«Если у вас неправильная модель кальция, она просто не будет работать», — сказал Павел Юнгвирт из Института органической химии и биохимии Чешской академии наук в Праге. «Большинство доступных моделей недостаточно точны, чтобы уловить важные свойства иона кальция».Однако в выпуске The Journal of Chemical Physics от AIP Publishing исследовательская группа Юнгвирта демонстрирует, как простая модификация компьютерной модели приводит к высокоточному моделированию, которое служит мощным инструментом для изучения ряда биологических процессов. «Я считаю, что на данный момент у нас есть лучшая из простых моделей кальция в мире», — сказал Юнгвирт.Ионы кальция перемещаются от клетки к клетке в качестве посланников. Когда они достигают клетки, они связываются с молекулой, например с белком, запуская каскад химических реакций.
Но из-за водянистой среды иона сложно точно смоделировать, как связывается кальций.Ион кальция, который заряжен вдвойне положительно, сильно взаимодействует с атомами кислорода окружающих молекул воды. Эти атомы кислорода имеют частичный отрицательный заряд (как в молекуле воды), и атом кислорода более эффективно притягивает электроны связей.
Электростатические силы между кальцием и водой заставляют молекулы воды перестраиваться вокруг иона. Ион кальция также заставляет электроны в молекуле воды сдвигаться, это явление называется электронной поляризацией.
Большинство симуляций включают перегруппировку молекул воды. Но поскольку точное вычисление того, как движутся электроны, требует слишком больших вычислительных мощностей, они не принимают во внимание электронную поляризацию. По словам Юнгвирта, без электронной поляризации моделирование с участием кальция будет неточным.
Обычно взаимодействие с молекулами воды отталкивает ион кальция от молекулы, с которой он пытается связаться, как в молекулярном перетягивании каната. Если моделирование не полностью учитывает эти эффекты, оно переоценивает, насколько сильно связывается кальций, производя ионы, которые не могут развязаться, что нереально.Однако несколько лет назад Алексей Стучебрухов и Игорь Леонтьев предложили решение: уменьшить электрический заряд ионов при моделировании. Оказывается, масштабирование заряда примерно в 0,75 раза имитирует эффект электронной поляризации.
Такое простое масштабирование также не добавляет дополнительной вычислительной нагрузки.«Это почти чудо», — сказал Юнгвирт. «Мы знаем, что это не идеальное решение, но, возможно, оно решает 90 процентов проблемы».Ранее команда Юнгвирта проверила эту стратегию, моделируя относительно простое взаимодействие между ионами кальция и хлорида. Чтобы проверить, было ли моделирование точным и сработало ли масштабирование, они обработали реальные растворы хлорида кальция нейтронами.
Измеряя, как эти нейтроны рассеиваются водным раствором хлорида кальция, исследователи определили его структуру и сравнили данные с результатами моделирования.В новом исследовании исследователи протестировали свою модель с карбоксильными группами — молекулярными группами, обнаруженными в белках и, следовательно, более важными для биологии. После корректировки заряда карбоксильной группы они снова показали, что их моделирование очень хорошо согласуется с данными экспериментов по рассеянию нейтронов.Поскольку карбоксильные группы просты по сравнению, скажем, со всем белком, исследователи также могут описать взаимодействия кальция, используя точные, но дорогостоящие в вычислительном отношении расчеты электронной структуры.
Сравнив эти расчеты с симуляциями, они снова подтвердили точность своих моделей.По словам Юнгвирта, эти тесты показывают, что новая модель может моделировать взаимодействия кальция практически с любым белком. Исследователи также разработали аналогичную модель, которая работает для взаимодействия кальция с фосфолипидами на клеточной мембране.
По его словам, следующий шаг — сделать то же самое с молекулами ДНК и РНК. В дальнейшем исследователи планируют разработать аналогичную модель для магния, еще одного важного сигнального иона со своими уникальными проблемами.