El calcio es esencial para que nuestros cuerpos funcionen. Los iones de calcio permiten que las células se comuniquen entre sí, permitiendo que las neuronas interactúen, los músculos se contraigan y las células musculares del corazón se sincronicen y laten. Para comprender mejor estos procesos, en los que los iones de calciointeractúan con moléculas biológicas como las proteínas, los investigadores a menudo usan simulaciones por computadora. Pero los modelos precisos son desafiantes y computacionalmente caros.
"Si tiene el modelo incorrecto de calcio, simplemente no funcionará", dijo Pavel Jungwirth, del Instituto de Química Orgánica y Bioquímica de la Academia Checa de Ciencias de Praga. "La mayoría de los modelos disponibles no son precisossuficiente para capturar las características importantes del ion calcio ".
En el número de esta semana de El diario de la física química , de AIP Publishing, sin embargo, el grupo de investigación de Jungwirth demuestra cómo una modificación directa en un modelo de computadora conduce a simulaciones altamente precisas, que sirven como herramientas poderosas para estudiar una variedad de procesos biológicos. "Creo que tenemos lo mejor demodelos simples de calcio en el mundo en este momento ", dijo Jungwirth.
Los iones de calcio viajan de una célula a otra como mensajeros. Cuando llegan a una célula, se unen a una molécula, como una proteína, desencadenando una cascada de respuestas químicas. Pero debido al ambiente acuoso del ion, simulando exactamente cómo se une el calciodifícil.
El ion calcio, que está doblemente cargado positivamente, interactúa fuertemente con los oxígenos de las moléculas de agua circundantes. Estos oxígenos tienen una carga negativa parcial como en la molécula de agua y el átomo de oxígeno atrae los electrones de los enlaces de manera más efectivaLas fuerzas electrostáticas entre el calcio y el agua inducen a las moléculas de agua a reorganizarse alrededor del ion. El ion calcio también obliga a los electrones en la molécula de agua a desplazarse, un fenómeno llamado polarización electrónica.
La mayoría de las simulaciones incorporan la reorganización de las moléculas de agua. Pero debido a que calcular exactamente cómo se mueven los electrones requiere demasiada potencia informática, no tienen en cuenta la polarización electrónica. Sin polarización electrónica, dijo Jungwirth, las simulaciones que involucran calcio son inexactas.
Por lo general, las interacciones con las moléculas de agua trabajan para extraer un ion de calcio de la molécula con la que está tratando de unirse, como en un tira y afloja molecular. Si una simulación no tiene en cuenta estos efectos por completo, sobreestima con qué intensidadel calcio se une, produciendo iones que no se pueden unir, lo que no es realista.
Sin embargo, hace unos años, Alexei Stuchebrukhov e Igor Leontyev propusieron una solución: reducir la carga eléctrica de los iones en las simulaciones. Resulta que escalar la carga en un factor de aproximadamente 0,75 imita el efecto de la polarización electrónica.una escala simple tampoco agrega ninguna carga computacional adicional.
"Es casi un milagro", dijo Jungwirth. "Sabemos que no es una solución perfecta, pero tal vez resuelva el 90 por ciento del problema".
Anteriormente, el equipo de Jungwirth probó la estrategia al modelar la interacción relativamente simple entre los iones de calcio y cloruro. Para verificar si las simulaciones eran precisas, y si la escala funcionó, lanzaron soluciones reales de cloruro de calcio con neutrones. Al medir cómo esosLos neutrones se dispersaron del cloruro de calcio acuoso, los investigadores dedujeron su estructura y compararon los datos con las simulaciones.
En el nuevo estudio, los investigadores probaron su modelo con grupos carboxílicos, grupos moleculares encontrados en proteínas y, por lo tanto, más relevantes para la biología. Después de ajustar también la carga del grupo carboxílico, nuevamente mostraron que sus simulaciones coincidían muy biencon datos de experimentos de dispersión de neutrones.
Debido a que los grupos carboxílicos son simples en comparación con, digamos, una proteína completa, los investigadores también podrían describir las interacciones de calcio utilizando cálculos de estructura electrónica precisos pero computacionalmente costosos. Al comparar estos cálculos con las simulaciones, nuevamente confirmaron la precisión de sus modelos.
Estas pruebas muestran que el nuevo modelo puede simular interacciones de calcio con casi cualquier proteína, dijo Jungwirth. Los investigadores también han desarrollado un modelo análogo que funciona para las interacciones de calcio con fosfolípidos en la membrana celular. El siguiente paso, dijo, eshaga lo mismo con las moléculas de ADN y ARN. Y más adelante, los investigadores planean desarrollar un modelo similar para el magnesio, otro ion de señalización importante con sus propios desafíos únicos.
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Materiales proporcionados por Instituto Americano de Física . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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