Estruturas dos dímeros ligantes de íons metálicos. Branco, ciano, azul, vermelho, esferas rosa e verdes são H, C, N, O, Átomos de Mg e Ca. Crédito:Zhifeng Jing, Rui Qi, Chengwen Liu e Pengyu Ren
Espasmos musculares, digestão da lactose, movimento sanguíneo - o que poderia conectar essas funções do corpo? Você pode se surpreender ao saber que todos esses processos e muitos mais são impulsionados por íons metálicos.
Sódio (Na +), potássio (K +), cálcio (Ca2 +) e magnésio (Mg2 +) podem ser nomes familiares, mas também são essenciais para o funcionamento das células humanas. A combinação desses íons com proteínas corporais cria complexos que são fundamentais para a continuidade de nossa existência.
A importância das proteínas e das interações de íons metálicos é bem compreendida, mas as interações mecanicistas entre os dois ainda estão longe de ser um quadro completo.
Zhifeng Jine, Rui Qi, Chengwen Liu e Pengyu Ren, professores do departamento de engenharia biomédica da Universidade do Texas em Austin, estão trabalhando para descrever quantitativamente as interações proteína-íon usando o que é chamado de campo de força otimizado multipolo atômico para aplicações biomoleculares (AMOEBA). Eles descrevem seu trabalho no Journal of Chemical Physics .
A tecnologia AMOEBA foi desenvolvida por Ren e Jay Ponder, da University of Texas em Austin e da Washington University em St. Louis. Ele usa um modelo multipolo atômico polarizável para calcular a energia potencial de um sistema. O modelo AMOEBA visa abordar as inadequações conhecidas da tecnologia de campo de força atual para modelar com precisão as interações de íons e proteínas.
Estruturas de compostos modelo para bolsas de ligação de íons. (A) e (B) são bolsas de ligação de Mg, enquanto (C) e (D) são bolsas de ligação de Ca. Branco, ciano, azul, vermelho, esferas rosa e verdes são H, C, N, O, Átomos de Mg e Ca. Todas essas quatro estruturas consistem em quatro moléculas de acetato e uma de acetamida, e (B-D) têm uma molécula de água adicional. (A) e (C) cada um tem um acetato bidentado, e todos os outros acetato ligam-se ao íon metálico com um átomo de oxigênio. Esses quatro modelos são denotados como Mg-Bi, Mg-Mono, Ca-Bi e Ca-Mono respectivamente. Crédito:Zhifeng Jing, Rui Qi, Chengwen Liu e Pengyu Ren
"A falta de compreensão detalhada é principalmente devido à falta de modelos precisos e ainda computacionalmente eficientes para tratar íons metálicos, "Ren disse." Nosso objetivo é aplicar métodos de mecânica quântica de alto nível e simulações de campo de força avançadas para compreender a natureza das interações entre íons metálicos e proteínas. "
AMOEBA melhora em simulações biomoleculares com base clássica, cujos modelos representam a interação intermolecular usando a soma de duas forças, de acordo com Ren:a interação de van der Waals e a interação de Coulomb entre cargas pontuais.
"Esta representação é simples o suficiente para ser computacionalmente tratável, e tem sido amplamente utilizado nas últimas décadas, "disse ele." No entanto, íons metálicos podem levar a fortes efeitos de polarização e transferência de carga, que faltam nestes modelos clássicos. Acreditamos que esses efeitos desempenham um papel crítico na interação íon-proteína específica. "
Ren e seus colegas analisaram especificamente a interação de Mg2 + / Ca2 + e aminoácidos. Magnésio e cálcio são alguns dos íons mais abundantes nas metaloproteínas, proteínas com um cofator de íon metálico. Ambos são seletivamente ligados a aminoácidos específicos, tornando-os moléculas-alvo interessantes. A resposta de muitos corpos, a indução mútua entre os íons e seus resíduos circundantes dentro das bolsas de ligação de proteínas, também impacta a afinidade de ligação desses íons e pode ser capturado pelo modelo AMOEBA.
"A diferença entre a resposta de muitos corpos ao Ca2 + vs Mg2 + na bolsa de ligação é substancial, "disse Ren." Era sabido que a polarização e a transferência de carga são importantes nos complexos de proteína-íon, mas para o vínculo competitivo, muitos suspeitam que esses efeitos podem se cancelar. "
O modelo AMOEBA e os avanços dos campos de força, incluindo aplicações desses resultados, Ren apontou, são relevantes em muitas doenças, incluindo câncer e distúrbios neurodegenerativos. O conhecimento das interações proteína-íon pode fornecer uma compreensão fundamental para o avanço em pesquisas médicas relacionadas.
