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Atomistic Simulations of Membrane Ion Channel Conduction, Gating, and Modulation

化学 门控 分子动力学 离子 离子通道 钠通道 药物发现 电压门控离子通道 纳米技术 功能(生物学) 化学物理 生物物理学 生物系统 计算化学 材料科学 生物 受体 进化生物学 有机化学 生物化学
作者
E. A. Flood,Céline Boiteux,Bogdan Lev,Igor Vorobyov,Toby W. Allen
出处
期刊:Chemical Reviews [American Chemical Society]
卷期号:119 (13): 7737-7832 被引量:104
标识
DOI:10.1021/acs.chemrev.8b00630
摘要

Membrane ion channels are the fundamental electrical components in the nervous system. Recent developments in X-ray crystallography and cryo-EM microscopy have revealed what these proteins look like in atomic detail but do not tell us how they function. Molecular dynamics simulations have progressed to the point that we can now simulate realistic molecular assemblies to produce quantitative calculations of the thermodynamic and kinetic quantities that control function. In this review, we summarize the state of atomistic simulation methods for ion channels to understand their conduction, activation, and drug modulation mechanisms. We are at a crossroads in atomistic simulation, where long time scale observation can provide unbiased exploration of mechanisms, supplemented by biased free energy methodologies. We illustrate the use of these approaches to describe ion conduction and selectivity in voltage-gated sodium and acid-sensing ion channels. Studies of channel gating present a significant challenge, as activation occurs on longer time scales. Enhanced sampling approaches can ensure convergence on minimum free energy pathways for activation, as illustrated here for pentameric ligand-gated ion channels that are principal to nervous system function and the actions of general anesthetics. We also examine recent studies of local anesthetic and antiepileptic drug binding to a sodium channel, revealing sites and pathways that may offer new targets for drug development. Modern simulations thus offer a range of molecular-level insights into ion channel function and modulation as a learning platform for mechanistic discovery and drug development.

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