Membran proteinlerine iyon ve ligant bağlanmasının serbest enerji hesabı

Membran proteinleri, iyon kanalları, taşıyıcılar ve reseptörler, biyolojik olarak önemli proteinler arasındadır. Zira onlar hücrelerin çevreleri ile iletişimine izin verir. Dolayısıyla membran proteinleri hemen hemen bütün ilaçlara hedef durumundadır. Deneysel ve hesaplamalı bilimlerde son yıllarda ortaya çıkan gelişmeler membran proteinlerine olan ilgiyi daha da artırmıştır. Bu alanda mihenk taşı olan gelişme elbette membran proteinlerinin kristal yapısının elde edilmesi olmuştur. İlk olarak bakteriyel KcsA potasyum kanalının kristal yapısı elde edilmiş ve arkasından memelilere ait potasyum kanallarının kristal yapıları bulunmuştur. Yaklaşık bir on yıl sonra Glütamin Taşıyıcısının (GltPhT) kristal yapısı elde edilmiştir. Deneysel gelişmelere son olarak eklenen çalışma Na+ kanalının kristal yapısıdır (NavAb). Deneysel gelişmelere benzer, daha hızlı gelişmeler bilgisayar teknolojilerinde de görülmektedir. Paralel hesaplama algoritmalarının donanım teknolojilerindeki gelişmeleri izlemesi, moleküler modelleme ve simülasyon metotlarının benzer gelişmeler göstermesi membran proteinlerinde yapılan hesaplamalı çalışmaları yoğunlaştırmıştır. Bu çalışmada membran proteinlerine örnek teşkil eden lösin (Leu) aminoasit taşıyıcısının ve NavAb iyon kanalının moleküler dinamik modellemesi yapılmıştır. Leu taşıyıcısında iyon bağlanma mekanizması serbest enerji metotları kullanılarak çalışılmıştır. Deneysel çalışmada verilen Na2 bağlanma pozisyonunun en derin potansiyelle, Na1 pozisyonunun ikinci derin ve Leu aminoasitinin en sığ potansiyelle bağlandığı gösterilmiştir. Açık bir Leu taşıyıcısına giren bir Na+ iyonu ilk olarak Na2 bağlanma pozisyonunu dolduracak, arkasından ikinci Na+ iyonu Na1 bağlanma pozisyonunu dolduracak ve en son olarak ta Leu aminoasiti bağlanacaktır. Deneysel çalışmalarda kapalı yapı bulunduğundan sadece iyon/substrat bağlanma süreci incelenmiştir. Çalışmanın ikinci kısmını NavAb iyon kanalının moleküler dinamik modellemesi oluşturmuştur. Voltaj kapılı bakteriyel Nav kanalının kristal yapısı Payandeh tarafından 2011 yılında elde edildi. Voltaj kapılı sodyum kanalları aksiyon potansiyelini başlatması nedeniyle çok önemlidir. Bu kanalda yapı fonksiyon ilişkisinin anlaşılması için moleküler dinamik modelleme çalışması yapılmıştır. Serbest enerji metotları kullanılarak iyon bağlanmasının enerjisi çalışılmış, Na+ iyonu için filtre içinde bağlanma pozisyonları ve bağlanma enerjileri elde edilmiştir. Deneysel verilerden Nav kanalının Cav kanalına benzer olduğu bilinmekte ve Nav kanalında Ca++ iyonu geçtiği gözlenmektedir. Bu çalışmada ayrıca Ca++ iyonunun Nav kanalında geçmesini anlamak için kanal filtresi boyunca Ca++ iyonu için PMF yapılmıştır. Bu çalışma sonucunda Ca++ iyonunun Na+ iyonu ile karşılaştırıldığında daha yüksek bir bağlanma afinitesine sahip olduğu gözlenmiştir. Bunlardan yola çıkarak kanalda bir Ca++ iyonu varken Na+ iyonunun kanal filtresinden geçişinin serbest enerji hesapları çalışılmış, Ca++ iyonunun kanalı tıkadığı gözlenmiştir.