Aplicación de la técnica de dinámica molecular al estudio de diferentes sistemas químicos supramoleculares

Tesis doctoral de Sara Dinisa Oliveira Costa

This thesis is devoted to the study of different supramolecular systems using the molecular dynamics simulation technique. In chapter ii, we present the basis of molecular dynamics and its limitations in supramolecular system simulations. The physicochemical study of various systems usually relies on the measurement of their properties in relation to different experimental techniques. However, the experimental techniques used present limitations; i.E., Some techniques do not provide direct information on the properties studied, while other techniques disturb the conditions of the systems during the measurements. In this sense, nowadays, thanks to the development of more sophisticated computers and new algorithms more and more efficients, molecular dynamics (md) emerges as a powerful tool in the study of increasingly complex systems. In those conditions, the simulation techniques are the appropriate method to study certain systems at atomic level and provide reliable predictions [1]. Md simulation is a technique used for computing the equilibrium and dynamic properties of a classical system given that the dynamic of all particles obeys the laws of classical mechanics. This technique is a reliable method to understand and analyse the microscopic factors responsible for the macroscopic behaviour of a particular system [2]. In this chapter we also introduce a summary of the molecular dynamics algorithm and perform a brief description of the properties studied throughout thiswork. in chapter iii, we pay close attention to the molecular mechanism of action of an anesthetic molecule on lipid bilayers. In the first section we briefly introduce anesthesia, its physiological effects and its proposed mechanism of action. The existence of molecules with anesthetic activity is known for over a century, which have been widely used in surgery due to its physiological reactions, such as reversible loss of consciousness, muscle relaxation, amnesia and pain relief. Although, the molecular mechanism by which those molecules act is not still fully known [3-8]. In this sense, there exist two different molecular theories that have been proposed: 1. Anesthetic molecules disrupt the cell membrane structure and consequently alter specific properties [9-12], which leads to the physiological effects of anesthesia. In particular, it has been proposed a physical mechanism by which a variation in the pressure profile across the membrane blocks ion transport through sodium channel [13, 14], due to a structural disturbance of the pore that forms the ion channel. This mechanism has been widely proposed on the grounds of the direct correlation between the solubility of the anesthetic molecules in hydrocarbon solvent and its pharmacological activity (meyer-overton law) [15-18]. 2. The anesthetic molecules have a direct bearing on the function of specific proteins that form the ion channels, closing the flux of ions through the cell membrane and blocking the electrical impulses in the nervous system [19]. in the second section of chapter ill we describe the structure of the biological membrane and we analyse the fluid mosaic model [20] for the distribution of the phospholipids in a bilayer. In nature, biological membranes are an assembly of a diverse set of molecules such as lipids, sterols and proteins [21]. Focusing on the phospholipids that form the backbone of a lipid bilayer, they can be of different nature, charge and symmetrically or asymmetrically distributed between two layers of the lipid bilayer. For example, the inner layer of the erythrocytes (red blood cells) membrane is fundamentally constituted by phosphatidylserine (ps) with a minor amount of phosphatidylcholine (pc) and sphingomyelin, while only pc and sphingomyelin are present in the outermost layer [22-25]. Phospholipids forming lipid bilayers are molecules with a clear amphiphilic character (with hydrophobic and hydrophilic nature in the same molecule) that form flat structures. The hydrophilic part of lipids is in contact with the aqueous medium while the hydrophobic part is located within the bilayer [21, 26]. in a subsequent section of this chapter we describe the md simulations conditions and the proposed molecular models. In this study, the lipid bilayers were modeled using different amounts of dipalmitoylphosphatidylcholine (dppc) as a neutral lipid and dipalmitoylphosphatidylserine (dpps-) as a negatively charged lipid in physiological conditions and benzocaine as the anesthetic. Benzocaine is a local anesthetic widely used in topical treatments since it presents a low water solubility [27,28] and a low pka, i.E., It is always present in its neutral form under physiological conditions [29]. In this sense, this study focus on determine the static and dynamic properties of benzocaine located within the bilayers and understand its effect on the structure of the bilayer, for symmetrical and asymmetrical bilayer models, given that the lipid composition has been related with the pharmacological activity of benzocaine. in chapter iv we focus on the study of the electroactive (conductive) polymers/solution interface, as a function of the oxidation state of the polymer. After a brief introduction on conducting polymers and specific on polypyrrole (ppy), we describe the molecular models employed, the configuration of the system and the simulation parameters. The systems were modeled representing two different states of oxidation (a reduced state with neutral charge and an oxidized state with a positive charge) so as to determine the static and dynamic properties of the components of the systems, such as ions (perchlorate and lithium), the solvent (acetonitrile) and the polymer (polypyrrole). In the final section of the chapter iv, we present the results for the reduced and the oxidized polypyrrole in an 0.1 n lithium perchlorate solution in acetonitrile, where we focus on the study of different properties of all components in the system so as to examine how the oxidation state of the polypyrrole affects those properties at the interface. To characterize the polymer/solution interface we determine – among other properties – the atomic density and the charge distribution of the different components, as well as the variation in dynamic properties of ions and solvent (properties such as translational diffusion coefficient and solvation number). We also determine the spontaneity of the penetration process of the solvent molecules inside the polymer (as a function of its oxidation state) through thermodynamic calculations. in chapter v, we analyse different molecular models of the umami taste receptor. In the first sections of this chapter we briefly introduce the history of the umami taste and we shortly describe its taste receptor. In the early twentieth century, it was identified a fifth taste that did not resemble any of the familiar flavours (salty, sweet, sour and bitter), called the umami taste or protein taste, which is easily identified in oriental cuisine. The umami taste has been linked with the monosodium glutamate (msg) [30] which can be produced from the fermentation of sugars by microorganisms. The umami taste receptor is a class c g protein coupled receptor (gpcr [30]), which responds to l-glutamate in humans diet [31, 32]. The receptor is a heterodimer composed of the t1 r1 and ti r3 members of the t1 r family. next, we present the results obtained on the study of the umami receptor conformation, being the main objective in this chapter to determine the active center of monosodium glutamate receptor responsible for the umami taste. The recent identification of the proteins that form the t1 r1 and t1 r3 receptors [33] make possible this study. Once known the crystallographic structures of the proteins that are the backbone of the receptor, we characterize the umami taste receptor by calculating the free energy of glutamate binding to the receptor. in chapter vi, vii and viii, we draw the main conclusions of this thesis, present some additional information as appendix and we comprise a list of the literature references used to conduct this research. esta memoria se centra en el estudio de distintos sistemas supramoleculares, mediante la técnica de simulación de dinámica molecular. Tras éste primer capí­tulo introductorio, en el capí­tulo ii, presentaremos los fundamentos de la dinámica molecular, sus limitaciones en aplicaciones a sistemas supramoleculares y las aproximaciones inherentes a la técnica. Así­, el estudio fisicoquí­mico de numerosos sistemas se basa en el empleo de diferentes técnicas experimentales, con la limitación de que muchas de las técnicas disponibles no proporcionan una información directa de la propiedad en estudio o que la propia técnica perturba las condiciones del sistema durante la medida. En este sentido, considerando la gran potencia de cálculo de los procesadores actuales y el desarrollo de algoritmos cada vez más eficientes,la