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钾离子(K?)通道通过保守选择性滤器(SF)实现高效(~100 pS)及 K?/Na?选择性通透。传统分子动力学(MD)模拟因未考虑极化导致电导和离子占据率低估。本研究通过电子连续校正(ECC)引入极化,显著提升模拟与实验在电导、占据率、I-V 曲线及选择性上的一致性,揭示通透机制。
钾离子(K?)通道是广泛存在于多种生物中的膜蛋白,通过保守的选择性滤器(SF)实现高效(~100 pS)和 K?/Na?选择性离子传导。分子动力学(MD)模拟可揭示其原子水平机制,但传统力场因未考虑电子极化,导致模拟的 SF 离子占据率(~2.5 vs 实验~4)和 K?电导较实验低一个数量级。
电子连续校正(ECC)通过缩放形式电荷引入平均场极化。当 ECC 与 Charmm36m 力场结合时,模拟的 K?电导提升 13 倍;通过哈密顿量复制交换(HRE)模拟分析离子占据态,为 Amber14sb 力场优化参数后,电导也显著提高。两种力场均能模拟出与实验吻合的全电流 - 电压(I-V)曲线,且 K?/Na?选择性得以保留,表明 ECC 中离子 LJ 参数调整的必要性。
研究发现,高电导区域对应 3 离子和 4 离子态的平衡自由能景观,减少离子间排斥并促进直接碰撞传导机制。ECC-Charmm36m 在 0.78 缩放因子下性能最佳,能重现 MthK 通道的内向整流特性。通过渗透循环分析,揭示了 MthK 通道内向整流的分子机制,即电压依赖的速率限制步骤差异。
综上,ECC 方法通过引入有效极化,显著提升了 MD 模拟钾离子通道的准确性,为研究通道的离子传导、选择性及调控机制提供了可靠工具,推动了基于分子模拟的离子通道功能研究与药物开发。