Одна из наиболее всесторонних биомолекулярных симуляций впервые позволила исследователям визуализировать, как открываются и закрываются потенциалозависимые калий-ионные каналы клетки.

Потенциалозависимые ионные каналы клеточных мембран помогают передавать нервные импульсы, регулировать сердцебиение и синхронизировать сокращение мышц. Результаты нового исследования могут оказаться полезными в разработке лекарственных препаратов для сердечнососудистых заболеваний, параличей, мигреней и других недугов, связанных с неправильной работой ионных каналов.

Также результаты работы показывают, как ранее недоступный уровень мощности компьютера позволяет и исследователям лучше понимать процессы, в которые вовлечены биологически активные молекулы.

Рис. 1. Когда закрываются калий-ионные
каналы, спирали S4 в потенциалозависимых
доменах искажаются, сворачиваясь вовнутрь
клетки. Затем линкеры спиралей S4 ослабляют
свое воздействие на домены ионного канала-поры,
позволяя каналу раскрыться. Когда ионный канал
находится в раскрытом состоянии, S4 изгибается
таким образом, что линкеры поддерживают
ионный канал в открытом состоянии. (Рисунок из
Science, DOI: 10.1126/science.1216533).

К настоящему времени уже получено достаточное количество информации о строении потенциалозависимых ионных каналов в открытом состоянии, особенности поведения открытых ионных каналов изучались и экспериментально и на теоретическом уровне, однако строение ионных каналов в закрытом состоянии до сих пор не было изучено, что, однозначно, не позволяло установить механизм работы ионных каналов.

В новой работе специалист по квантовохимическому исследованию биологически активных молекул Дэвид Шоу (David E. Shaw) с соавторами с помощью специальной компьютерной техники провел моделирование процесса работы ионных каналов, включающего процессы раскрытия и закрытия ионных каналов.

Возможность компьютерного моделирования системы, содержащей, более, чем 100000 атомов, стало возможно благодаря тому, что использованная исследователями компьютерная система была способна проводить расчеты молекулярного динамического поведения сложных систем в сто раз быстрее существующих компьютерных систем.

Для более детального изучения механизма работы ионных каналов исследователи при моделировании рассчитывали работу ионных каналов, используя значение потенциала в несколько раз большее, чем значение потенциала, управляющего работой этих потенциалозависимых молекулярных машин.

Исследователи обнаружили, что движущими частями в каждом из четырех потенциалозависимых доменов белка являются спирали S4. Компьютерное моделирование показало, как искажается форма этих белков при раскрытии и закрытии каналов. Результаты работы могут быть полезны и для медицины – исследователи продемонстрировали деятельность активность ионного канала с известным характером наследуемой мутации и предложили механизм, в соответствии с которым, как предполагается, происходит нарушение сердечного ритма и развиваются неврологические проблемы.

Morten Jensen, Vishwanath Jogini, David W. Borhani, Abba E. Leffler, Ron O. Dror, David E. Shaw Mechanism of Voltage Gating in Potassium Channels. – Science 13 April 2012: Vol. 336. – no. 6078. – pp. 229–233; DOI: 10.1126/science.1216533.