Компьютерное моделирование раскрывает энергетический ландшафт ионных каналов

Ионные каналы — это белки, встроенные в липидный бислой клеточной мембраны. Они высокоселективны, различают ионы (натрий, калий, хлорид) и обеспечивают поток до 100 миллионов ионов в секунду. Эти молекулярные переключатели регулируют передачу нервных сигналов, сердечный ритм и высвобождение нейромедиаторов. Нарушения их функции из-за замены отдельных аминокислот могут приводить к аритмиям, мигрени, диабету или раку.

Ионные каналы — важная мишень для лекарств: 10% современных препаратов нацелены на них. Детальное понимание их механизмов необходимо для разработки более эффективных и безопасных лекарств, однако энергетический профиль и путь открытия и закрытия каналов до сих пор изучены недостаточно.

С помощью молекулярно-динамического моделирования на суперкомпьютере Vienna Scientific Cluster (VSC) исследователи впервые изучили ландшафт свободной энергии процесса открытия (gating) ионного канала. Они обнаружили, что открытое и закрытое состояния разделены двумя энергетическими барьерами разной высоты.

Ключевую роль играет аминокислота фенилаланин 114. Динамика её боковой цепи связана с первым, меньшим энергетическим барьером. Этот боковой цепь действует как молекулярный переключатель, выводящий канал из закрытого состояния. После этих локальных изменений канал претерпевает масштабные глобальные перестройки, ведущие к полностью открытому состоянию. Этот второй переход сопровождается большим вторым энергетическим барьером.