Молекулярная динамика показала, как калий проходит через ионный канал с атомарным разрешением
Ионные каналы — это поровые белки в наружной мембране почти всех типов клеток. Они играют ключевую роль в системах коммуникации организма: через них общаются клетки крови, иммунной системы и печени, а нервные клетки передают электрические сигналы.
В 1976 году исследователи из Гёттингена Эрвин Неер и Берт Закманн разработали метод patch clamp, позволивший впервые измерить крайне слабый электрический ток, проходящий через один открытый ионный канал в нервной клетке. За это открытие они получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1991 году.
Экспериментальное измерение, смоделированное атом за атомом
Хотя измерения patch clamp очень точны, они не дают детальной информации о том, как ионы проходят через канал, взаимодействуют друг с другом и с молекулами, и что делает каналы такими эффективными и селективными.
"Молекулярно-динамическое моделирование может воспроизвести экспериментальную установку атом за атомом и дать представление о процессах, которые мы не можем наблюдать экспериментально", — объясняет Берт де Гроот, руководитель исследовательской группы в Институте мультидисциплинарных наук им. Макса Планка.
Симуляции должны проверяться сравнением с ионными токами, измеренными методом patch clamp. Предыдущие расчёты не совпадали с экспериментальными данными.
Почти через 50 лет после создания метода patch clamp команде де Гроота в сотрудничестве с исследователями из Лондонского университета королевы Марии удалось точно рассчитать токи через ионные каналы, полностью соответствующие экспериментальным.
Используя атомистическое молекулярно-динамическое моделирование с учётом эффективной электронной поляризации, команда значительно повысила точность расчётов. Работа опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Основа селективности
С помощью улучшенных расчётов исследователи реалистично показали, как ионы калия проходят через калиевый канал, в то время как доступ другим ионам закрыт. До сих пор механизм прохождения ионов оставался предметом дискуссий.
Если более ранние данные предполагали, что отдельные ионы калия разделены молекулами воды в канале, то новые результаты команды де Гроота указывают, что до четырёх ионов калия выстраиваются, как бусины на нитке.
"Это удивительно, потому что ионы с положительным зарядом должны отталкиваться друг от друга", — поясняет первый автор исследования Чэньгун Хуэй. "Эта крайне необычная организация лежит в основе как эффективного потока ионов, так и строгой селективности канала по калию. Она также предотвращает прохождение более мелких ионов, таких как натрий".
Поскольку ионные каналы являются важными мишенями для лекарств, понимание их функции крайне актуально для фармацевтических исследований.