STRUCTURAL MECHANISM OF IONIC CONDUCTIVITY OF THE TRPV1 CHANNEL

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The so-called “hydrophobic gating” is widely discussed as a putative mechanism to control water and ion conduction via ion channels. This effect can occur in narrow areas of the channels pore lined by non-polar residues. In the closed state of the channel, such regions may spontaneously transit to a dehydrated state to block water and ions transport without full pore occlusion. In the open state, the hydrophobic gate is wide enough to provide sustainable hydration and conduction. Apparently, the transport through the open hydrophobic gate may by facilitated by some polar residues that assist polar/charged substances to overcome the energy barrier created by nonpolar environment. In this work, we investigated the behavior of Na+ ions and their hydration shells in the open pore of the rat TRPV1 ion channel by molecular dynamics simulations. We show that polar protein groups coordinate water molecules in such a way as to restore the hydration shell of ions in the hydrophobic gate that ensures ion transport through the gate in a fully hydrated state.

About the authors

Yu. A. Trofimov

Shemyakin & Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry of the Russian Academy of Sciences; National Research Nuclear University MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute)

Author for correspondence.
Email: YuTrofimov@gmail.com
Russian Federation, Moscow; Russian Federation, Moscow

A. S. Minakov

Lomonosov Moscow State University

Email: YuTrofimov@gmail.com
Russian Federation, Moscow

N. A. Krylov

Shemyakin & Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry of the Russian Academy of Sciences; National Research University Higher School of Economics

Email: YuTrofimov@gmail.com
Russian Federation, Moscow; Russian Federation, Moscow

R. G. Efremov

Shemyakin & Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry of the Russian Academy of Sciences; National Research University Higher School of Economics; Moscow Institute of Physics and Technology

Email: YuTrofimov@gmail.com
Russian Federation, Moscow; Russian Federation, Moscow; Russian Federation, Dolgoprudny

References

  1. Rao S., Lynch C.I., Klesse G., et al. Water and hydrophobic gates in ion channels and nanopores // Faraday Discuss. 2018. V. 209. P. 231.
  2. Chugunov A.O., Volynsky P.E., Krylov N.A., et al. Temperature-sensitive gating of TRPV1 channel as probed by atomistic simulations of its trans- and juxtamembrane domains // Sci. Rep. 2016. V. 6. 33112.
  3. Trofimov Y.A., Krylov N.A., Efremov R.G. Confined dynamics of water in transmembrane pore of TRPV1 ion channel // Int. J. Mol. Sci. 2019. V. 20. 4285.
  4. Zhang K., Julius D., Cheng Y. Structural snapshots of TRPV1 reveal mechanism of polymodal functionality // Cell. 2021. V. 20 (184). P. 5138.
  5. Benarroch E.E. TRP channels: Functions and involvement in neurologic disease // Neurology. 2008. V. 8 (70). P. 648.
  6. Birder L.A., Nakamura Y., Kiss S., et al. Altered urinary bladder function in mice lacking the vanilloid receptor TRPV1 // Nat. Neurosci. 2002. V. 9 (5). P. 856.
  7. Chuang H.H., Prescott E.D., Kong H., et al. Bradykinin and nerve growth factor release the capsaicin receptor from PtdIns(4,5)P2-mediated inhibition // Nature. 2001. V. 6840 (411). P. 957.
  8. Lubova K.I., Chugunov A.O., Volynsky P.E., et al. Probing temperature and capsaicin-induced activation of TRPV1 channel via computationally guided point mutations in its pore and TRP domains // Int. J. Biological Macromol. 2020. V. 158. P. 1175.
  9. Kasimova M., Yazici A., Yudin Y. et al. Ion channel sensing: are fluctuations the crux of the matter? // J. Phys. Chem. Lett. 2018. V. 9. P. 1260.
  10. Susankova K., Ettrich R., Vyklicky L., et al. Contribution of the putative inner-pore region to the gating of the transient receptor potential vanilloid subtype 1 channel (TRPV1) // J. Neurosci. 2007. V. 28 (27). P. 7578.
  11. Persson I. Hydrated metal ions in aqueous solution: How regular are their structures? // Pure Appl. Chem. 2010. V. 82 (10). P. 1901.
  12. Rao S., Klesse G., Stansfeld P.J., et al. A heuristic derived from analysis of the ion channel structural proteome permits the rapid identification of hydrophobic gates // PNAS. 2019. V. 28 (116). P. 13989.
  13. Beckstein O., Sansom M.S.P. A hydrophobic gate in an ion channel: The closed state of the nicotinic acetylcholine receptor // Physical Biology. 2006. V. 2 (3). P. 147.
  14. Yonkunas M., Kurnikova M. The hydrophobic effect contributes to the closed state of a simplified ion channel through a conserved hydrophobic patch at the pore-helix crossing // Front. Pharmacol. 2015. V. 6. P. 284.
  15. Hess B., Kutzner C., Spoel D.V.D. GROMACS 4: algorithms for highly efficient, load-balanced, and scalable molecular simulation // J. Chem. Theory and Computation. 2008. V. 3 (4). P. 435.
  16. Lindorff-Larsen K., Piana S., Palmo K., et al. Improved side-chain torsion potentials for the Amber ff99SB protein force field // Proteins: Structure, Function and Bioinformatics. 2010. V. 8 (78). P. 1950.
  17. Jorgensen W.L., Chandrasekhar J., Madura J.D., et al. Comparison of simple potential functions for simulating liquid water // J. Chem. Phys. 1983. V. 2 (79). P. 926.
  18. Joung I.S., Cheatham T.E. Determination of alkali and halide monovalent ion parameters for use in explicitly solvated biomolecular simulations // J. Phys. Chem. B. 2008. V. 30 (112). P. 9020.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (1MB)
3.

Download (1MB)
4.

Download (1007KB)

Copyright (c) 2023 Ю.А. Трофимов, А.С. Минаков, Н.А. Крылов, Р.Г. Ефремов

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».