научная статья по теме СТРУКТУРНАЯ И ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СЕРОТОНИНОВОГО 5-НТ3-РЕЦЕПТОРА ЧЕЛОВЕКА. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ КАНАЛЬНОЙ ЧАСТИ ПЕНТАМЕРНЫХ ЛИГАНД -ЗАВИСИМЫХ ИОННЫХ КАНАЛОВ Биология

Текст научной статьи на тему «СТРУКТУРНАЯ И ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СЕРОТОНИНОВОГО 5-НТ3-РЕЦЕПТОРА ЧЕЛОВЕКА. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ КАНАЛЬНОЙ ЧАСТИ ПЕНТАМЕРНЫХ ЛИГАНД -ЗАВИСИМЫХ ИОННЫХ КАНАЛОВ»

БИОФИЗИКА, 2011, том 56, вып. 6, с. 1111-1116

= БИОФИЗИКА КЛЕТКИ= =

УДК 577.3

СТРУКТУРНАЯ И ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СЕР ОТОНИНОВОГО 5-НТ3-Р ЕЦЕПТО РА ЧЕЛОВЕКА. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СТР УКТУР Ы КАНАЛЬНОЙ ЧАСТИ ПЕНТАМЕРНЫХ ЛИГАНД-ЗАВИСИМЫХ ИОННЫХ КАНАЛОВ

© 2011 г. А.В. Попинако, О.В. Левцова, М.Ю. Антонов, И.Н. Николаев*, К.В. Шайтан

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119992, Москва, Воробьевы горы; * Северо-Восточный федеральный университет им. М. К. Аммосова, 677000, Якутск, ул. Белинского, 58

Поступила в p едакцию 09.06.11 г.

Методом моделирования по гомологии c никотиновым ацетилxолиновым pецепто pом nAChR pеконcтpуиpована тpеxмеpная cтpуктуpа лиганд-зависимого cеpотонинового 5-HT3-pецептоpа человека. Методом упpавляемой (надавленной) молекуляpной динамики иccледована мигpация ионов чеpез поpу канала cеpотонинового 5-HT3-p ецепто pа и показано, что убавление транс-поpтом ионов чеpез поpу оcущеcтвляетcя c помощью стерического (кольцо, cфоpмиpованное оcтатками Thr279) и кулоновского (обуcловленного отpицательно заpяженными остатками Glu272, Asp293) фактоpов. Pа считан потенциал cp едней cилы (энеpгетичеcкий пpофиль канала) и иccледована взаимоcвязь между cтpуктуpой и функциональной активностью 5-HT3-p ецепто pа. Обcуждаетcя cтpуктуpа cеpотонинового 5-НТ3-pецептоpа человека в контексте строения канальной части pецепто pа как унивеpcального функционального блока гpуппы лиганд-завиcимыx ионныx каналов.

Ключевые слова: мембранные рецепторы, моделирование структуры по гомологии, молекулярная динамика, ионные каналы, потенциал средней силы.

Cеpотониновый 5-HT3-pецепто p относится к ^уппе лиганд-завиcимыx ионныx каналов, спо-cобныx откpыватьcя или закpыватьcя в ответ на пpиcоединение меccенжеpа. К этому cемейcтву отноcятcя также никотиновые ацетилxолиновые pецептоpы (nAChR), глициновый pецепто p, GABAA-pецепто p и GABAC^^m^ (ГАМК). Лиганд-завиcимые ионные каналы и^ают ключевую pоль в пеpедаче cигнала поcpедcтвом хи-мичеcкиx синапсов в неpвныx cиcтемаx и неpв-но-мышечныx cоединенияx. C мутациями в субъ-единицаx 5-HT3-pецептоpа cвязаны некотоpые невpологичеcкие заболевания [1].

