Muskelryckningar, laktos nedbrytning, blodrörelser – vad skulle kunna koppla ihop dessa kroppsfunktioner? Du kanske blir förvånad över att höra att alla dessa processer och många fler drivs av metalljoner.

Natrium (Na+), kalium (K+), kalcium (Ca2+) och magnesium (Mg2+) kan vara kända namn, men de är också kritiska för mänskliga cellers funktion. Kombinationen av dessa joner med kroppsproteiner skapar komplex som är absolut nödvändiga för vår fortsatta existens.

Vikten av proteiner och metalljoninteraktioner är väl förstått, men de mekanistiska interaktionerna mellan de två är fortfarande långt ifrån en fullständig bild.

Zhifeng Jine, Rui Qi, Chengwen Liu och Pengyu Ren, professorer vid den biomedicinska ingenjörsavdelningen vid University of Texas i Austin, arbetar med att kvantitativt beskriva protein-jon-interaktioner med hjälp av vad som kallas ett atomic multipole optimized energetics for biomolecular applications (AMOEBA) kraftfält. De beskriver sitt arbete i veckans the Journal of Chemical Physics .

AMOEBA-tekniken utvecklades av Ren och Jay Ponder, från University of Texas i Austin och Washington University i St. Louis. Den använder en polariserbar atomär multipolmodell för att beräkna den potentiella energin i ett system. AMOEBA-modellen syftar till att åtgärda kända brister hos nuvarande kraftfältsteknologi för att noggrant modellera jon- och proteininteraktioner.

"Bristen på detaljerad förståelse beror främst på bristen på exakta och ändå beräkningseffektiva modeller för att behandla metalljoner, "Sade Ren. "Vi strävar efter att tillämpa kvantmekaniska metoder på hög nivå och avancerade kraftfältsimuleringar för att förstå karaktären av interaktionerna mellan metalljoner och proteiner."

AMOEBA förbättrar på klassiskt baserade biomolekylära simuleringar, vars modeller representerar den intermolekylära interaktionen med hjälp av summan av två krafter, enligt Ren:van der Waals interaktion och Coulomb interaktion mellan punktladdningar.

"Denna representation är enkel nog att vara beräkningsmässigt handsam, och det har använts flitigt under de senaste decennierna, " sade han. "Men, metalljoner kan leda till stark polarisering och laddningsöverföringseffekter, som saknas i dessa klassiska modeller. Vi tror att dessa effekter spelar [en] avgörande roll i den specifika jon-proteininteraktionen."

Ren och hans kollegor tittade specifikt på interaktionen mellan Mg2+/Ca2+ och aminosyror. Magnesium och kalcium är några av de vanligaste jonerna i metalloproteiner, proteiner med en metalljonkofaktor. Båda är selektivt bundna till specifika aminosyror, vilket gör dem till intressanta målmolekyler. Svaret från många kroppar, den ömsesidiga induktionen mellan joner och deras omgivande rester i proteinbindningsfickorna, påverkar också bindningsaffiniteten för dessa joner och kan fångas upp av AMOEBA-modellen.

"Skillnaden mellan många kroppssvar på Ca2+ vs Mg2+ i bindningsfickan är betydande, " sade Ren. "Det var känt att polarisering och laddningsöverföring är viktiga i protein-jonkomplex, men för den konkurrensmässiga bindningen, många har misstänkt att dessa effekter kan upphöra."

AMOEBA-modellen och framstegen inom kraftfält, inklusive tillämpningar av dessa resultat, Ren påpekade, är relevanta i många sjukdomar inklusive cancer och neurodegenerativa sjukdomar. Kunskap om protein-jon-interaktioner kan ge grundläggande förståelse för framsteg inom relaterad medicinsk forskning.