Компьютерное моделирование визуализирует поток ионов

Ионные каналы участвуют во многих физиологических и патофизиологических процессах в организме человека. Молодая команда исследователей под руководством фармаколога Анны Стари-Вайнцингер из Департамента фармакологии и токсикологии Венского университета изучила, как в деталях работает поток ионов через потенциал-зависимый натриевый канал. Поскольку этот процесс невероятно быстрый (до 100 миллионов ионов в секунду), для визуализации потока натрия в "замедленной съемке" были выполнены компьютерные симуляции. Требовательные к ресурсам расчеты проводились с использованием высокопроизводительного компьютерного кластера (VSC), который в настоящее время является самым быстрым компьютером в Австрии. Результаты недавно были опубликованы в PLOS Computational Biology.

Электрические сигналы, генерируемые потенциал-зависимыми ионными каналами, необходимы для выживания. Без этих белков были бы невозможны фундаментальные функции организма, такие как сердцебиение, передача сигналов в мозге или сокращение мышц.

Замечательная особенность этих необычных белков заключается в том, что они обеспечивают чрезвычайно быстрый и селективный поток ионов. Рентгеноструктурный анализ дал огромное представление о структуре этих белков. Руководствуясь этой структурной информацией, исследование деталей ионной селективности и проводимости становится возможным. Кристаллические структуры показали короткий, заполненный водой "ионный фильтр" на внеклеточной стороне белка, окруженный четырьмя отрицательно заряженными боковыми цепями глутаминовой кислоты, что обеспечивает селективный поток натрия. Однако из этих "статических" структур нелегко вывести, как в деталях работает динамический процесс ионного потока. Таким образом, компьютерное моделирование — отличный способ получить механистическое представление об этом процессе.

Компьютерное моделирование визуализирует движение ионов

Чтобы наблюдать за работой этих удивительных белков, были проведены компьютерные симуляции, так называемое молекулярно-динамическое моделирование. С помощью самого быстрого высокопроизводительного компьютера в Австрии, Венского научного кластера (VSC), стали возможны детальные представления о механизме потока натрия. Команда исследователей из Департамента фармакологии и токсикологии в Вене обнаружила, что приток ионов из внеклеточной среды происходит намного быстрее, чем отток. «Причина этой заметной разницы заключается в том, что ключевая аминокислота, глутаминовая кислота 53, совершает вращательное движение ("переворот"), тем самым модулируя поток ионов», — объясняет аспирант Сон Ке.

Глутаминовая кислота (E53) регулирует поток через канал

Молекулярно-динамическое моделирование показывает, что одна конкретная аминокислота, E53, имеет две различные конформации в зависимости от направления потока ионов. «E53 позволяет большому количеству ионов натрия поступать внутрь, когда она находится в неперевернутом, обращенном наружу состоянии. Расчеты свободной энергии показали, что отток для ионов намного сложнее из-за "барьера", который замедляет движение ионов. Таким образом, чтобы помочь ионам "преодолеть" этот барьер и обеспечить отток ионов натрия, боковая цепь E53 переворачивается в конформацию, обращенную внутрь», — объясняет аспирант Венского университета Сон Ке. Кроме того, мы считаем вероятным, что перевернутая глутаминовая кислота может играть существенную роль в запуске инактивации канала — ключевого механизма, позволяющего реполяризовать мембрану.