Исследовательская группа Люси Делемотт, доцента вычислительной биофизики в Королевском технологическом институте KTH в Стокгольме, Швеция, занимается изучением функции ионных каналов в клеточных мембранах. Для этого команда использует компьютерное моделирование на высокопроизводительных компьютерах, чтобы помочь смоделировать ионные каналы, образованные белковыми молекулами, которые охватывают клеточную мембрану. Потенциалзависимые ионные каналы, такие как ионные каналы натрия или калия, активируются разностью потенциалов между внеклеточным матриксом и цитоплазмой клетки. При активации они открывают свои поры и позволяют обмениваться ионами между двумя сторонами мембраны, что запускает электрический сигнал.
В мышечных или нервных клетках — так называемых электрически возбудимых клетках — перенос ионов вызывает сокращение мышц и позволяет нам думать или мечтать, объясняет Делемотт. «Если функция этих каналов нарушена генетическими мутациями, это может привести, например, к эпилепсии или мышечному параличу».
Чтобы иметь возможность эффективно лечить такие заболевания, важно знать процессы, происходящие в ионных каналах . Лучшее знание того, как они функционируют, помогает персонализировать лечение пациентов и, прежде всего, уменьшить побочные эффекты лекарств.
Как именно эти ионные каналы открывают свои поры, позволяя проходить ионам или активным веществам, еще не до конца понятно. Однако ясно, что ионы натрия и калия или активные вещества могут проходить через ионные каналы только в том случае, если их поры гидратированы. Если они обезвожены, ионный обмен предотвращается. До сих пор предполагалось, что поры гидратируются, когда их диаметр велик, и обезвоживаются, когда поры узкие. «На самом деле ситуация гораздо сложнее, — говорит ученый. У вас также может быть широкая пора, которая не гидратирована, если химическая природа пор гидрофобна.
Ключевая роль молекул воды
Ученые экспериментально исследуют эти каналы с помощью кристаллографии или криоэлектронной микроскопии. Это дает нам хорошее представление о том, как устроены эти каналы, — говорит Делемотт. Однако, как молекулы воды в ионных каналах влияют на их функцию, нелегко наблюдать в эксперименте. Чтобы исследовать это, команда использовала моделирование молекулярной динамики на Piz Daint. Результаты были недавно опубликованы в журнале Biophysical Journal .
На Пиз Дэйнт, доктор философии. Студент из команды Delemotte, Кушик Чоудхури, смоделировал предположительно открытую структуру ионного канала бактерии, как она была описана на основе экспериментов. Бактериальные каналы состоят из меньшего количества аминокислот и поэтому проще, чем каналы эукариот, и их проще моделировать. У этой бактерии каналы снабжены цепочками аминокислот, выстроенными в специфическую структуру — так называемую α-спираль. Однако, к удивлению исследователей, моделирование показало, что в описанной модели поры не открыты и не проницаемы для ионов, а закрыты.
К счастью, особое обстоятельство помогло исследователям понять, что заставляет клетку казаться проницаемой: для ускорения моделирования исследователи увеличили мембранный потенциал в пять-десять раз выше того, что обнаруживается в реальности или возможно в экспериментах. Из-за необычно высокого напряжения поля они случайно наткнулись на конформационное изменение белковой цепи, образующей пору ионного канала. При моделировании исследователи смогли наблюдать, как в определенной α-спирали спонтанно образовался излом, который привел к разрыву водородных связей и образованию другой структуры, известной как π-спираль. Вращение конца белка к излому в конечном итоге привело к тому, что полярная аминокислота аспарагин на конце спирали ориентировалась в сторону поры,
Следуя этому наблюдению, команда Делемотта разработала π-модель. Структура π-спирали менее стабильна и может существовать только в том случае, если стабилизирующая энергия поступает откуда-то еще, говорит Делемотт. И вскоре π-модель исследователей показала, что вращение π-спирали с аспарагином по направлению к поре обеспечивает стабильный ионный обмен. Они пришли к выводу, что этот процесс вызывает гидратацию и, в конечном счете, открытие пор .
Белок аспарагин сохранился в ходе эволюции и обнаружен в натриевых каналах бактерий, млекопитающих и некоторых водорослей. Мало что известно о ее важности, но тот факт, что она сохранилась, говорит о том, что это важная аминокислота, говорит Делемотт. «Поскольку аспарагин является гидрофильным, мы считаем, что его роль в ионных каналах заключается в гидратации и, следовательно, в открытии пор, хотя мы не наблюдали этого непосредственно в наших симуляциях». Поскольку он сохраняется в натриевых каналах всех организмов, исследователи предположили, что такая модель открытия может также применяться к каналам эукариот — предсказание, которое вскоре подтвердилось.
Совсем недавно исследователи-экспериментаторы пришли к аналогичному выводу и сообщили о трансформации спирали α в спираль π в человеческом канале. До сих пор моделирование подтверждало эксперименты; однако «благодаря технологиям, доступным нам в вычислительной науке , мы сейчас достигли точки, когда наши симуляции обладают прогностическим качеством. Это то, что мы показали в этом исследовании», — говорит Делемотт.
