Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1843/35074
Type: Tese
Title: Modelagem estrutural do canal de sódio 1.4 e estudo teórico da ligação de alfa e beta toxinas de escorpião
Authors: João Ronaldo Clemente Fernandes
First Advisor: Paulo Sérgio Lacerda Beirão
First Co-advisor: Lucas Bleicher
First Referee: Raquel Cardoso de Melo Minardi
Second Referee: José Miguel Ortega
Third Referee: Werner Treptow
metadata.dc.contributor.referee4: Pedro Geraldo Pascutti
Abstract: Voltage-gated sodium channels (VGSD) são proteínas responsáveis pela propagação da informação entre neurônios, fibras musculares esqueléticas, fibras musculares cardíacas e outros tipos de células excitáveis. Eles são rapidamente ativados quando a membrana celular é despolarizada, seguido de inativação, o que leva a um influxo de sódio transiente. Até recentemente não existia um modelo estrutural completo do canal de sódio humano. Neste trabalho, realizamos a modelagem comparativa do canal hNav1.4, usando como template o canal de cálcio de coelho (Cav1.1), canal de sódio de barata (NavPaS) e o canal de sódio de enguia elétrica (EeNav1.4), com os programas Rosetta e SWISS-MODEL. Os modelos gerados foram designados hNav1.4/Cav, hNav1.4/PaS e hNav1.4/Ee, conforme o templete usado. Estes modelos foram analisados de duas formas: na fidelidade do seu enovelamento em relação ao seu template, usando a ferramenta TM-Align; e pelos ângulos das ligações peptídicas entre os resíduos, utilizando o gráfico de Ramachandran. Todos os modelos foram considerados bem sucedidos pelos gráficos de Ramachandran e pelo TM-Align. Uma análise mais apurada das estruturas mostrou algumas incongruências no modelo hNav1.4/Cav ao compararmos com o funcionamento dos canais de sódio, tornando o modelo inadequado. O poro do canal se mostra fechado e seus domínios sensíveis a voltagem (VSD) se encontram ativados, o que torna este modelo falho em relação às propriedades funcionais do canal. Os modelos hNav1.4/PaS e hNav1.4/Ee, por outro lado, representam estados conformacionais fechado e aberto, respectivamente, e se mostraram consistentes com os dados biofísicos e farmacológicos conhecidos. Como critério para identificar em qual estado conformacional os canais se encontram, foi realizada a análise dos segmentos S4, e sua posição em relação à constrição hidrofóbica, bem como a verificação das interações dos resíduos carregados com resíduos de aminoácidos dos segmentos S1, S2 e S3. Considerando este critério, foi possível a contagem das cargas elementares necessárias para ativar o canal hNav1.4, chegando-se a um valor aproximado de 6,5. Completando a análise das características dos canais, foi realizado o docking de alfae beta-toxinas de escorpião no canal. A beta-toxina Ts1, se ligou ao sítio 4 do canal hNav1.4/PaS, mostrando alta afinidade com energia livre de ligação (ΔG) de -9.4 kcal/mol, confirmando que o segmento S4 do domínio DII se encontra na posição ativada, embora o canal esteja fechado, conforme análise feita pelo programa MOLEonline. A alfa-toxina AaHII se ligou ao sítio 3 do modelo hNav1.4/PaS e teve sua energia livre de ligação em -10.7 kcal/mol. Um novo docking foi testado com o modelo estado aberto, hNav1.4/Ee, e não obteve sucesso. Este resultado confirma resultados experimentais que comprovam a incapacidade da toxina de se ligar ao canal quando o VSDIV está ativado. Uma análise mais profunda mostrou que o resíduo D1435 do canal, tido como de grande importância para a interação toxina-canal, se encontra em uma posição não favorável para ligação da toxina. Esta mudança é causada pelo movimento do segmento S4 que, ao se mover em direção ao meio externo durante sua ativação, provoca no segmento S3 um movimento para dentro seguido por um giro, colocando o resíduo D1435 na posição desfavorável para a ligação da toxina. Essa observação permite esclarecer uma característica das alfa-toxinas, que é o seu deslocamento do canal quando pulsos altamente despolarizantes são aplicados à membrana. Os resultados apresentados pelo docking das toxinas são compatíveis com os resultados obtidos experimentalmente. Nossos resultados mostram que estes modelos teóricos são capazes de fornecer as bases estruturais para aspectos fisiológicos e farmacológicos desses canais, possibilitando assim uma nova gama de pesquisas teóricas envolvendo o canal hNav1.4 em diferentes estados conformacionais.
