14:14 2022-05-23
science - citeste alte articole pe aceeasi tema
Comentarii Adauga Comentariu
_ Simulările prezic procese biologice misterioase ale celulei
_ Simulările prezic procese biologice misterioase ale celula
Grupul de cercetare al lui Lucie Delemotte, profesor asociat în biofizică computațională la Institutul Regal de Tehnologie KTH din Stockholm, Suedia, se concentrează pe înțelegerea funcției canalelor ionice din membranele celulare. Pentru a face acest lucru, echipa folosește simulări pe computer pe computere de înaltă performanță pentru a ajuta la modelarea canalelor ionice formate de molecule de proteine care se întind pe membrana celulară. Canalele ionice dependente de tensiune, cum ar fi canalele ionice de sodiu sau potasiu, sunt activate de diferențele de tensiune dintre matricea extracelulară și citoplasma celulei. Când sunt activate, își deschid porii și permit schimbul de ioni între cele două părți ale membranei, ceea ce declanșează semnalizarea electrică.
În celulele musculare sau nervoase - așa-numitele celule excitabile electric - transferul de ioni determină mușchi. contracție și ne permite să gândim sau să visăm, explică Delemotte. „Dacă funcția acestor canale este afectată de mutații genetice, acest lucru poate duce la epilepsie sau paralizie musculară, de exemplu.”
Pentru a putea trata astfel de boli în mod eficient, este important să cunoaștem procese care au loc în canalele ionice. Cunoașterea mai bună a modului în care funcționează ajută la personalizarea tratamentului pacienților și, mai ales, la reducerea efectelor secundare ale medicamentelor.
Cum exact aceste canale ionice își deschid porii pentru a permite trecerea ionilor sau a substanțelor active. nu este încă pe deplin înțeles. Ceea ce este clar, însă, este că ionii de sodiu și potasiu sau substanțele active pot trece prin canalele ionice doar dacă porii lor sunt hidratați. Dacă sunt deshidratate, schimbul de ioni este împiedicat. Până acum, se presupunea că porii sunt hidratați când diametrul lor este mare și deshidratați când porii sunt îngusti. „De fapt, situația este mult mai complicată”, spune omul de știință. De asemenea, puteți avea un por larg care nu este hidratat dacă natura chimică a porului este hidrofobă.
Rolul cheie al moleculelor de apă
Oamenii de știință investighează experimental aceste canale cu ajutorul cristalografiei sau crio-microscopie electronică. Acest lucru ne oferă o idee bună despre cum sunt structurate aceste canale, spune Delemotte. Cu toate acestea, modul în care moleculele de apă din canalele ionice influențează funcția lor nu poate fi observat cu ușurință în experimente. Pentru a investiga acest lucru, echipa a folosit simulări de dinamică moleculară pe Piz Daint. Rezultatele au fost publicate recent în Biophysical Journal.
On Piz Daint, un Ph.D. student din echipa Delemotte, Koushik Choudhury, a simulat structura presupusă deschisă a unui canal ionic al unei bacterii, așa cum a fost descrisă pe baza experimentelor. Canalele bacteriene constau din mai puțini aminoacizi și, prin urmare, sunt mai simple decât cele ale eucariotelor și mai puțin complexe de simulat. În această bacterie, canalele sunt echipate cu lanțuri de aminoacizi dispuși într-o structură specifică - așa-numita α -helix. Spre surprinderea cercetătorilor, însă, simularea a arătat că, în modelul descris, porii nu sunt deschiși și permeabili pentru ioni, ci mai degrabă închiși.
Din fericire, o circumstanță specială i-a ajutat pe cercetători să înțeleagă ce face ca celula să pară permeabilă: pentru a accelera simularea, cercetătorii au crescut potențialul membranei de cinci până la 10 ori mai mare decât ceea ce se găsește în realitate. sau este posibil în experimente. Datorită câmpului de tensiune neobișnuit de mare, aceștia s-au împiedicat accidental de o schimbare conformațională a lanțului proteic care formează porul canalului ionic. În simulare, cercetătorii au putut observa cum s-a format spontan o îndoire într-o anumită α-helix, ceea ce a dus la întreruperea legăturilor de hidrogen și la formarea unei alte structuri cunoscute sub numele de π-helix. Rotirea capătului proteinei spre îndoire a dus în cele din urmă la orientarea asparagina polară de aminoacid de la capătul helixului către por și o hidratare spontană a porului a avut loc într-un mod compatibil cu conducerea ionică.
În urma acestei observații, echipa lui Delemotte a proiectat apoi un model π. Structura helixului π este mai puțin stabilă și poate exista doar dacă energia de stabilizare este furnizată din altă parte, spune Delemotte. Și prompt, modelul π al cercetătorilor a arătat că rotația helixului π cu asparagina spre por permite schimbul de ioni stabil. Ei au ajuns la concluzia că acest proces provoacă hidratarea și în cele din urmă deschiderea porilor.
Proteina asparagina a fost conservată de-a lungul istoriei evoluției și se găsește în canalele de sodiu ale bacteriilor, mamiferelor și anumitor alge. Se știe puțin despre importanța sa, dar faptul că a fost conservat sugerează că este un aminoacid important, spune Delemotte. „Deoarece asparagina este hidrofilă, credem că rolul său în canalele ionice este de a hidrata și, în consecință, de a deschide porii, deși nu am observat acest lucru direct în simulările noastre”. Deoarece este conservat în canalele de sodiu ale tuturor organismelor, cercetătorii au emis ipoteza că un astfel de model de deschidere s-ar putea aplica și canalelor eucariote - o predicție care s-ar dovedi în curând bine întemeiată.
Recent, au venit cercetători experimentali. la o concluzie similară și a raportat o transformare dintr-un helix α într-un helix π într-un canal uman. Până acum, simulările au confirmat experimente; cu toate acestea, „datorită tehnologiilor de care dispunem în știința computațională, am ajuns acum la un punct în care simulările noastre sunt de calitate predictivă. Aceasta este ceea ce am arătat cu acest studiu”, spune Delemotte.
Comentarii:
Adauga Comentariu