dinámica molecular se ha convertido en una herramienta útil para el estudio de sistemas complejos, imponiéndose como un método adecuado en el estudio de determinados sistemas a escala microscópica que proporciona predicciones fiables [1]. Las simulaciones de dinámica molecular son una técnica computacional utilizada en el estudio de propiedades dinámicas y de equilibrio de sistemas clásicos, dado que la dinámica de sus partí­culas viene descrita en base a las leyes de la mecánica clásica. Por tanto, la citada técnica es una herramienta eficaz para la comprensión y el análisis de los factores microscópicos que regulan el comportamiento macroscópico de determinado sistema [2]. En dicho capí­tulo, también haremos un resumen del algoritmo de dinámica molecular y una breve descripción de las propiedades estudiadas a lo largo de esta memoria. en el capí­tulo iii nos detendremos en el estudio del mecanismo molecular de actuación de moléculas anestésicas sobre bicapas lipí­dicas. Para ello, en una primera sección nos centraremos en describir la anestesia, sus efectos fisiológicos y los mecanismos de acción propuestos por distintos autores. Desde hace más de un siglo, es conocida la existencia de moléculas con actividad anestésica, las cuales han sido ampliamente utilizadas en cirugí­a debido a las reacciones fisiológicas que producen, tales como pérdida de conciencia, relajación muscular, amnesia y alivio de dolor. Sin embargo, y hasta la actualidad, sigue siendo de debate el mecanismo molecular a través del cual actúan dichas moléculas [3-8]. En este sentido, dos mecanismos diferentes de actuación han sido propuestos: 1. Las moléculas anestésicas perturban la estructura de la membrana celular y por consiguiente, algunas de sus propiedades se ven afectadas [9-12], lo que lleva a los efectos fisiológicos de la anestesia. En concreto, varios autores [13,14] han propuesto un mecanismo fí­sico mediante el cual la perturbación del perfil de presión lateral a través de la membrana celular bloquea el transporte fónico a través del canal de sodio, como consecuencia de la variación que sufre la estructura del poro que forma el canal iónico. Este mecanismo se fundamenta en la relación existente entre la solubilidad de las moléculas anestésicas en disolventes hidrocarbonados y su actividad farmacológica (ley de meyer-overton) [15-18]. 2. Las moléculas anestésicas interactúan directamente con las proteí­nas que forman los canales iónicos responsables de los impulsos nerviosos, cerrando el paso a los iones a través de la membrana celular y, consecuentemente, bloqueando los impulsos nerviosos [19]. en este capí­tulo comenzaremos con una descripción de la estructura de una membrana celular basándonos en el modelo de mosaico fluido [20]. Así­, las membranas celulares son un conjunto complejo de distintas especies, tales como proteí­nas, lí­pidos y esteroles [21]. Centrándonos en los lí­pidos que forman la estructura de una bicapa lipí­dica, éstos pueden ser de diferente naturaleza y carga, además de poder estar distribuidos simétrica o asimétricamente entre los dos lados de la bicapa lipí­dica. Por ejemplo, en los eritrocitos (glóbulos rojos), el lado interno de su membrana celular (citoplasmático) está mayoritariamente constituido por fosfatidilserina (ps), además de fosfatidilcolina (pc) y esfingomielina en menor cantidad, frente a su lado externo que está constituido por pc y esfingomielina [22¬25]. Las bicapas lipí­dicas que proporcionan soporte a la membrana celular están formadas por fosfolí­pidos que presentan un claro carácter anfifí­lico (con naturaleza hidrofóbica e hidrofí­lica en la misma molécula), estando su parte hidrofí­lica en contacto directo con el medio acuoso y su parte hidrofóbica en el interior de la bicapa [21, 26]. en una sección posterior de este capí­tulo describiremos las condiciones de simulación y los modelos moleculares propuestos. Así­, las bicapas lipí­dicas fueron modeladas mediante el uso de dipalmitoilfosfatidilcolina (dppc) como lí­pido neutro y dipalmitoilfosfatidilserina (dpps-) como lí­pido con carga negativa en condiciones fisiológicas, y la benzocaí­na como molécula anestésica. La benzocaí­na es una anestesia local muy utilizada en numerosas aplicaciones tópicas, de baja solubilidad en disolución acuosa [27, 28] y bajo pka y por tanto, tan sólo se encuentra en su forma neutra en condiciones fisiológicas [29]. En este sentido, centraremos este estudio en conocer las propiedades dinámicas y estáticas de la benzocaí­na, cuando ésta se encuentra dentro de una