電位依存性カリウムチャネル

電位依存性カリウムチャネル（VGKC）は、カリウムに特異的な膜貫通チャネルであり、細胞膜電位の変化に敏感である。活動電位発生時には、脱分極した細胞を静止状態に戻す上で重要な役割を果たす。

活動電位の外向き電流を供給する電位依存性K ⁺チャネルは、細菌のK ⁺チャネルと類似点がある。

これらのチャネルはX線回折によって研究されており、原子分解能での構造的特徴の決定が可能となっている。

これらのチャネルの機能は、電気生理学的研究によって解明される。

^{遺伝学的アプローチとしては、K +}チャネル遺伝子に変異を持つ動物の行動変化をスクリーニングする方法がある。このような遺伝学的手法により、イオンチャネル遺伝子の配列が十分に解明される以前に、ショウジョウバエ^{の「Shaker」K +}チャネル遺伝子が遺伝学的に同定された。

^{変異遺伝子によって生成された電位依存性K +}チャネルタンパク質の特性変化を研究することで、 K ⁺チャネルタンパク質のドメイン、さらにはその構造内の個々のアミノ酸の機能的役割が明らかになった。

一般的に、脊椎動物の電位依存性K ⁺チャネルは、環状に配置された4つの同一のサブユニットからなる四量体であり、それぞれが膜貫通K ⁺孔の壁を構成している。各サブユニットは、6つの膜貫通疎水性αヘリックス配列とS4の電圧センサーから構成されている。膜の細胞内側には、アミノ末端とカルボキシ末端の両方が存在する。^{[ 7 ]}_{ラットKvα1.2} /β2チャネルの高解像度結晶構造が最近解明され（Protein Databankアクセッション番号2A79） 、^{[ 8 ]}脂質膜のような環境で精密化された（PDB：2r9r） 。

電位依存性K ^{+チャネルは、Na +}などの他の陽イオンよりもK ⁺を選択的に透過させる。膜貫通孔の最も狭い部分には選択性フィルターが存在する。

チャネル変異研究により、イオン選択性に不可欠なサブユニットの部分が明らかになった。これには、電位依存性K ⁺チャネルの選択性フィルターに典型的なアミノ酸配列（Thr-Val-Gly-Tyr-Gly）または（Thr-Val-Gly-Phe-Gly）が含まれる。K ^+が細孔を通過する際、カリウムイオンと水分子との相互作用が阻害され、K ^+は4つのチャネルサブユニットのThr-Val-Gly-[YF]-Gly配列の特定の原子成分と相互作用する。。

カリウムイオンは通過させるが、より小さなナトリウムイオンは通過させないというのは、一見すると直感に反するように思えるかもしれません。しかし、水溶液中では、カリウムイオンとナトリウムイオンは水分子によって溶媒和されます。カリウムチャネルの選択性フィルターを通過する際、水とK ^{+イオンの相互作用は、K +イオン}とチャネルタンパク質のカルボニル基との相互作用に置き換わります。選択性フィルターの直径はカリウムイオンには最適ですが、より小さなナトリウムイオンには大きすぎます。そのため、カリウムイオンはタンパク質のカルボニル基によって十分に「溶媒和」されますが、同じカルボニル基同士の間隔が広すぎるため、ナトリウムイオンを十分に溶媒和することはできません。したがって、この選択性フィルターを通過するカリウムイオンの通過は、ナトリウムイオンの通過よりも強く優先されます。

^{哺乳類の電位依存性K +}チャネルの構造は、膜電位に対する応答能力を説明するために使用されてきた。チャネルが開くと、電圧センサー領域（VSD）の構造変化により、膜電場を横切って12～13個の基本電荷が移動する。この電荷移動は、チャネルが開く前に発生する過渡的な容量性電流として測定される。VSDのいくつかの荷電残基、特にS4セグメントの3番目ごとに規則的に位置する4つのアルギニン残基は、膜電位を横切って移動し、ゲーティング電荷に寄与することが知られている。ゲーティングアルギニンとして知られるこれらのアルギニンの位置は、すべての電位依存性カリウム、ナトリウム、またはカルシウムチャネルで高度に保存されている。しかし、それらの移動の程度と膜電位を横切る変位については、広範な議論の対象となっている。^{[ 9 ]}チャネルサブユニットの特定のドメインが、電圧感知とチャネルの開状態と閉状態間の変換に関与していることが特定されている。少なくとも2つの閉じたコンフォメーションが存在する。1つ目は、膜電位がより正になるとチャネルが開くことができる状態である。このタイプのゲーティングは、6～7個の正電荷を持つS4αヘリックスからなる電圧感知ドメインによって媒介される。膜電位の変化により、このαヘリックスが脂質二重層内で移動する。この移動は、チャネル孔を形成する隣接するS5-S6ヘリックスのコンフォメーション変化を引き起こし、この孔の開閉につながる。2つ目の「N型」不活性化では、電圧依存性K ^{+チャネルは開いた後に不活性化し、特徴的な閉じたコンフォメーションに入る。この不活性化されたコンフォメーションでは、膜電位が有利であってもチャネルは開くことができない。K +}チャネルのアミノ末端ドメインまたは補助タンパク質が「N型」不活性化を媒介することができる。このタイプの不活性化のメカニズムは、「ボールアンドチェーン」モデルとして説明されており、タンパク質のN末端がボールを形成し、それがループ（チェーン）を介してタンパク質の残りの部分に繋がっています。 ^{[ 10 ]}繋がれたボールが内側の穴を塞ぎ、イオンがチャネルを通って移動するのを防ぎます。^{[ 11 ] [ 12 ]}

電位依存性カリウムチャネルの遮断薬および活性化薬については、カリウムチャネル遮断薬およびカリウムチャネル開口薬を参照してください。

• イオンチャネル
• イオンチャネルファミリー
• カリウムチャネル四量体化ドメイン
• 電位依存性カリウムチャネルデータベース（2004年）

• 米国国立医学図書館の医学主題見出し（MeSH）における電圧依存性カリウムチャネル
• 「電位依存性カリウムチャネル」。IUPHAR受容体およびイオンチャネルデータベース。国際基礎臨床薬理学連合。
• Li B 、Gallin WJ（2004年1月）。「VKCDB：電圧依存性カリウムチャネルデータベース」。BMC Bioinformatics。5 ： 3。doi ：10.1186/ 1471-2105-5-3。PMC 317694。PMID 14715090。  
• ualberta.caの「電圧依存性カリウムチャネルデータベース（VKCDB）」
• ミシガン大学膜タンパク質配向ファミリー/スーパーファミリー-8 - 膜における電位依存性カリウムチャネルの空間的位置