Молекулярное моделирование процесса ионного транспорта через бактериальный калиевый канал KcsA.

В качестве модельного объекта изучения был выбран бактериальный калиевый канал KcsA, который является упрощенной моделью потенциал-зависимых калиевых каналов возбудимых клеток эукариот. Изучение функционирования калиевого канала KcsA методами молекулярного моделирования началось в конце XX века, когда группа исследователей, возглавляемая будущим нобелевским лауреатом Родериком МакКиноном, опубликовала результаты рентгеноструктурного анализа данного белка. В связи с тем, что KcsA представляет собой упрощенную модель потенциал-зависимых калиевых каналов, которые непосредственно ответственны за функцию возбуждения и проведения нервного импульса в нервных и мышечных клетках эукариот, исследование принципов его функционирования является ключевым для дальнейшего понимания работы последних. В свою очередь полученные в результате исследования данные о работе потенциал-зависимых калиевых каналов могут быть использованы для дальнейшего дизайна лекарств, модулирующих активность каналов, а, следовательно, и функциональное состояние клетки. Опираясь на результаты рентгеноструктурного анализа, полученные группой профессора Перозо для открытой структуры KcsA, авторы проекта построили модель системы открытый калиевый канал в мембране. На начальном этапе работы для трех различных белковых структур KcsA, выложенных в белковую базу данных профессором Перозо, были построены три системы открытый калиевый канал в мембране. Размер каждой системы в среднем составляет 66 тыс. атомов. Система представляет собой белок, встроенный в билипидный слой, окруженный молекулами воды и ионами, количество которых соответствует физиологической концентрации соли. Далее системы релаксировали методом молекулярной динамики на 2 нс. После произведенных расчетов были построены графики среднеквадратичного отклонения координат атомов белка от первоначальной структуры с течением времени, которые дают наглядное представление об изменении структуры белка во время молекулярной динамики. С помощью программы hole для канала из трех различных систем были также построены графики профиля поры до и после расчета молекулярной динамики. Полученные графики дают представление об изменении размера поры после стадии релаксации системы. Изучение свойств калиевого канала методами молекулярного моделирования было начато с исследования элементарного биологического процесса, который одновременно является функцией канала, т.е. с изучения процесса прохождения иона калия. Исследование процесса прохождения иона через калиевый канал проводили с помощью моделирования внешнего электрического поля. Согласно данному методу в уравнение Ньютона, описывающее движение частицы, дополнительно прописывается сила внешнего поля, знак и значение которой задается самим исследователем. Среднее время прохождения иона калия через канал согласно обзору литературы составляет 20 нс. Прохождение иона через калиевый канал моделировали при различных внешних условиях: при разном значении напряженности внешнего поля и при разных значениях концентрации калиевой соли в воде. После проведения расчета с наложенным внешним электрическим полем были получены качественные данные о процессе прохождения иона калия через калиевый канал при различных внешних условиях в системе, которые сравнивали с экспериментальными данными, описанными в литературе. В дальнейшем полученные результаты могут быть использованы для создания структур канала с заданными свойствами. Одно из важнейших фундаментальных свойств KcsA – это его селективность, обусловленная свойством анализировать заряд и размер проходящего иона с помощью электростатического потенциала, наложенного самим белком. В KcsA распознавание знака заряда происходит за счет карбонильных и гидроксильных групп аминокислотных остатков селективного фильтра, обращенных в полость канала; эти группы притягивают положительные заряды и отталкивают отрицательные. Между тем для моновалентных катионов, таких как K+ и Na+, селективность канала объяснить сложнее. Существующие теории селективности KcsA основаны на различной энергии геометрического или электростатического напряжения в селективном фильтре при прохождении ионов калия и натрия. Однако вопрос селективности требует дополнительного исследования, в том числе и методами молекулярной динамики, позволяющей анализировать собственные термодинамические свойства объекта, абстрагируясь от дополнительного влияния со стороны окружающей среды. Оценить уровень селективности канала для калия по отношению к натрию можно, получив данные о собственных термодинамических свойствах канала, например, построив профиль свободной энергии, что и было сделано авторами работы. Расчет свободной энергии в молекулярном моделировании можно проводить по методу Adaptive Biasing Force. На основе полученных данных о профиле свободной энергии для ионов калия и натрия в полости KcsA были сделаны выводы о ключевых точках в поре канала, ответственных за свойство селективности KcsA. Дополнительно было проведено моделирование процесса прохождения иона натрия через калиевый канал в условиях отсутствия ионов калия в среде и в условиях одинаковой концентрации ионов натрия и калия в расчетной ячейке. Полученные в результате молекулярной динамики данные сравнивали с экспериментальными данными, известными из литературы. Таким образом, были выполнены задачи детального исследования процесса прохождения ионов через калиевый канал, а также свойства его селективности. Результаты данного проекта будут в дальнейшем использованы для конструирования мутантных белков на основе KcsA, отличающихся по свойству селективности, а, следовательно, и по значению проводимости.