植物离子通道的实验和计算研究

作物的产量和营养谱受摄入营养物质的影响。为了了解植物离子通道的摄取和调节钠和钾，Janin Riedelsber博士在生物信息学，仿真和建模（CBSM），Talca大学和她的合作者结合了计算和实验方法。计算方法用于模拟通道蛋白的分子结构并模拟其分子动力学，而实验允许验证计算预测。相反，计算数据可以指导实验并帮助解释实验数据。

植物细胞膜可选择性渗透并将电池与外部环境分离。它们充当各种分子的障碍。运输蛋白质代表分子通过膜的分子，并调节哪些进入植物细胞。膜运输过程的关键作用使其成为详细研究的主题，如这里所述的那些，旨在改善作物对各种应力的耐受性，植物的营养价值等。

发展和发展，植物需要各种常规营养素，包括氮，磷和钾（k⁺）它们占用，以及钠（Na⁺)，大部分是通过根系从土壤中获得的。植物细胞膜上的特殊蛋白质(如离子通道或孔)在特定条件下运输这些离子，使它们能够被植物以一种理想的避免毒性的调节方式使用。

例如，钾是抗旱，盐度和真菌疾病的抵抗力，这就是它影响作物产量的原因。一旦内部细胞，它就会参与调节酶活性，调节电膜电位和细胞Turgor，调节细胞稳态和稳定蛋白质合成。

植物使用不同的k⁺吸收系统，取决于外部可用的K⁺浓缩，保持该离子的细胞浓度恒定高。如果外部k⁺浓度是非常低的，使用活性摄取系统，这通常与k一起将质子共传送⁺离子。当外部K⁺浓度较高，被动式传输蛋白质，如离子通道，使能k⁺吸收。

钠对植物来说不是必需的，但少量它有助于代谢和叶绿素的合成。在一些植物中，它可以部分取代钾，因为钠离子在化学上和物理上类似于钾离子。由于钾功能的不完美，高钠浓度会导致植物缺乏症的症状。本身，高盐浓度是大多数植物的问题。

植物在两阶段响应盐度：渗透性和离子特异性。在渗透阶段（分钟到几天）中，溶质浓度（例如高盐）的变化导致水运动变化，因此减少了生长。在离子特异性相（天至周）中，离子开始累积有毒浓度，影响代谢过程受影响，如果没有采取措施，则发生细胞死亡。

关于离子吸收的研究将有助于解释，例如，为什么一些植物比其他植物更容忍盐度压力，并且可以使育种者开发更耐药的作物植物。通过计算方法来揭示所涉及的离子通道的分子结构，然后指导实验或解释实验观察，这种工作正在进行。

生物信息学，模拟和建模（CBSM）中心将植物膜蛋白的建模技术与分子动力学模拟相结合，以研究蛋白质 - 膜系统以及响应于不同的外离子条件。最近，HKT家族的交通蛋白质（OS.HKT2; 2）在水稻中（奥雅萨苜蓿通过计算和实验方法研究了。

HKT蛋白质家庭
HKT蛋白质的家族最初被命名为“高亲和力钾”，但是发现也被发现也参与钠转运。有两种HKT频道：我主要是na⁺选择性（称为Uniport），而II级充当NA⁺和K.⁺Cotroansporters（Symport）。第二种类型已经在NA存在下进行了模拟和模拟的干燥实验室（意大利计算机）⁺和K.⁺。

该HKT膜蛋白的对比建模，然后模拟CBSM团队所确定的膜中鉴定在膜中离子传导中涉及的离子配位位点。然后使用电生理方法通过实验验证其中一个配位部位。

HKT蛋白家族在离子选择性和外部阳离子组成对蛋白功能的影响方面具有功能多样性。单子叶植物(如水稻)的HKT蛋白种类似乎比双子叶植物的HKT蛋白种类更多，而且只有在这些HKT通道中才发现阳离子共通。OS.HKT2; 2是稻米中发现的八个或九种频道中的八个或九个频道之一。

细胞外培养基中的离子组合物（细胞外）通过改变离子传输速率来影响HKT通道的传输能力。Janin Riedelsberger博士和她的同事们旨在在分子水平上研究这种运输过程，成功地创造了米饭的分子同源性模型OS.HKT2; 2。

比较建模等计算方法用于显示蛋白质HKT的结构看起来像什么，并预测蛋白质的结构如何影响其功能。然后，研究人员必须设计湿式实验室实验（例如，使用电生理学）来验证它们的预测。

