Force field analyse giver spor til protein-ion interaktion

Muskel rykninger, fordøjelse af laktose, blodbevægelse - hvad kan muligvis forbinde disse kropsfunktioner? Du kan blive overrasket over at erfare, at alle disse processer og mange flere er drevet af metalioner.

Natrium (Na+), kalium (K+), calcium (Ca2+) og magnesium (Mg2+) kan være husstandsnavne, men de er også kritiske for menneskelige cellers funktion. Kombinationen af ​​disse ioner med kropslige proteiner skaber komplekser, der er afgørende for vores fortsatte eksistens.

Betydningen af ​​proteiner og metalioninteraktioner er godt forstået, men de mekanistiske interaktioner mellem de to er stadig langt fra et fuldstændigt billede.

Zhifeng Jine, Rui Qi, Chengwen Liu og Pengyu Ren, professorer i den biomedicinske teknikafdeling ved University of Texas i Austin, arbejder på at kvantitativt beskrive protein-ion-interaktioner ved hjælp af det, der kaldes en atom-multipoloptimeret energi til biomolekylære applikationer (AMOEBA) kraftfelt. De beskriver deres arbejde i denne uges Journal of Chemical Physics .

AMOEBA -teknologien blev udviklet af Ren og Jay Ponder, fra University of Texas ved Austin og Washington University i St. Louis. Den bruger en polariserbar atom -multipol -model til at beregne den potentielle energi i et system. AMOEBA -modellen har til formål at afhjælpe kendte utilstrækkeligheder ved den nuværende kraftfeltteknologi til nøjagtigt at modellere ion- og proteininteraktioner.

"Manglen på detaljeret forståelse skyldes hovedsageligt manglen på nøjagtige og alligevel beregningsmæssigt effektive modeller til behandling af metalioner, "Ren sagde." Vi sigter mod at anvende kvantemekaniske mekanismer på højt niveau og avancerede kraftfeltsimuleringer for at forstå arten af ​​interaktionerne mellem metalioner og proteiner. "

AMOEBA forbedrer klassisk baserede biomolekylære simuleringer, hvis modeller repræsenterer den intermolekylære interaktion ved hjælp af summen af ​​to kræfter, ifølge Ren:van der Waals -interaktionen og Coulomb -interaktionen mellem punktladninger.

"Denne fremstilling er enkel nok til at være beregningsmæssigt overførbar, og det har været meget udbredt i løbet af de sidste årtier, "sagde han." Dog, metalioner kan føre til stærk polarisering og ladningsoverførselseffekter, som mangler i disse klassiske modeller. Vi mener, at disse effekter spiller [en] afgørende rolle i den specifikke ion-protein-interaktion. "

Ren og hans kolleger kiggede specifikt på interaktionen mellem Mg2+/Ca2+ og aminosyrer. Magnesium og calcium er nogle af de mest almindelige ioner i metalloproteiner, proteiner med en metalion -cofaktor. Begge er selektivt bundet til specifikke aminosyrer, gør dem til interessante målmolekyler. Mange-kroppens reaktion, den indbyrdes induktion mellem ioner og deres omgivende rester i proteinbindingslommerne, påvirker også disse ioners bindingsaffinitet og kan fanges af AMOEBA -modellen.

"Forskellen mellem mangekroppens respons på Ca2+ vs Mg2+ i bindelommen er betydelig, "sagde Ren." Det var kendt, at polarisering og ladningsoverførsel er vigtig i protein-ion-komplekser, men for konkurrencebindingen, mange har mistanke om, at disse effekter kan afbrydes. "

AMOEBA -modellen og fremskridt i kraftfelter, herunder anvendelse af disse resultater, Ren påpegede, er relevante i mange sygdomme, herunder kræft og neurodegenerative lidelser. Kendskab til protein-ion-interaktioner kan give grundlæggende forståelse for udviklingen inden for beslægtede medicinske undersøgelser.