Mecanismos de condução iônica em canais de sódio

Abstract

Canais iônicos (CIs) são proteínas transmembrânicas capazes de regular o fluxo de íons, para dentro e para fora das células, abrindo e fechando seus poros. Tal regulação se da em resposta a diferentes estímulos, como ligação de moléculas, diferenças de potencial eletrostático, estímulos mecânicos, etc. Além disso, em geral, CIs são altamente seletivos a um íon. Assim, em função do íon transportado pelo canal, estes podem ser denominados canais de Na+, K+, Ca++ ou Cl-. O funcionamento de CIs está relacionado a uma variedade de funções biológicas essenciais como: contração muscular, sinapses, geração e transmissão de impulsos nervosos, controle da pressão osmótica, secreção hormonal, percepção do ambiente e consciência, entre outros. Portanto, essas proteínas tem sido alvo de intensas investigações ao longo das ultimas décadas. Diversas estruturas cristalográficas de canais iônicos foram resolvidas nos últimos anos. Conjuntamente com avanços no poder computacional, tais estruturas possibilitam a investigação de CIs com alta resolução, via simulações de dinâmica molecular (DM). Em 2011 foi publicada a primeira estrutura cristalográfica de canal de Na+: um CI bacteriano denominado NavAb (Payandeh et al., 2011). Observa-se que o poro de CIs apresenta uma estrutura geral comum. Em contrapartida, a região responsável pela discriminação dos íons, o chamado filtro de seletividade (FS), naturalmente mostra diferenças consideráveis. Segundo pode ser observado na estrutura cristalográfica, o FS de canais de Na+ e relativamente curto e amplo, sendo portanto capaz de acomodar íons hidratados no seu interior. Além disso, e sugerido que íons dispõem de certa mobilidade no interior desse FS. Tal descrição difere significativamente do ambiente constrito e pouco hidratado observado no FS de canais de K+. Frente a isso, espera-se que os mecanismos de condução em canais de Na+ e K+ sejam diferentes. Neste trabalho, cálculos de energia livre (via metadinâmica) e simulações de DM com aplicação de potenciais eletrostáticos transmembrânicos foram empregados na investigação do mecanismo de condução de canais de Na+, através do CI NavAb. Conjuntamente, ambas metodologias mostram que os íons ligam-se essencialmente a três sítios no interior do FS, chamados HFS, CEN e IN. Mostrou-se também que o movimento de íons e água no interior do filtro e pouco restrito. Em decorrência disso, e permitida a ocupação concomitante de um único sitio do FS por mais de um íon, o que implica em um mecanismo fundamentalmente distinto daquele observado em canais de K+. Outro resultado interessante aponta para uma assimetria nos mecanismos de condução de Na+ em condições de hiperpolarização ou equilíbrio (ΔV≤0) e de despolarização (ΔV>0). O mecanismo de condução predominante a ΔV ≤ 0 envolve essencialmente a participação de dois Na+. Em contrapartida, a ΔV > 0, o mecanismo conta com três íons, sendo que a chegada do terceiro estimula a liberação de um dos íons anteriormente presentes no canal. Perspectivas desse estudo impactam algumas das questões mais desafiantes da biofísica molecular atual, tais como: identificar os fatores determinantes da seletividade iônica; compreender melhor a relação estrutura-função de canais iônicos eucariotos, particularmente canais de Na+ e Ca++; mecanismo de ação de anestésicos e aplicações nanobiotecnológicas. _______________________________________________________________________________________________________ ABSTRACT

Ion channels (ICs) are transmembrane (TM) protein pores, capable of regulating the flow of ions in and out of the cells by opening and closing the hydrated pathway they form. This can be done in response to various stimuli, such as binding of ligands, voltage, mechanical stimuli, etc. Moreover, most ICs are highly selective. Hence, according to the ion they selectively transport, ICs can be denominated either Na+, K+, Ca++ or Cl- channels. ICs functioning is essential to a variety of biological functions, e.g.: muscular contraction, electric signaling in neurons, control of the osmotic pressure, hormone secretion, consciousness, etc. Therefore have been the subject of intense research over the last 50 years. Several IC crystal structures have been resolved over the last few years. Along with improvements in computer processing power, such structures enable the investigation of ICs with atomic resolution, by means of molecular dynamics (MD) simulations. In 2011 the first crystal structure of a sodium channel (a bacterial channel named NavAb) was published (Payandeh et al., 2011). While ICs display a pore with overall conserved structure, significant differences can be seen in the so-called selectivity filter (SF): the pore region responsible for discriminating between different ionic species. As of its crystal structure, the Na+ channel SF is relatively short and wide, and thence can fit hydrated cations. Besides, ions and water molecules are expected to have a certain degree of mobility inside the SF. Such SF characteristics greatly differ from the narrow dehydrated environment described for the K+ channel SF. In this context, conduction mechanisms are also expected to be significantly different in these channels. Here, free energy calculations and MD simulations with an applied TM voltage were harnessed to investigate the conduction mechanisms of Na+ channels. Altogether, these methodologies indicate that Na+ ions can bind to three main sites within the SF, named HFS, CEN and IN. Because the movement of ions and water is less restricted, a side-by-side configuration of ions is permitted. This implies in a conduction mechanism fundamentally different from what is known for K+ channels. What is more, this study describes an asymmetry in the conduction mechanisms taking place under hyperpolarizing/neutral (ΔV≤0) and depolarizing (ΔV>0) conditions. Under ΔV≤0, conduction involves two Na+ ions bound to the filter. Contrastingly, under ΔV>0, 3 ions participate and the approach of the third ion triggers the conduction. Perspectives of this study can impart some of the most interesting questions in the molecular biophysics field, such as: identify the determinants of ion selectivity; better understand the structure-function interplay in eukaryotic ICs, specially Na+ and Ca++; the molecular mechanism of anesthetics action and nanobiotechnological applications.