Estudios de conducción y selectividad iónicas basados en un canal de potasio modelo: KcsA

Abstract

Los canales de potasio son proteínas de membrana que participan en numerosos procesos fisiológicos, por lo que el conocimiento de su funcionamiento resulta primordial. Una de las propiedades más destacadas de este tipo de canales es su capacidad de conducir K+ a elevada velocidad, mientras mantienen la selectividad frente a otras especies iónicas. Sin embargo, no existe un consenso claro sobre los factores implicados en este mecanismo, el estudio de los cuales ha sido el objetivo principal de la presente Tesis Doctoral. Para abordar esta investigación se ha empleado como modelo de estudio el canal de potasio procariota KcsA, dada su similitud en cuanto a características estructurales y funcionales con los canales de potasio eucariotas y la disponibilidad de su estructura cristalográfica de alta resolución en presencia de distintas condiciones iónicas. Estas estructuras señalan que el filtro de selectividad del canal es capaz de adoptar distintas conformaciones (conductora o no conductora) en función de la concentración y tipo de ión presente. En esta Tesis Doctoral las principales técnicas empleadas han sido: la espectroscopía de fluorescencia para estudiar la estructura, estabilidad del canal y caracterizar los eventos de unión de cada ión y técnicas electrofisiológicas para analizar su actividad. Los resultados indican que la formación de la conformación no conductora del filtro de selectividad estaría asociada a la unión de iones conductores con una elevada afinidad, lo que favorecería su selección, mientras que la conformación conductora sería inducida por la unión de estos iones con una baja afinidad permitiendo, de esta forma, la conducción iónica a elevada velocidad. De este modo, las transiciones entre las conformaciones no conductora y conductora del filtro de selectividad, así como las características de unión de los iones en cada conformación, son fundamentales para la regulación de la conducción y la selectividad iónicas en los canales de potasio.

Potassium channels are membrane proteins that are involved in many physiological processes, thus, the study of their function is essential. One of the main properties of these ion channels is their ability to select K+ ions over other ionic species, while permeating it at high rates. Nevertheless, the mechanisms underlying this phenomenon are not clearly understood, which have been the main objective of the present Doctoral Thesis. The model potassium channel KcsA has been used in order to address this research, due to the high structural and functional similarities with eukaryotic potassium channels and the availability of its high-resolution crystal structure in the presence of different ionic conditions. These structures show that the channel selectivity filter adopts different conformations (conductive or nonconductive) depending on the ion type and its concentration. The main techniques used in this Doctoral Thesis were fluorescence spectroscopy in order to study Kcsa structure, stability and characterizing ion binding events and electrophysiological techniques to analyze ion channel activity. Results indicate that the formation of the nonconductive conformation of the selectivity filter is associated with high-affinity binding of permeant cations, favoring ion selectivity, while the formation of the conductive conformation is related to low-affinity binding of permeant cations, allowing ion conduction at high rates. Therefore, transitions between nonconductive and conductive selectivity filter conformations and the features of ion binding in each conformation are fundamental for ion permeation and selectivity in potassium channels.