Modelagem estrutural do canal de sódio 1.4 e estudo teórico da ligação de alfa e beta toxinas de escorpião
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Raquel Cardoso de Melo Minardi
José Miguel Ortega
Werner Treptow
Pedro Geraldo Pascutti
José Miguel Ortega
Werner Treptow
Pedro Geraldo Pascutti
Resumo
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.
Assunto
Biologia computacional, Canais de sódio disparados por voltagem, Simulação de acoplamento molecular
Palavras-chave
Bioinformática
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