Near-membrane electric field calcium ion dehydration

Resumo

A desidratação de complexos íon-água antes do trânsito pelo canal iônico tem se concentrado na dissociação de água mediada por proteínas de canal. A desidratação por íons do campo elétrico da membrana não foi considerada anteriormente. Campos elétricos próximos à membrana foram previamente mostrados por causar a dissociação de complexos não-covalentemente ligados pequena molécula-pequena molécula, pequena molécula-proteína e proteína-proteína. É bem conhecido que íons cosmotrópicos, formadores de estrutura, como cálcio e sódio, ligam significativamente múltiplos íons de água em solução. Também é conhecido que esses íons frequentemente não estão hidratados ao passarem através de canais iônicos de membrana. Usando eletroforese capilar, a faixa de campos elétricos necessária para remover moléculas de água dos íons cálcio foi medida. A velocidade de migração iônica é uma função linear do campo elétrico. Em baixos campos elétricos, a taxa de migração do íon cálcio mostrou-se linearmente relacionada ao campo elétrico aplicado. Usando uma forma da equação de Stokes aplicável à migração iônica, o raio hidratado do cálcio foi encontrado como 0,334 nm, correspondendo a uma camada de hidratação de 5,09 moléculas de água. Em campos elétricos mais altos, a inclinação da velocidade de migração do cálcio em função do campo elétrico aumentou, o que foi modelado como uma diminuição no raio do íon migrante à medida que a água era removida. Usando uma função tanh para modelar a transição do íon de um estado hidratado para um estado despojado, a transição teve um ponto médio em 446 V/cm e estava 88% completa em 587 V/cm com um coeficiente de correlação de 0,9996. A velocidade de migração do íon cálcio despojado foi encontrada como uma função tanto da diminuição do raio quanto de um aumento na viscosidade eletrônica efetiva do meio dipolar através do qual o íon desidratado se movia. O tamanho do campo elétrico necessário para desidratar o cálcio ocorre a 6–7 nm da membrana celular. Íons cálcio dentro dessa distância da membrana estarão desprovidos de moléculas de água quando atingirem as entradas dos poros seletivos de cálcio, todos conhecidos por estarem aproximadamente a 1–2 nm da membrana. Não importa qual seja a estrutura do poro de cálcio, os íons cálcio que atingem a entrada do canal estarão desprovidos de uma camada de água.

Abstract

The dehydration of ion-water complexes prior to ion channel transit has focused on channel protein-mediated dissociation of water. Ion dehydration by the membrane electric field has not previously been considered. Near membrane electric fields have previously been shown to cause the disassociation of non-covalently bound small molecule-small molecule, small molecule-protein, and protein–protein complexes. It is well known that cosmotropic, structure making ions such as calcium and sodium significantly bind multiple water ions in solution. It is also known that these ions are often not hydrated as they pass through membrane ion channels. Using capillary electrophoresis, the range of electric fields needed to strip water molecules from calcium ions has been measured. Ion migration velocity is a linear function of the electric field. At low electric fields, the migration rate of calcium ion was shown to be linearly related to the applied electric field. Using a form of the Stoke’s equation applicable to ion migration, the hydrated calcium radius was found to be 0.334 nm, corresponding to a water hydration shell of 5.09 water molecules. At higher electric fields, the slope of the calcium migration velocity as a function of the electric field increased, which was modeled as a decrease in the radius of the migrating ion as the water was removed. Using a tanh function to model the transition of the ion from a hydrated to a stripped state, the transition had a midpoint at 446 V/cm, and was 88% complete at 587 V/cm with a correlation coefficient of 0.9996. The migration velocity of the stripped calcium ion was found to be a function of both the decrease in radius and an increase in the effective, electronic viscosity of the dipole medium through which the dehydrated ion moved. The size of the electric field needed to dehydrate calcium occurs 6–7 nm from the cell membrane. Calcium ions within this distance from the membrane will be devoid of water molecules when they reach the calcium selective channel pore entrances, all known to be approximately 1–2 nm from the membrane. No matter what the calcium pore structure, calcium ions reaching the channel entrance will be devoid of a water shell.