bicapa lipí­dica, y determinar la perturbación en la estructura de la bicapa asociada a su presencia, tanto para un modelo de bicapa simétrica como para uno de bicapa asimétrica, dado que la composición lipí­dica de la membrana ha sido relacionada con la actividad farmacológica de la benzocaí­na. en el capí­tulo iv nos centraremos en el estudio de la interfase polí­mero disolución de polí­meros electroactivos (conductores), en función del estado de oxidación del polí­mero. Así­, tras una breve introducción de los polí­meros conductores, en especial del polipirrol (ppy), pasamos a describir los modelos moleculares utilizados, la configuración del sistema en su conjunto y sus parámetros de simulación. Los sistemas se modelaron de forma que representaran dos estados diferentes de oxidación del polí­mero (un estado reducido, con carga neutra y uno oxidado, con carga positiva) y se determinaron las propiedades estáticas y dinámicas de los componentes que constituyen el sistema: los iones (perclorato y litio), el disolvente (acetonitrilo) y el polí­mero (polipirrol). En la última sección de este capí­tulo presentaremos los resultados correspondientes a una disolución de 0.1 n de perclorato de litio en acetonitrilo, donde nos centramos en el estudio de distintas de propiedades dinámicas y en equilibrio de los diferentes componentes del sistema, y de esta forma, podemos correlacionar el estado de oxidación del polí­mero con las propiedades de la interfase. Entre otras propiedades, estudiaremos la interfase polí­mero/disolución mediante la determinación de la densidad atómica y la distribución de carga de las especies del sistema, así­ como a través del cálculo de la variación de las propiedades dinámicas de los iones y el disolvente, tales como coeficiente de difusión translacional y número de solvatación. Además, determinaremos la espontaneidad del proceso de inserción de las moléculas de disolvente en el interior del polí­mero (en función del estado de oxidación de éste) a partir de cálculos termodinámicos. en el capí­tulo v, haremos un análisis de diferentes modelos moleculares del receptor del sabor umami. En una primera sección, haremos una pequeña introducción a la historia del sabor umami y una breve descripción de los receptores del sabor. Así­, a principios del siglo xx, fue identificado un quinto sabor que no podí­a identificarse con ninguno de los sabores conocidos hasta entonces (salado, dulce, agrio y amargo), denominado umami o sabor proteico, el cual es fácilmente identificable en la cocina oriental. El sabor umami ha sido relacionado de forma natural con el glutamato monosódico [30], el cual puede ser producido a partir de la fermentación de azúcares mediante microorganismos. El receptor del sabor umami es una proteí­na acoplada perteneciente a la clase cg (gpcr [30]), que responde a compuestos como el l-glutamato en seres humanos. Este receptor es un heterodí­mero formado por las subunidades t1 r1 y t1 r3 de la familia de los receptores ti r. en una sección posterior presentaremos los resultados obtenidos acerca de la conformación del modelo del receptor umami, siendo el objetivo principal de este capí­tulo el tratar de determinar el centro activo del receptor del glutamato monosódico responsable del sabor umami. Este estudio es posible gracias a la reciente identificación de las proteí­nas que forman el receptor, la t1 r1 y la t1 r3 [33]. Una vez conocidas la estructura cristalográfica de las proteí­nas que forman el receptor, procederemos a determinar la variación de energí­a libre asociada al acoplamiento del glutamato al receptor, caracterizando así­ el centro activo del receptor del sabor umami. en los capí­tulos vi, vii y viii, presentaremos las conclusiones más relevantes de la presente memoria, así­ como alguna información adicional en forma de apéndice y la bibliografí­a citada. http://repositorio.Bib.Upct.Es/dspace/

Datos académicos de la tesis doctoral «Aplicación de la técnica de dinámica molecular al estudio de diferentes sistemas químicos supramoleculares«

• Título de la tesis:  Aplicación de la técnica de dinámica molecular al estudio de diferentes sistemas químicos supramoleculares
• Autor:  Sara Dinisa Oliveira Costa
• Universidad:  Politécnica de cartagena
• Fecha de lectura de la tesis:  02/12/2010

Dirección y tribunal

• Director de la tesis
  • José Javier Lopez Cascales
• Tribunal
  • Presidente del tribunal: jose Garcia de la torre
  • José María Obon de castro (vocal)
  • artur José Monteiro valente (vocal)
  • Luis Camacho delgado (vocal)