Biophys. Chem. 120 (1): 1–9. doi:10.1016/j.bpc.2005.10.002. PMID 16253415.
関連項目
- タンパク質
- イオンチャネル
- アクアポリン
- ナトリウムチャネル（Sodium channel）
- カルシウムチャネル（Calcium channel）
外部リンク
- カリウムチャネル - 脳科学辞典
- MeshName Potassium+Channels（英語）
- Overview at Washington University in St. Louis（英語）
- UMichOPM families superfamily 8（英語）