Abstract: Voltage-gated sodium channels (VGSD) are proteins responsible for the propagation of information between neurons, skeletal muscle fibers, cardiac muscle fibers and other types of excitable cells. They are rapidly activated when the cell membrane is depolarized, followed by inactivation, which leads to a transient sodium influx. Until recently there was no complete structural model of the human sodium channel. In this work, we performed the comparative modeling of the hNav1.4 channel, using as template the rabbit calcium channel (Cav1.1), cockroach sodium channel (NavPaS) and the electric eel sodium channel (EeNav1.4), with the Rosetta and SWISS-MODEL programs. These models were analyzed in two ways: the fidelity of their folding in relation to their templates using the TM-Align tool, and by angles of the peptide bonds between the amino acid residues, using the Ramachandran plot. All models were considered successful based on these criteria. More accurate analysis of the structures showed that the hNav1.4/Cav model has inconsistencies when compared to the functioning of a sodium channel, making the model inappropriate. The pore of the channel is closed and its voltage sensitive domains (VSD) are activated, which makes this model faulty in relation to the functional properties of the channel. On the other hand, the hNav1.4/PaS and hNav1.4/Ee models were able to represent closed and open conformational states, respectively, and were consistent with known biophysical and pharmacological data. As a criterion to identify the conformational state the channels, the analysis of the segments S4 was performed checking its position in relation to the hydrophobic constriction and the interactions of the charged residues with segments S1, S2 and S3. Considering this criterion, it was possible to count the elementary charges necessary to activate the hNav1.4 channel, reaching an approximate value of 6.5. Completing the analysis of the channel characteristics, the docking of alpha- and beta-scorpion toxins to the canal was performed. Beta-toxin Ts1 bound to channel site 4 with high affinity and binding free energy (ΔG) of -9.4 kcal/mol, thus confirming that the segment S4 of the DII domain is in the activated position, although the pore of the channel is closed state (as shown by the analysis by the MOLEonline program). The alpha toxin AaHII bound to site 3 of the closed-state model hNav1.4/PaS with a free energy of binding of -10.7 kcal/mol. A new docking was tested with the open-state model, hNav1.4/Ee, without success. This result is in agreement with the toxin's ability to bind to the VSDIV of the channel, but not when it is activated. Further analysis showed that the D1435 residue of the channel, considered to be of great importance for the toxin-channel interaction, is at an unfavorable position for toxin binding. This change results from the outward movement of the S4 segment, which causes a rotation of S3, placing the D1435 in unfavorable position. This observation can account for one characteristic of the alpha-toxins, which is their displacement from the channel when strong depolarizing pulses are applied to the membrane. The results presented by the docking of the toxins can explain the results obtained experimentally. Our results show that these theoretical models may provide structural basis to understand the physiological and pharmacological characteristics of these channels, thus enabling a new range of theoretical researches involving the hNav1.4 channel at different conformational states.
Subject: Biologia computacional
Canais de sódio disparados por voltagem
Simulação de acoplamento molecular
language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ICB - INSTITUTO DE CIÊNCIAS BIOLOGICAS
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Bioinformatica
Rights: Acesso Aberto
metadata.dc.rights.uri: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/pt/
URI: http://hdl.handle.net/1843/35074
Issue Date: 30-Jan-2019
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