成像与分子动力学:α-溶血素离子电导,渗透渗透率,静电势图

阿列克谢Aksimentiev,克劳斯·斯考尔滕提出
Biophys J88 (6)3745 - 61 (2005)
DOI:10.1529 / biophysj.104.058727PMID:15764651助理

突出

在生物细胞、膜通道就像微型阀门调节细胞内的隔间之间流动的离子和其他溶质和整个细胞的边界。聚集在复杂电路,它们生成、传输和放大信号组织细胞的功能。探讨膜通道是如何工作的,一个小补丁的细胞膜是孤立的使用极其细吸管,,所谓的膜片箝测量,电流响应应用电动电位确定。显著增加计算能力及其有效利用大规模并行分子动力学代码允许一个今天重现这样的研究计算,计算膜离子通道的渗透率,水和溶质直接从其原子结构。在最大的分子动力学模拟在2005年,一份细胞膜通道α-hemolysin,淹没在脂质膜和水,是受外部电场使离子,水,和DNA通过通道。重复模拟在几个电压偏差产生的电流电压曲线α-hemolysin和一组静电势的地图。我们观察到通道的灵敏度电导溶液的pH值,计算通过跨膜孔隙渗透透水性,,估计水和离子通量通过渠道。模拟的结果与现有实验数据中发现优秀的协议。这项研究首次证明了分子动力学模拟的能力来预测离子电导的膜通道从其x射线结构。这研究出现在生物物理期刊并引用超过200次。

文摘

α-溶血素的金黄色葡萄球菌是一种自我组装的毒素,形成一个水跨膜通道在低聚脂质膜。除了研究毒素的细菌来源之一,α-溶血素是几个生物技术的应用程序的主要组件,包括系统控制的小溶质在脂质膜,随机传感器小溶质和替代传统的DNA测序技术。通过大规模的分子动力学模拟,我们研究了渗透水和α-溶血素/脂质双分子层复杂的离子。研究系统,由大约300000个原子,包含一份蛋白质,一片DPPC脂质双分子层,1 M的氯化钾水溶液。监控孔隙结构揭示了非对称的波动,平均而言,α-溶血素的横截面。应用外部静电领域产生了跨膜离子电流;重复模拟在几个电压偏差产生的电流/电压曲线α-溶血素和一组静电势的地图。α-溶血素的选择性Cl(-)被发现的方向和大小取决于外加电压偏差。我们的模拟结果是优秀的定量同意提供实验数据。分析所有水分子的轨迹,我们计算α-溶血素的渗透对水的渗透性以及它的电渗效应,和七个方面的渗透渠道特点。 The side channels were found to connect seven His-144 residues surrounding the stem of the protein to the bulk solution; the protonation of these residues was observed to affect the ion conductance, suggesting the seven His-144 to comprise the pH sensor that gates conductance of the alpha-hemolysin channel.