Cеpотониновый 5-HT3-pецепто p являетcя интегpальным мембpанным белком и cоcтоит из пяти тpанcмембpанныx доменов, обpазую-щиx центpальную пpоводящую поpу [2]. Тpеx-меp ная cтpуктуpа pецептоp а в настоящее вpемя неизвеcтна. Вмеcте c тем имеется достаточно высокая cтепень гомологии данного pецепто pа и выделенного из электpичеcкого оpгана cката Torpedo marmorata никотинового ацетилхоли-новго pецептоpа nAChR c известной тpеxмеp-ной cтpуктуpой [3]. Это позволяет npовеcти моделиpование npоcrpанcтвенной cтpуктуpы 5-HT3-pецепто pа по гомологии и оценить аде-

кватность молекуляpной модели путем npове-дения численных экcпеpиментов по функцио-нир ованию канала.

nOC ТPОЕНИЕ ПО ГОМОЛОГИИ

П POCТPАН CТВЕННOЙ C TPYKTYPbl CE POТOНИНOВOГO 5-НТ3-PEЦEПТOPА ЧЕЛОВЕКА

Кооpдинаты атомов шаблона (никотинового ацетилxолинового pецепто pа nAChR, код 2BG9) бpали из Protein Data Bank (PDB) [4]. Аминокислотные поcледовательноcти были выpовнены пpи помощи программы по T-Coffee [5]. Выравнивание показало высокую cтепень гомологии (около 80%) между исследуемым 5-HT3-p ецепто -pом и никотиновым ацетилхолиновым p ецепто -ром. Для построения трехмерной структуры 5-HT3-pецептора использовался сервис SWISS-MODEL [6], расположенный на сервере ExPASy Мо1еси1аг Biology Server [7]. Для визуализации трехмерных структур и создания рисунков использовали программу Chimera [8].

Полученная структур а рецептор а пр иведена на рис. 1. Белок при нормальном рН имеет отрицательный суммарный заряд, при этом зна-

Рис. 1. Модельная структура 5-НТ3-рецептора. Сферами выделены отрицательно заряженные аминокислотные остатки. (а) - Вид с внеклеточной стороны, пунктиром выделена одна субъединица. (б) - Вид сбоку.

чительная часть отрицательно заряженных о с-татков глутаминовой и аспарагиновой кислот локализована в надмембранной части и взаимодействует с растворенными ионами.

При функционировании каналов гидратная оболочка проходящих ионов частично разрушается за счет взаимодействия иона с зарядовыми центрами внутри канала. Наличие отрицательно заряженных аминокислотных остатков Glu и Азр в надмембранной части серото-нинового 5-НТ3-рецепто ра, по-видимому, способствует частичной дегидратации иона Na+. Аналогичный эффект наблюдался и при моделировании других каналов [9].

ДИНАМИКА П РО ХОЖДЕНИЯ ИОНОВ ЧЕРЕЗ КАНАЛ C ЕРОТОНИНОВОГО 5-НТ3-РЕЦЕПТОРА

Для понимания особенностей влияния структуры канала на миграцию ионов проведено сравнительное изучение проникновения через канал катионов натрия и цезия, существенно отличающихся по размерам (радиус Na+ 1,54 А, а радиус Cs+ 2,35 À). Использовалась полученная выше полноатомная модель трансмембранной части канала (участок последовательности L243 - K332, фор мирующий спирали М1, М 2, М 3 для каждой субъединицы). Вся система включала ионы и водное окружение. Для моделирования миграции ионов применяли метод упр авляемой (направленной) молекуляр ной динамики. Использовали следующие основные параметры МД-протокола:

- Пакет молекулярной динамики: Огошас8 3.2.1.

- Потенциальное поле: ОРЬБ-ЛЛ [10].

- Длина траектории - 3 нс.

- Температура термостата - 300 К.

- И спользуемые тер мостаты: стохастическая динамика.

- Постоянная термостатирования: т = 0,2 пс.

- Радиус обрезания для кулоновских взаимодействий Я е1 = 20 А

- Радиус обрезания для сил Ван-дер-Ваальса

Я = 20 А

- Шаг интегрирования: & = 1 фс.

- Тип воды: 8рс [11].

В стартовой конфигурации ионы находились во внеклеточной области вблизи центра входа в канал. К катионам прикладывались силы 184 кДж/(моль нм) для натрия и 133 кДж/(моль нм) для цезия.

Как видно из рис. 2, динамика движения ионов через канал неравномерна. Скорость движения иона замедляется в области первого кольца из остатков отрицательно заряженных глю-таминовой и аспарагиновой кислот (в1и272 и Л8р293), котор ые выполняют роль кулоновско-го фильтра.