研究如何发生离子吸收将有助于解释为什么一些植物比其他植物更容许盐度压力。

干燥实验室实验表明，离子接近蛋白质，而不是它们如何通过HKT的孔通过膜。下一步是突变这些潜在的离子协调位点（引入蛋白质结构的变化），并看出这些变化是否会影响HKT的功能。如果他们这样做，这表明网站对功能很重要。如果没有变化，这部分蛋白质对蛋白质功能并不重要。

比较蛋白质建模
比较蛋白质建模包括基于同源蛋白质(与感兴趣的蛋白质相似的蛋白质)的三维结构，从其氨基酸序列构建蛋白质模型。例如，被广泛研究的细菌和真菌的Ktr和Trk通道是HKT通道的同源物。

结构模型OS.HKT2; 2使用I-Tasser Server，一个用于自动蛋白质结构的集成平台和功能预测的计算机生成。从氨基酸序列开始，I-Tasser基于同源蛋白的结构产生三维原子模型。为II型HKT通道创建了比较模型OS.HKT2; 2并嵌入脂质膜中。

然后，团队在NA存在下模拟分子的动态⁺和K.⁺离子和评估离子接近和相互作用的通道蛋白。在通道蛋白的胞外表面发现了几个阳离子配位，离子在进入通道孔之前必须通过这些位置才能到达细胞内部。

HKT蛋白质具有由一个氨基酸链组成的结构，其含有四个单元，每个跨膜段和一个孔隙环。这四个单位组在一起形成蛋白质中心的传导通路（孔）。在II类中，研究的每种单位的HKT在其孔回路（G-G-G-G）中含有保守的甘氨酸，而在I类中，第一甘氨酸突变为丝氨酸（S-G-G-G）。

电生理测量
电生理学是湿式实验方法的一个例子，允许研究人员通过生物组织中的实际通道研究离子的流动。如前所述，湿式实验室实验旨在帮助验证通过计算方法（干燥实验室实验）的预测是否正确。

在这种情况下，用于表征水稻的电生理学性质的电压钳位技术OS.HKT2; 2蛋白在青蛙卵中异源表达（Xenopus laevis.)．通过离子通道的电流受门控期间通道构象的动态变化的影响（电池膜中的通道或孔打开或关闭的过程）。

计算方法提供了与HKT通道相同的复合蛋白中与离子传导相关的结构函数关系的见解。

为了识别离子进入孔前接近的氨基酸，研究人员基于结构和功能相关的细菌通道构建了野生型通道蛋白模型。他们描述了野生型的三种功能(电生理)特性OS.HKT2; 2并检查突变频道中这些性质的发生和特征。

换句话说，研究阳离子协调场所在离子传导中发挥的作用OS.HKT2;2，不同的残基(形成蛋白质的特定氨基酸)发生突变，然后通过实验对突变体的功能变化进行表征。与野生型通道相比，一个突变体(K504)对通道的功能有显著影响。

阳离子配位的识别
分析分子动力学模拟期间离子和氨基酸之间的接触频率，使识别位于外细胞外蛋白区域中的潜在细胞外阳离子协调位点一些距离（〜20埃）的孔入口OS.HKT2; 2。像这样的协调场所将吸引阳离子（例如Na⁺和K.⁺）并指导他们进入入口。

计算研究发现，细胞外阳离子配位位点由带正电荷的赖氨酸残基（K504）组成，其具有两个带负电荷的天冬氨酸，以形成吸管的带负电荷的环境。两种天冬氨酸的侧链氧原子与第三个残留物的骨干氧一起似乎捕获na⁺和K.⁺来自细胞外空间的离子并将它们放在导向朝向孔和进入细胞的路径上。

由此，研究人员表明，带有带电的赖氨酸可能是阳离子需要向孔移动的冲动。正电荷及其正确尺寸和位置似乎对信道功能至关重要。对大小或电荷的参数之一变化的敏感性表明了植物转运蛋白的配位部位的结构如何。

发现协调部位对于适当的离子传导至关重要。如此，如此，在细胞外蛋白表面上的关键位点可能有助于表明即使在进入孔之前，也可以帮助显示不同的离子物种如何影响通道传导行为。CBSM的研究有助于了解NA⁺和/或k⁺这有助于解释植物在盐胁迫下如何反应，以及它们如何应对钠的增加⁺例如植物细胞中的离子。