Estructuras de los dímeros de ligandos de iones metálicos. Blanco, cian azul, rojo, esferas rosadas y verdes son H, C, NORTE, Oh Átomos de Mg y Ca Crédito:Zhifeng Jing, Rui Qi, Chengwen Liu y Pengyu Ren
Espasmos musculares, digestión de lactosa, movimiento de la sangre:¿qué podría conectar estas funciones corporales? Es posible que se sorprenda al saber que todos estos procesos y muchos más son impulsados por iones metálicos.
Sodio (Na +), potasio (K +), calcio (Ca2 +) y magnesio (Mg2 +) pueden ser nombres familiares, pero también son fundamentales para la función de las células humanas. La combinación de estos iones con proteínas corporales crea complejos que son imprescindibles para nuestra existencia continua.
La importancia de las interacciones de las proteínas y los iones metálicos es bien conocida, pero las interacciones mecanicistas entre los dos todavía están lejos de ser una imagen completa.
Zhifeng Jine, Rui Qi, Chengwen Liu y Pengyu Ren, profesores del departamento de ingeniería biomédica de la Universidad de Texas en Austin, están trabajando para describir cuantitativamente las interacciones proteína-ión utilizando lo que se llama un campo de fuerza de energía optimizada multipolar atómica para aplicaciones biomoleculares (AMOEBA). Describen su trabajo en el de esta semana Revista de física química .
La tecnología AMOEBA fue desarrollada por Ren y Jay Ponder, de la Universidad de Texas en Austin y la Universidad de Washington en St. Louis. Utiliza un modelo multipolar atómico polarizable para calcular la energía potencial de un sistema. El modelo AMOEBA tiene como objetivo abordar las deficiencias conocidas de la tecnología de campo de fuerza actual para modelar con precisión las interacciones de iones y proteínas.
Estructuras de compuestos modelo para bolsas de unión a iones. (A) y (B) son bolsas de unión a Mg, mientras que (C) y (D) son bolsas de unión a Ca. Blanco, cian azul, rojo, esferas rosadas y verdes son H, C, NORTE, Oh Átomos de Mg y Ca Todas estas cuatro estructuras constan de cuatro moléculas de acetato y una acetamida, y (B-D) tiene una molécula de agua adicional. (A) y (C) cada uno tiene un acetato bidentado, y todos los demás acetato se unen al ion metálico con un átomo de oxígeno. Estos cuatro modelos se denominan Mg-Bi, Mg-Mono, Ca-Bi y Ca-Mono respectivamente. Crédito:Zhifeng Jing, Rui Qi, Chengwen Liu y Pengyu Ren
"La falta de comprensión detallada se debe principalmente a la falta de modelos precisos y, sin embargo, computacionalmente eficientes para tratar iones metálicos, "Nuestro objetivo es aplicar métodos de mecánica cuántica de alto nivel y simulaciones avanzadas de campos de fuerza para comprender la naturaleza de las interacciones entre los iones metálicos y las proteínas", dijo Ren.
AMOEBA mejora las simulaciones biomoleculares de base clásica, cuyos modelos representan la interacción intermolecular utilizando la suma de dos fuerzas, según Ren:la interacción de van der Waals y la interacción de Coulomb entre cargas puntuales.
"Esta representación es lo suficientemente simple como para ser manejable computacionalmente, y se ha utilizado ampliamente en las últimas décadas, ", dijo." Sin embargo, Los iones metálicos pueden provocar una fuerte polarización y efectos de transferencia de carga. que faltan en estos modelos clásicos. Creemos que estos efectos juegan un papel crítico en la interacción proteína-ión específica ".
Ren y sus colegas observaron específicamente la interacción de Mg2 + / Ca2 + y aminoácidos. El magnesio y el calcio son algunos de los iones más abundantes en las metaloproteínas, proteínas con un cofactor de iones metálicos. Ambos se unen selectivamente a aminoácidos específicos, haciéndolos interesantes moléculas objetivo. La respuesta de muchos cuerpos, la inducción mutua entre los iones y sus residuos circundantes dentro de las bolsas de unión a proteínas, también afecta la afinidad de unión de estos iones y puede ser capturado por el modelo AMOEBA.
"La diferencia entre la respuesta de muchos cuerpos al Ca2 + frente al Mg2 + en el bolsillo de unión es sustancial, ", dijo Ren." Se sabía que la polarización y la transferencia de carga son importantes en los complejos proteína-ión, pero por la vinculación competitiva, muchos han sospechado que estos efectos podrían anularse ".
El modelo AMOEBA y los avances de los campos de fuerza, incluidas las aplicaciones de estos resultados, Ren señaló, son relevantes en muchas enfermedades, incluido el cáncer y los trastornos neurodegenerativos. El conocimiento de las interacciones proteína-ión puede proporcionar una comprensión fundamental para el avance de las investigaciones médicas relacionadas.
