氯离子通道蛋白EcCLC的结构和传输功能的研究

In the organism, the unbalance of water or electrolyte (Cl-, Na+ and so on) will cause diseases. The chloride ions accompanied by protons across the chloride channel in the cytomembrane. And the proton is transporting by mean of the bonded defect in water chain. Therefore, it is significant meaningful for related diseases to find out the structure of the chloride channel, the formation of water chain, the motion of bonded defect, and the transporting mechanics of the chloride ions and protons. This projection will research the structure and the transporting mechanics of a chloride channel protein, EcCLC, find out the key residues and uncover the transporting mechanics of the chloride ions and protons. Basing on the crystal structure of EcCLC, we are going to obtain the equilibrium structure of EcCLC in the biological system with molecular dynamics simulations (MD). Then we want to gain insight into the microscopic process of chloride ion transport and calculate the variation in the free energy of chloride ion by steered molecular dynamics simulation (SMD) and adaptive biasing force approach (ABF). And we will observe the process of water entering into the channel and forming a water chain, and know more about the microscopic dynamic transporting process of exchanging 2 chloride ion for 1 proton in EcCLC with quantum mechanics analysis.

生物体中水和电解质(氯、钠等离子)失衡将导致疾病。已知氯离子是和质子一起通过细胞膜中氯离子通道转运体耦合输运的，而质子输运是借助通道中水链的键缺陷移动实现的。因此弄清楚氯离子通道蛋白的结构、水链的形成、水链中键缺陷的移动，以及氯离子/质子传输的机理对于治疗相关疾病有重要意义。本项目在原子水平上研究氯离子通道转运体蛋白(EcCLC)的结构和传输功能，找到通道蛋白内对氯离子传输有关键影响的残基，并揭示氯离子/质子穿越氯离子通道蛋白的机理。我们以实验测得的该通道蛋白的晶体结构为基础，通过分子动力学模拟得到该蛋白在生物系统内的平衡结构；借助拉伸动力学模拟、自适应偏置力方法揭示氯离子在通道中的微观传输过程，计算氯离子在通道蛋白内的自由能；在模拟过程中观察水分子进入通道并形成连续水链的过程，运用量子力学分析方法，揭示EcCLC蛋白中质子的传输机制以及氯离子和质子以2：1的比例耦合输运的微观动力学过程

EcCLC通道蛋白是一个反向转运体，反向输运氯离子和质子，虽然已经有大量的实验与理论研究，但氯离子的传输，质子的传输，以及他们之间的相互作用仍未清晰。我们通过构建EcCLC通道-细胞膜-溶液系统并进行平衡模拟，进行拉伸分子动力学模拟以及自适应偏置力方法模拟氯离子在EcCLC通道内的传输过程并计算氯离子的自由能变化曲线。氯离子传输的自由能曲线图中有三个明显的能量势阱，与实验上的三个位点位置一致，分别为外部（Sext）、中间（Smid）和内部结合位点（Sint）。其中，中间位点是能量最低点，也是氯离子最稳定的位置。作为对比，我们计算了通道内没有水分子时的中间位点的氯离子离开中间位置时的能量，势垒高度远远高于质子通道内有水分子的情况。. 另外我们通过分子动力学模拟观察水分子进入EcCLC通道并找到了对质子传输起到关键作用的完整水链。分别对比了中间位点是否有氯离子占据时的水链形成情况，在中间位点存在氯离子的情况下，有29.75%的状态存在连续的水链充满整个质子通道，水链通过氢键完全链接传输质子的两个重要的蛋白质残基E148和E202。在中间位点没有氯离子占据的情况，连续的水链形成概率为0%。同时我们观察到中间位点氯离子可以与水链中的某一特定水分子形成氢键，对水链的完整性和稳定性起到重要的作用，进一步证实了氯离子与质子传输的相互作用。