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水分子控制钾离子通道的失活与复活

信息来源: 发布时间:2013-7-30

12 个水分子导致了钾离子通道在激活后需经历长时期才能复活,重新发挥功能。来自芝加哥大学的科学家们利用分子模拟方法在原子水平上模拟钾离子通道和其直接细胞环境,揭示了一个几乎普遍的生物学结构的功能新机制,这一研究发现将对从基础生物学到药物设计等领域产生广泛的影响。

相关研究论文在线刊登在了近期出版的《自然》(Nature)杂志上。研究人员表示,这项研究阐明了这一从前神秘的失活状态的特性,使得科学家更深入地了解了基础生物学,将推动更合理地设计出靶向离子通道失活状态的药物。

钾离子通道是最广泛分布的离子通道,几乎存在于大多数活体生物的细胞中。它是生物电产生和细胞通讯的核心元件,是神经放电和肌肉收缩等功能的必要条件,是药物研发中的常见靶点。

这些蛋白在细胞膜上充当门控通道,控制者小离子进出细胞。在受到外部信号激活后,钾离子通道会开放让离子通过。然而不久之后,它们关闭,进入到失活状态,在 10-20 秒钟内无法对刺激做出反应。

由于激活和失活状态之间蛋白质的结构变化几乎可以忽略——距离差异相当于一个碳原子的直径,而从分子标准上衡量其复活又确实相当的缓慢,目前这一漫长复活期的原因仍是一个待解之谜。

为了阐明这一现象,研究人员利用超级计算机模拟了钾离子通道和它的直接环境中每个原子的移动和状态。在对应数百万核心小时(core-hour)的计算后,研究人员发现 12 个水分子是导致这些离子通道缓慢复活的原因。

他们发现,当钾离子通道开放时,水分子快速结合蛋白质结构中的微小空腔,从而阻塞通道,阻止离子通过。只有在外部刺激除去后,水分子才会缓慢地释放,使离子通道为再次激活做好准备。随后研究人员在实验室中通过渗透试验证实了计算机模拟的结果。

研究人员表示,观察到这一过程是一个完全意外的惊喜,但回想起来它确实是很有意义。它使得科学家更好地了解了这一普遍存在的生物学系统,将改变人们对于这些离子通道失活和复活的看法,并有可能在某一天影响人类的健康。


 

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