氯通道蛋白内部离子跨膜输运的微观动力学机制研究

Ion channel proteins play important function role in the metabolic process such as adjusting the pH value, controlling cell volume, adjusting electrical impulses, salt transporting across the cell membrane. ClC-type protein has the only pathway in which chloride ion and proton can transport through the membrane. Chloride ion movement is closely related to the side-chain properties of surrounding amino acids. Proton transport depends on water molecules and side-chain of the polar amino acids. Mutations of these amino acids can lead to serious physiological diseases such as: myotonia, Down's syndrome, functional kidney disorder. Basing on experimental crystal structure of the E. coli chloride channel protein ClC-ec1, we want to investigate the detailed microscopic transport process of chloride ion in the ClC-ec1 protein by using all-atom molecular dynamics simulation and steered dynamic method. Meanwhile proton transport also are investigated by analyzing connections among water molecules in the channel. Then we can establish the microscopic dynamic transport model of chloride ion and proton, and provide theoretical assistance for the ClC-type disease diagnosis, and new drug design.

离子通道蛋白质在生命体内新陈代谢过程中扮演着重要功能角色如调节pH值、控制细胞体积、调节电脉冲、盐类的跨膜输运。氯通道蛋白质是氯离子和质子进出细胞的唯一通道，氯离子在通道中的运动情况与附近氨基酸侧链性质密切相关，质子则要借助通道中的水分子和附近极性氨基酸的侧链进行输运。通道中的氨基酸变异会直接影响离子在通道中的输运率，进而导致严重的生理疾病如：肌强直、唐氏综合症、肾功能失调等。本项目以大肠杆菌氯通道蛋白质ClC-ecl的实验晶体结构为基础，借助全原子的分子动力学（MD）模拟得到氯通道蛋白质的稳态结构，然后结合受控动力学（SMD）模拟方法研究通道蛋白质结构中氯离子输运的微观过程，同时通过分析通道内部水分子间的氢键连接方式来确定质子的输运形式，最终建立氯通道蛋白质结构中氯离子和质子相互耦合输运的微观动力学机制模型，为氯通道疾病诊治和新药物开发提供理论依据。

研究氯通道结构和功能之间的关系成为当前生物医学领域的前沿热点之一。基于此目的，我们结合氯通道的实验结果从物理的角度研究了氯通道结构内部离子输运的微观动力学特性，从微观角度揭示离子运动与其生物功能之间的联系。在已知氯通道空间原子结构的基础上，我们利用全原子的分子动力学模拟（NAMD）和连续静电计算（APBS）对氯离子在通道中的微观动力学特性进行了研究。首先，我们计算了氯离子在通道内部不同结合位点处的静电结合能。结果显示氯离子在外部位点和中间位点处与蛋白质原子之间的静电结合能比内部位点处的静电结合能低一些，其中在外部位点处的静电结合能最低，这些结论和实验结果（ITC方法）相符合。虽然内部位点处氯离子跟蛋白质之间的静电结合能偏高，但同样影响氯离子在通道内部的输运率。在计算氯离子在位点处静电结合能的同时，我们还分析了通道的几何结构特性和通道内部静电势的分布特点。通道的结构呈两头宽中间窄的漏斗状，最窄处的宽度约为3.5埃。当通道内部没有氯离子占据时，通道内部的静电势为正值，有氯离子占据时，通道内部的静电势会变成负值，因此通道内部的正电势有利于氯离子在通带内部输运。根据通道的空间结构和静电势分布特点，我们采用复合静电场环境下带电离子取向随机行走的方法模拟氯离子在通道内部的具体运动过程，最终我们模拟得到的结果和实验结果符合很好。在研究氯通道蛋白质之间各成员之间的进化关系方面，我们依据同源建模原理构建了与大肠杆菌氯通道ClC-ec1属于同一蛋白质家族的另外一类电鳐鱼电器官氯通道ClC-0的空间结构。借助SWISS-MODEL 网络服务器，我们构建了氯离子通道蛋白质ClC-0的空间结构，同时对所得结构进行了合理性分析。这说明通过同源建模的方式可以得到氯通道蛋白质ClC-0近似合理的空间结构，这在很大程度上方便了后续对该类蛋白质的理论计算和模拟研究。