电压门控钠离子通道离子选择性机理研究

发布时间：2017-10-09 19:30

  本文关键词：电压门控钠离子通道离子选择性机理研究

  更多相关文章： 电压门控钠离子通道 渗透机制 离子选择性 分子动力学模拟

【摘要】：电压门控钠离子通道是电压门控离子通道超家族的成员,在哺乳动物神经信号传导过程中具有重要作用。电压门控钠离子通道的突变和功能异常与人类许多重大疾病相关。细菌中的电压门控钠离子通道与哺乳动物中的钠通道同源性很高,其晶体结构的解析为我们从分子水平上研究钠通道功能提供了可能。本论文从海洋细菌钠通道NavRh的晶体结构出发,通过分子动力学模拟的方法研究电压门控钠离子通道的渗透机制和离子选择性的分子机理。本论文首先分别对钠、钙、钾离子通过NavRh选择性过滤器进行了平衡模拟和自由能计算,确定了钠离子在选择性过滤器中有两个结合位点,胞外侧的第一个位点位于谷氨酸183和丝氨酸181之间,离子与它们的侧链相互作用。第二个位点位于异亮氨酸179和苏氨酸178之间,离子与它们的主链羰基相互作用。钠离子以非对称的结合方式通过选择性过滤器。钙离子通过选择性过滤器的能垒很高,只有在浓度很高的情况下能偶尔通过。钙离子很容易结合谷氨酸183占据胞外侧的第一个位点,阻碍钠离子的通过。钾离子在选择性过滤器中的结合位点与钠离子基本一致。能量计算表明野生型NavRh选择性过滤器中的两个结合位点都具有较弱的钠离子选择性。前人的突变研究结果显示,哺乳动物电压门控钠离子通道的选择性主要由选择性过滤器中几个关键的氨基酸赖氨酸、天冬氨酸和谷氨酸残基决定。这几个关键氨基酸位于选择性过滤器的狭窄部位,对应于原核同源四聚体钠通道NavRh中四个丝氨酸180的位置。哺乳动物钠通道的钠/钾离子选择性需要赖氨酸的存在和至少一个带羧基的氨基酸的参与。尽管这几个残基对选择性非常重要,但在我们之前尚没有从晶体结构出发的相关模拟研究。我们构建了NavRh的DEKA突变体并进行模拟实验,发现在DEKA位置存在一个对钠离子选择性很高的位点,并揭示了赖氨酸、天冬氨酸和谷氨酸残基在钠/钾离子选择性中分别起到的作用。
【关键词】：电压门控钠离子通道 渗透机制 离子选择性 分子动力学模拟
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：Q25
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 主要符号对照表9-10
• 第1章 引言10-44
• 1.1 膜电位与离子通道11-15
• 1.1.1 膜电位11-13
• 1.1.2 动作电位的产生与传导13-15
• 1.1.3 电压门控离子通道15
• 1.2 电压门控钠离子通道概述15-21
• 1.2.1 电压门控钠离子通道的发现15-17
• 1.2.2 电压门控钠离子通道的进化17-20
• 1.2.3 电压门控钠离子通道的分类20-21
• 1.2.4 细菌电压门控钠离子通道的发现21
• 1.3 电压门控离子通道的晶体结构21-29
• 1.3.1 钾离子通道的晶体结构21-22
• 1.3.2 电压门控钠离子通道的晶体结构22-29
• 1.4 电压门控离子通道的功能研究29-40
• 1.4.1 钾离子通道离子选择性29-31
• 1.4.2 钠离子通道离子选择性31-34
• 1.4.3 钙离子通道离子选择性34-35
• 1.4.4 电压感应机制35-37
• 1.4.5 失活机制37-39
• 1.4.6 细菌电压门控钠离子通道的功能39-40
• 1.5 电压门控钠离子通道相关的疾病与药物40-42
• 1.5.1 电压门控钠离子通道相关疾病40-41
• 1.5.2 电压门控钠离子通道相关药物41-42
• 1.6 本文的研究方法与研究意义42-44
• 第2章 材料与方法44-47
• 2.1 模型建立44
• 2.2 参数设置44
• 2.3 实验方法44-47
• 2.3.1 NAMD简介44-45
• 2.3.2 自适应偏置力方法45-46
• 2.3.3 自由能微扰46-47
• 第3章 Na_vRh选择性过滤器对Na~+/Ca~(2+)选择性研究47-72
• 3.1 引言47
• 3.2 实验内容47-54
• 3.2.1 系统构建47-48
• 3.2.2 平衡模拟48-51
• 3.2.3 ABF实验51
• 3.2.4 FEP实验51-53
• 3.2.5 水合数分析53-54
• 3.3 结果与讨论54-71
• 3.3.1 Na~+结合位点54-60
• 3.3.2 Ca~(2+)结合在Site 1 阻碍Na~+的通过60-64
• 3.3.3 Ca~(2+)与Na~+在Site 2 结合方式不同64-68
• 3.3.4 Na~+的通过方式是不对称的68-71
• 3.4 小结71-72
• 第4章 Na_vRh选择性过滤器及其真核突变体对Na~+/K~+选择性研究72-100
• 4.1 引言72
• 4.2 实验内容72-79
• 4.2.1 系统构建72-73
• 4.2.2 平衡模拟73-75
• 4.2.3 ABF实验75-76
• 4.2.4 FEP实验76-79
• 4.2.5 配位数分析79
• 4.3 结果与讨论79-99
• 4.3.1 WT-Na_vRh选择性过滤器具有弱Na~+/K~+选择性79-82
• 4.3.2 构建DEKA突变体作为哺乳动物钠通道模型82-83
• 4.3.3 DEKA突变体选择性过滤器中Lys的构象83-86
• 4.3.4 Na~+、K~+通过DEKA突变体选择性过滤器86-89
• 4.3.5 Na~+/K~+选择性89-91
• 4.3.6 Na~+、K~+在Site HFS位点选择性产生原因91-92
• 4.3.7 Lys的作用92-95
• 4.3.8 Asp/Glu的作用95-99
• 4.4 小结99-100
• 第5章 讨论与展望100-105
• 5.1 讨论100-102
• 5.1.1 Na_vRh选择性过滤器渗透Na~+和Ca~(2+)的模型100-101
• 5.1.2 哺乳动物Nav通道选择性过滤器渗透Na~+和K~+的模型101-102
• 5.1.3 本文中模拟实验的局限性102
• 5.2 待解决的问题102-104
• 5.2.1 哺乳动物Cav通道选择Ca~(2+)的机理102-103
• 5.2.2 哺乳动物Nav通道Site 1 的结合方式103-104
• 5.2.3 Lys的其他突变丧失Na~+/K~+选择性的机理104
• 5.2.4 基于开放构象NavMs的模拟研究104
• 5.3 前景与展望104-105
• 参考文献105-121
• 致谢121-123
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果123

