Transporte quântico mediado por interações coulombianas em canais iônicos

Abstract

Canais iônicos são proteínas transmembrana que permitem a passagem rápida de íons específicos através da membrana celular. A explicação do processo responsável pela alta eficiência de condução de íons K+ (108 íons sð€€€1) e seletividade do canal iônico é um problema aberto na ciência. Dados cristalográficos possibilitam descrever a estrutura que media esse transporte, o filtro de seletividade. Através desses dados e usando simulações clássicas de dinâmica molecular, diferentes modelos funcionais para o mecanismo de condução e seletividade são desenvolvidos. Análises recentes mostram um mecanismo onde a repulsão direta entre íons de potássio sem suas camadas de hidratação seriam responsáveis por esse transporte rápido, confrontando modelos anteriores. Por outro lado, a abordagem clássica para processos biológicos na escala limite de nanômetros tem sido revisada, propondo-se que fenômenos quânticos sobreviveriam no transporte de cargas e energias em sistemas vivos, indo além do âmbito de simples ligações moleculares. Assumindo que o filtro de seletividade do canal iônico de potássio possa exibir coerência quântica no processo de condução iônica, estendemos modelos anteriores levando em consideração efeitos de repulsão coulombiana entre íons de potássio. As escalas de tempo do processo de transporte são reescaladas por essa interação, impondo limites em parâmetros de entrada e saída de íons no filtro. Primeiro analisamos o caso de duas partículas e, como observado em outros sistemas, encontramos taxas de ruído que ajudariam o transporte. Além disso, com o intuito de verificar efeitos mais drásticos de repulsão, analisamos a interação para números maiores de partículas e diferentes números de sítios de ligação dentro da estrutura do filtro. O aumento do número de partículas leva a uma saturação da ocupação no interior do filtro, caso onde é atingido um máximo de eficiência nas taxas de transferência. A variação no número de sítios permitiu que se estimasse o caso limite onde os intervalos de tempo de drenagem do filtro escalam linearmente com o número de partículas.

An ion channel is a transmembrane protein that allows the fast flow of specific ions across the plasma membrane. The explanation for the high conduction efficiency (108 ions s ð€€€1) and selectivity of the K+ ion channel is still an open problem in science. Crystallographic data have provided a description of the structure that transports these ions: the selectivity filter. Through these data and classical molecular dynamics simulations, several functional models for the conduction and selectivity mechanism have been developed. On the one hand, recent analysis has shown a mechanism where direct repulsion between fully dehydrated potassium ions could be responsible for this rapid transport, conflicting with earlier models. On the other hand, the classical approach to biological processes in the nanometer limit has been recently revised, and it has been proposed that quantum phenomena survive in processes of charge and energy transport in living systems, extending beyond the scope of simple molecular bonds. Assuming that the potassium ion channel selectivity filter can exhibit quantum coherence in the ion conduction process, we extend previous models by taking into account the effects of Coulomb repulsion among potassium ions. The typical transport times are rescaled by this interaction, imposing limits on ion input/output parameters in the filter. Primarily, we study the case of two particles and find, as observed in other systems, noise rates that enhance ion transport. Furthermore, to verify more drastic repulsion effects, we analyze the interaction for more significant numbers of particles and for different numbers of binding sites within the filter structure. Increasing the number of particles leads to an occupancy saturation within the filter, achieving a maximal transfer efficiency. Decreasing the number of binding sites permits reaching the limiting case where the transport time scales linearly with the total number of particles.