Spiertrekkingen, lactose vertering, bloedbeweging - wat zou mogelijk deze lichaamsfuncties met elkaar kunnen verbinden? Het zal je misschien verbazen dat al deze processen en nog veel meer worden aangedreven door metaalionen.

Natrium (Na+), kalium (K+), calcium (Ca2+) en magnesium (Mg2+) zijn misschien bekende namen, maar ze zijn ook cruciaal voor de functie van menselijke cellen. De combinatie van deze ionen met lichaamseiwitten creëert complexen die noodzakelijk zijn voor ons voortbestaan.

Het belang van eiwitten en metaalion-interacties is goed begrepen, maar de mechanistische interacties tussen de twee zijn nog verre van een volledig beeld.

Zhifeng Jine, Rui Qi, Chengwen Liu en Pengyu Ren, professoren aan de afdeling biomedische technologie van de Universiteit van Texas in Austin, werken aan het kwantitatief beschrijven van eiwit-ion-interacties met behulp van een zogenaamd atomair multipool-geoptimaliseerde energie voor biomoleculaire toepassingen (AMOEBA) krachtveld. Ze beschrijven hun werk in de the Tijdschrift voor Chemische Fysica .

AMOEBA-technologie is ontwikkeld door Ren en Jay Ponder, van de Universiteit van Texas in Austin en Washington University in St. Louis. Het gebruikt een polariseerbaar atomair multipoolmodel om de potentiële energie van een systeem te berekenen. Het AMOEBA-model is bedoeld om bekende tekortkomingen van de huidige krachtveldtechnologie aan te pakken om ion- en eiwitinteracties nauwkeurig te modelleren.

"Het gebrek aan gedetailleerd begrip is voornamelijk te wijten aan het ontbreken van nauwkeurige en toch rekenkundig efficiënte modellen om metaalionen te behandelen, " zei Ren. "We willen kwantummechanische methoden op hoog niveau en geavanceerde krachtveldsimulaties toepassen om de aard van de interacties tussen metaalionen en eiwitten te begrijpen."

AMOEBA verbetert op klassiek gebaseerde biomoleculaire simulaties, waarvan de modellen de intermoleculaire interactie weergeven met behulp van de som van twee krachten, volgens Ren:de van der Waals-interactie en de Coulomb-interactie tussen puntladingen.

"Deze weergave is eenvoudig genoeg om rekenkundig hanteerbaar te zijn, en het is de afgelopen decennia veel gebruikt, "zei hij. "Echter, metaalionen kunnen leiden tot sterke polarisatie en ladingsoverdrachtseffecten, die ontbreken in deze klassieke modellen. Wij geloven dat deze effecten een cruciale rol spelen in de specifieke ion-eiwit interactie."

Ren en zijn collega's keken specifiek naar de interactie van Mg2+/Ca2+ en aminozuren. Magnesium en calcium zijn enkele van de meest voorkomende ionen in metalloproteïnen, eiwitten met een metaalion-cofactor. Beide zijn selectief gebonden aan specifieke aminozuren, waardoor ze interessante doelwitmoleculen worden. De veel-lichaamsreactie, de wederzijdse inductie tussen ionen en hun omringende residuen in de eiwitbindende zakken, heeft ook invloed op de bindingsaffiniteit van deze ionen en kan worden vastgelegd door het AMOEBA-model.

"Het verschil tussen de veellichaamsreactie op Ca2+ versus Mg2+ in de bindingsholte is aanzienlijk, " zei Ren. "Het was bekend dat polarisatie en ladingsoverdracht belangrijk zijn in eiwit-ioncomplexen, maar voor de competitieve binding, velen hebben vermoed dat deze effecten zouden kunnen opheffen."

Het AMOEBA-model en de vooruitgang van krachtvelden, inclusief toepassingen van deze resultaten, Ren wees erop, zijn relevant bij veel ziekten, waaronder kanker en neurodegeneratieve aandoeningen. Kennis van eiwit-ion-interacties kan fundamenteel begrip bieden voor de vooruitgang in gerelateerde medische onderzoeken.