HW5

The Nobel Prize in Chemistry 2003 is awarded to Roderick MacKinnon "for structural and mechanistic studies of potassium ion channels".

1. Please find the PDB file of the potassium channel.

(a) Give its PDB ID.

1) 先連到PDB首頁，於中央搜尋空格中打入"potassium channel"後按下"Search"按鈕。

2) 在搜尋結果出來後可發現共找到92個結構，選擇畫面上方下拉式選單中的"Refine Your Query"後按下"Go"按鈕。於限制選項中選擇搜尋author name為"MacKinnon"的結構。

3) 限制作者結果共找到21個結構，其中第二個項目"1BL8"名稱為"Potassium Channel (Kcsa) From Streptomyces Lividans"，故選擇此結構。

(b) Give the journal that published this structure.

1) 點選上面找到的"1Bl8"字樣即可進入該筆結構的畫面，於畫面中間"Primary Citation"項目即可看到此結構是發表於Science vol. 280上。

1) 在同樣的畫面中可找到"Exp Method"的項目，此結構是由X光繞射法解出的。

(d) What is the resolution of this structure?

1) 同樣的畫面中可找到"Resolution [A]"一項，此結構的解析度為3.2 Angstron.

2. How many chains of this PDB file? Show them in a picture.

1) 點選前述頁面中左方的"Download/Display File"連結，點選"Display the Structure File"中的complete with coordinates PDB HTML file，尋找SEQRES項目，發現此蛋白質共有ABCD四個chain。

3. How many hetero atoms, except water, in this PDB file? Show them in a picture.

1)於"Download/DIsplay File"頁面中如果點選"Display the Structure File"中的complete with coordinates PDF HTML file的話，尋找HETATM項目可發現此PDB檔案中共有四個hetero atoms，分別為3個K與1個O。

4. How big is this potassium channel?

(a) Give the diameter of channel.

1) 下載PDB file後用RASMOL開啟，先用wireframe off指令將圖像關閉，然後利用select hetero選擇hetero atoms，然後利用spacefill將hetero atoms變為spacefill model，復利用color cpk將顏色改為cpk type。此時畫面上會顯現出所有的hetero atoms。之後再輸入select within (3.5,k)選擇與K距離3.5 angstron的原子。如此即可看到包圍在K原子外的一圈O原子。此時若使用set picking distance指令，點選一圈內的任兩個原子即可得到potassium channel大概的大小，3.3 angstron。

(b) Show them in a picture.

5. Show the binding sites of potassium ions (in three different pictures, including the atoms that interact with K+).

6. Explain the reason why only potassium ion can go through the channel.

根據今年諾貝爾化學獎的新聞稿，只有K離子可以通過channel的原因是：
1) 通道的大小剛好跟一個K離子一樣大
2) 原本處於水合態的離子在通過channel的時候因為通道狹小，無法讓原本水合在一起的水分子一起通過，所以離子勢必要脫離水合態才能通過channel。
3) ion channel並非主動運輸，所以無法做功抵銷水合能，所以使用產生替代水合離子的氫鍵來抵銷水合能。
4) potassium channel通道中央O原子形成的孔徑剛好與K離子水合態中四個水分子的O原子形成的孔徑相當，亦即當K離子通過channel時，通道中央的O原子剛好可以產生相對應於K離子水合態中的四個氫鍵，進而抵銷水合能。
5) 比K離子更小的離子（如Na離子）由於其水合態中包圍它的水分子的O原子孔徑比potassium channel中央O原子形成的孔徑小，同時只能形成部分的氫鍵，無法形成抵銷所有水合能的氫鍵，所以無法通過potassium channel。

下面是圖示：

※上二圖取自諾貝爾獎網站。