钠钾离子通道的结构功能关联和选择性离子传导机制研究

50多年前人们就揭示出钠、钾离子被动跨膜传输是神经信号的物理基础。1998年获得第一个钾离子通道KcsA蛋白质结构掀起了基于原子级结构探索离子选择性导通机制的热潮，但主要成果限于钾离子通道。2006年第一个可同时导通钾、钠离子的NaK通道的闭式结构被报道，本课题组立即开展其结构-功能关联研究并发现一种新的水合阀控制离子导通的机制。09年初NaK通道的开式结构又获报道，高分辨的结构数据支持我们发现的水合阀的存在。本项目将以NaK通道结构为基础，通过全原子分子动力学模拟，运用拉伸分子动力学、自由能分析和生物信息学等交叉学科方法，系统研究NaK通道中钠、钾离子在水合作用下的稳定排布和选择性导通机制、开闭机制，揭示钾通道之外的离子导通机制和水合机制。进而对CNG通道的结构和导通机制进行同源建模研究，探索水合动力学机制在整个钠、钾离子通道家族中的深层作用。

本项目组以NaK通道的开、闭式晶体结构为主要研究对象，通过分子动力学模拟、平均力势自由能计算、氨基酸残基动态结构追踪、蛋白内表面孔洞探测、蛋白质序列比对和统计力学计算等手段对其结构稳定性、非选择性离子导通，门控机制等进行系统、深入的研究；同时关注了受限环境中水分子的热动力学特性：探索了NaK通道过滤器的结构、稳定性及其离子绑定特性；提出了水合阀调控的非选择性离子导通机制；研究了NaK通道变异体的稳定性与离子导通机制，为理解电生理学实验数据提供了重要的理论依据；提出了以水通道蛋白为原型的仿生通道中单链水分子的传输特性；发现了受限水分子在碳纳米管中的间歇式自持高频振荡；研究了新晶体结构NavAb通道的钠离子传输性质。由于选择性过滤器段氨基酸序列的高度相似，NaK通道被认为是环核苷酸门控通道的中心孔道结构域的细菌同源体，而环核苷酸门控(CNG)通道在光感受和嗅觉感受神经元的信号传导中发挥着极其重要的作用。因而关于NaK通道结构-功能关联分子机制的研究具有非常深刻的生理和病理意义。在本项目的支持下，在J. Phys. Chem. Lett.、ACS Nano、Biochim. Biophys. Acta – Biomembranes等国际著名杂志发表SCI论文8篇。