Также из рис. 2 видно, что на динамику прохождения катионов влияет стерический фактор. Самый узкий участок канала (рис. 2) сформирован треониновым кольцом остатков ТЬг279, который существенно замедляет движение ионов С8+. Ион цезия имеет больший р а -

C Т P УКТУР НАЯ И ДИНАМИЧЕС КАЯ МОДЕЛЬ C Е P ОТОНИНОВОГО 5-НТ3 1113

t, пс

Р ис. 2. П р о хождение ионов Ма+ (кр ивая 1) и С8+ (кр ивая 2) чер ез мембр анную ча сть р ецепто р а в водном окружении под действием ускор ения. Стр елками обозначены области отр ицательно заряженных аминокислотных о статков Glu237, А8р258 и тр еониновое кольцо ТИг279.

диус, чем ион натр ия, и, вследствие этого, более низкую плотность ра спр еделения зар яда и меньшую энергию гидратации. Поэтому задержка пр и пр о хождении иона цезия чер ез области с отр ицательно заряженными участками более выр ажена. Более выр аженным (пр имер но в тр и раза) является также торможение иона цезия пр и пр о хождении узкой части канала (р ис. 2).

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ П Р ОФИЛЬ КАНАЛА ЛИГАНД-ЗАВИ СИМОГО СЕ РОТОНИНОВОГО 5-HT3-P ЕЦЕПТОР А

Для исследования энергетических характер и стик пер ено са иона натр ия чер ез пор у канала был использован метод удерживающей силы (со^гат! 1огсе) [12,13]. Траектория движения иона сквозь канал 5-НТ3-р ецепто р а (вр емя движения 130 пс) была р азбита на отдельные точки, соответствующие смещению иона на 1 А вдоль о си канала. Таким обр азом, каждая точка со -ответствовала отдельному положению (координате) иона внутри канала. В каждой точке положение иона фиксировалось параболическим потенциалом в течение 1 нс и рассчитывалась ср едняя величина удерживающей силы. Удер живающая сила равна по модулю, но об-ратна по направлению силе, действующей на ион со стороны окружения. Путем интегриро -вания зависимости силы от координаты был получен энергетический профиль потенциала ср едней силы, котор ый учитывает о собенно сти взаимодействия иона натр ия с интер ьер ом канала .

Эффективный р адиус пор ы канала (р ис. 3) 5-НТ3-рецептора был рассчитан с помощью программного пакета HOLE [14].

Энергетический профиль для прохождения иона вдоль о си канала выявляет соответствие

Рис. 3. Эффективный радиус поры. Зависимость ср едней силы от р а сстояния (а) и пр офиль потенциала ср едней силы (б).

между структур ными о собенностями и избир а -тельной пр оницаемо стью пор ы. На о снове пр о -веденных численных экспериментов определя-лось положение во р от канала и величина энергетического бар ьер а во р от [12].

Анализ зависимости потенциала ср едней си -лы от коор динаты г, соответствующей напр ав-лению движения иона, показывает, что на входе

Рис. 4. Схематическое представление двух трансмембранных доменов ТМ2. (а) - Никотиновый ацетилхолиновый рецептор дЛСИК (2Б09); (б) - серотониновый 5-НТ3-рецептор; (в) - прокариотический рецептор (3ЕЛМ). В нижней части рисунка - выравнивание аминокислотных последовательностей группы лиганд-зависимых ионных каналов. Черным выделены аминокислотные остатки ТИг.

в канал имеется небольшой (~ 12,5 кДж/моль) энергетический барьер, который, вероятно, связан с некоторым разрыхлением гидратной оболочки иона и преодолевается ионом за счет электростатических сил взаимодействия между катионом и отрицательно заряженных аминокислотных остатков в1и272 и Л8р293. Эти заряженные аминокислотные остатки, по-видимому, оказывают влияние и на ионную селективность канала [15].

Величина потенциала средней силы в узкой части лиганд-зависимого серотонинового 5-НТ3-рецептора, соответствующей треониновому кольцу ТЬг279, ниже за счет кулоновских взаимодействий иона и канального окружения.

Как показал анализ эффективного р адиуса поры канала рецептора, самая узкая область канала, соответствующая ван-дер-ваальсовым воротам канала, имеет радиус 2,3 А, образованным гидроксильными кислородами остатков треонина ТИг279 в М 2 спир алях, формирующих внутренний интерьер ионного канала [15].

На выходе иона из канала также имеется небольшой барьер, пр еодолению котор ого способствует трансмембранный потенциал и взаимное влияние ионов при

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Биология»