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前8条

1 马忠明,赵凯,钱伟珏,郑筱祥;组织胺敏感离子选择性微电极及其应用[J];分析化学;1997年07期

2 吴芯芯，赵平三，漆德瑶;钾离子选择性液膜超微电极的研制[J];上海大学学报(自然科学版);1995年03期

3 张瑞;金根娣;胡效亚;;钴膜修饰碳纤维离子选择性微电极测定H_2PO_4~-[J];扬州大学学报(自然科学版);2009年02期

4 王周成,张瀛洲,周绍民,辜志俊,张志刚,苏方腾;A3钢在离子选择性涂层下的腐蚀电化学行为[J];厦门大学学报(自然科学版);1997年03期

5 陈俊强,何淑舫,许京怀;氢离子选择性微电极细胞内pH测量系统的研制[J];生理学报;1991年06期

6 康秀文，，姚兴明;关于混合离子选择性滴定的适宜pH范围及最佳pH值的讨论[J];天津师大学报(自然科学版);1996年03期

7 张宝民;康吉成;刘永新;;应用离子选择性电极法测定深井水F~-浓度的实验[J];华北地震科学;1987年S1期

8 ;[J];;年期

中国重要会议论文全文数据库 前4条

1 张辉;施玉j;;半夏凝集素通道的阳离子选择性[A];中国细胞生物学学会第五次会议论文摘要汇编[C];1992年

2 王新龙;秦超;王恩波;许林;;具有一维隧道的的镧系有机开放式网络的合成,结构和Zn离子选择性探究[A];第五届全国稀土发光材料学术研讨会论文摘要集[C];2005年

3 顾卫武;;离子选择性膜电极临床使用现状[A];海峡两岸医疗仪器学术会议论文集[C];1995年

4 杜志平;王俊伟;王万绪;陆用海;;一种新型阴离子表面活性剂离子选择电极的制备与应用[A];中国化学会第十二届胶体与界面化学会议论文摘要集[C];2009年

中国重要报纸全文数据库 前1条

1 生命学院;杨茂君研究组在PNAS杂志发表论文[N];新清华;2012年

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 夏梦蝶;电压门控钠离子通道离子选择性机理研究[D];清华大学;2015年

2 葛亮;单价阳离子选择性分离膜的制备与表征[D];中国科学技术大学;2014年

中国硕士学位论文全文数据库 前3条

1 刘必心;阴离子表面活性剂离子选择性膜电极的研制与应用[D];中国日用化学工业研究院;2008年

2 杨山虎;单苯并-12-冠-4的合成及对锂离子选择性研究[D];成都理工大学;2012年

3 魏f

本文编号：1002011