Sodyum kanallarında iyon taşınımının ve toksin bağlanmasının moleküler modellemesi
Molecular modelling of ion transport and toxin binding in sodium channels
Yazar: ESRA KÖRPE
Danışman: PROF. TURGUT BAŞTUĞ
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Biyofizik = Biophysics

Özet:
İyon kanalları hücrelerde elektriksel sinyalin iletilmesinde önemli rol oynayan membran proteinleridir. İyon kanallarına, bir ligandın bağlanması veya elektriksel bir sinyalin gelmesi membran potansiyelini değiştirirken aksiyon potansiyeli meydana getirir. Açılan bu kanallar Na+, K+ ,Ca2+ ya da Cl- gibi belirli bir tip iyonları hücre membranından seçici bir şekilde geçmesine olanak sağlar. Bu kanallar elektronik devrelerdeki transistörler gibi çalışırlar. Bu durum pek çok hücre sinyalinde ortaya çıkarken en temel olanı sinir hücrelerindeki aksiyon potansiyelinin iletilmesidir. İyon kanallarının düzgün çalışmaması veya  iyon kanallarında meydana gelen fonksiyonel bozukluklar birçok hastalıkla ilişkilendirilmiştir. Bu bozukluklar gen kodlarında meydana gelen kanal proteinlerinin mutasyonu ya da çevresel etkilerden mütevelliddir. Bu yüzden iyon kanalları tedavi edici ilaçlar için önemli hedef protein yapılardır. Yapısal bilgi, model çalışmaları için temel teşkil  eder; ancak kanalların nasıl çalıştığının tamamıyla anlaşılmasında yeterli değildir. Kanal fonksiyonlarının birçok özelliğine deneysel olarak doğrudan ulaşılamazken bilgisayar destekli simülasyonlarda kanal proteinlerinin yapı ve fonksiyonuna ilişkin bilgilere ulaşılabilir. Bu çalışmada kristal yapısı var olan sodyum voltaj-kapılı iyon kanallarındaki iyon geçiş mekanizması moleküler dinamik simülasyonları yöntemiyle aydınlatılmaya çalışılırken, aynı zamanda bu kanallara ligand bağlanmasının araştırılması için serbest enerji hesaplamaları yapılmıştır. Serbest enerji hesaplamaları seçilen bir reaksiyon koordinatı boyunca Şemsiye Örnekleme Metodu kullanarak kuvvet alanları potansiyeli (PMF) hesabından elde edilecektir. Şemsiye Örnekleme Metodu önceden tanımlanmış reaksiyon koordinatları boyunca uygulanan bir simülasyon metodudur. Bu metotta, reaksiyon koordinatları boyunca şemsiye potansiyelin farklı yerleşimlerinde çok sayıda simülasyon çalıştırılır. Her simülasyonun örneklemelerden uygulanan potansiyel enerji ile temsil edilen popülasyon değerleri ortaya çıkarılır. Elde edilen popülasyonu (yoğunluk fonksiyonu) Ağırlıklı Histogram Analiz Yöntemi (WHAM) kullanılarak reaksiyon koordinatı boyunca birleştirilir. Yapılan WHAM analizinden de serbest enerji profiline geçilir. Ayrıca çalışmada kristal yapısı henüz ortaya çıkarılmamış olan memeli sodyum voltaj kapılı iyon kanallarından Nav1.4 kanalının homoloji modellemesi üzerine de çalışma yapılmıştır. Yapılan çalışmaların sonucunda elde edilmiş olan kompleks yapılar ve serbest enerji hesaplamaları sodyum iyonlarının bağlanma bölgeleri hakkında detaylı bilgi verirken, iyon koordinasyonları ve iyon geçirgenliği hakkında da bilgi vermektedir. Ligand bağlanmasıyla elde edilen sonuçların sodyum kanallarının inhibasyonunun açıklanmasıda ve bu kanalları bloke eden ilaçların geliştirilmesi çalışmalarında  şablon olması bakımından yararlı olacağı düşünülmektedir.

Abstract:
Ion channels are membrane proteins that play an important role in the transmission of electrical signals in cells. The binding of a ligand or an electrical signal to the ion channels allows these channels to open as the membrane potential chan-ges. These channels allow certain type of ion such as Na+, K+, Ca2+ or Cl- to across from the cell membrane. These channels work like transistors in electronic circuits. While this occurs in many cell signals, the most basic is the transmission of the action potential in nerve cells. Functional disorders that occur in the ion channels due to mutation of channel proteins that occur in gene codes or environmental effects have been associated with many diseases. So ion channels are an important target for therapeutic drugs. Structural information is the basis for model work, but it is not enough to fully understand how the channels work. While many features of channel functions can not be reached directly experimentally, computer-aided simulations can provide information on structure and function of channel proteins. In this work, ion transition mechanism of sodium voltage-gated ion channels with crystal structure was tried to be elucidated by molecular dynamics simulations. At the same time, free energy calculations were carried out to investigate ligand binding to these channels. Free energy calculations will be obtained from the calculation of the force field potential (PMF) using the Umbrella Sampling Method over a selected reaction coordinate. The Umbrella Sampling Method is a simulation method applied over predefined reaction coordinates.The free energy profile is also passed from the WHAM analysis. In this method, a large number of simulations are run at different locations of the umbrella potential along the reaction coordinates. The population values represented by the potential energy applied from the samples of each simulation are revealed. The resulting population (density function) is combined along the reaction coordinate using the Weighted Histogram Analysis Method. In addition, studies have also been conducted on homology modeling of the Nav1.4 channel from mammalian sodium voltage-gated ion channels for which crystal structure has not been revealed. The complex structures and free energy calculations obtained as a result of the studies carried out provide detailed information on the binding sites of sodium ions and also provide information on ion coordination and ion permeability. It is believed that inhibition of the sodium channels of the results obtained by ligand binding will be explained and that these channels will be useful in the development of blocking drugs in order to be a template.