Calcium ion binding study in human Cx46 connexon

Los iones de calcio extracelular (Ca²⁺) son un regulador crítico de los canales de conexina desacoplados (connexones) humanos; sin embargo, los mecanismos moleculares precisos que gobiernan esta interacción aún no se comprenden a cabalidad. En esta tesis, se investigan las dinámicas de unión de Ca²⁺ y la modulación funcional del conexón de Conexina 46 humana (C-hCx46) utilizando extensas simulaciones de dinámica molecular (MD). A partir de una estructura molde ovina de alta resolución, se construyó un modelo 3D totalmente atomístico de C-hCx46. Nuestras simulaciones revelan un modo de interacción de Ca²⁺ novedoso y altamente dinámico, caracterizado por una región de confinamiento toroidal delimitada por residuos cargados negativamente y dispuestos simétricamente (E42, D43, D47 y E48). A diferencia de C-hCx26 —que emplea una trampa electrostática rígida debido en gran parte a la sustitución E42K—, C-hCx46 acomoda múltiples iones de Ca²⁺ que transitan libremente entre subzonas. Los análisis termodinámicos y estructurales, que incluyen el uso de modelos de iones multi-sitio (CAL y CAM) y “sistemas de juguete” (toy systems) reducidos, demuestran que esta carga dinámica depende sinérgicamente tanto de la simetría de carga local como de la arquitectura estéricamente restringida del poro intacto. Este volumen de unión expandido proporciona una significativa ganancia entrópica, aumentando enormemente los microestados accesibles y explicando la mayor capacidad de carga y afinidad de C-hCx46. Funcionalmente, la unión de Ca²⁺ no ocluye completamente el canal, sino que actúa como un modulador cinético. Disminuye parcialmente la permeación de K⁺ (hasta un 42%) mediante el apantallamiento electrostático del potencial negativo nativo del poro, e induce una profunda reducción de más de dos veces en la permeabilidad del agua (aproximadamente un 57% de caída). Esta severa restricción en el flujo hídrico no se debe simplemente a un menor co-transporte iónico, sino que es impulsada por un mecanismo sinérgico: la alta energía libre electrostática de solvatación de Born del Ca²⁺ estructura fuertemente el agua para formar un “tapón de hidratación”, mientras que el rápido movimiento transversal de estos iones dentro de la zona de confinamiento crea una barrera cinética mediante un efecto de “barrido dinámico” que interrumpe continuamente las redes de puentes de hidrógeno del agua. En última instancia, este trabajo establece un nuevo paradigma para la regulación por cationes divalentes en conexones —pasando de sitios de unión rígidos a un confinamiento dinámico impulsado por entropía— y proporciona un marco biofísico integral para continuar explorando la plasticidad estructural y la selectividad de la familia de las conexinas humanas.