Oddziaływania międzycząsteczkowe

Wzajemne oddziaływanie lipidów oraz oddziaływanie lipidów z cząsteczkami rozpuszczalnika jest szczególnie ciekawe w przypadku błon o wysokiej zawartości cholesterolu. Zgodnie z modelem Umbrella organizacji lipidów, w błonach takich oddziaływania między cząsteczkami fosfolipidów i cholesterolu powinny być liczne na granicy styku domen. Natomiast oddziaływania między cholesterolem a cząsteczkami polarnego rozpuszczalnika powinny być tam nieliczne. Analizie poddano: 1) tworzenie wiązań wodorowych (definicja w podrozdziale 2.3) między cząsteczkami lipidów, cholesterolu i POPC, a cząsteczkami wody, 2) wiązania wodorowe tworzone tworzone pomiędzy grupą hydroksylową cholesterolu a resztą kwasu fosforowego oraz 3) oddziaływania ładunkowe (definicja w podrozdziale 2.3) między grupą cholinową POPC a grupą hydroksylową

3.5. Dwuwarstwy domenowe 111

(a) PP OP C – O3Chol (b) NP OP C – O3Chol

(c) PP OP C – O3Chol (XY) (d) NP OP C – O3Chol (XY)

(e) PP OP C – O3Chol (XY) i NP OP C – O3Chol

(XY) POPC_POPC-Chol50 (f) PP OP C– O3Chol(XY) NP OP C – O3Chol(XY) CBD_POPC-Chol50

Rysunek 3.35:Rozkład radialny RDF atomów azotu N i fosforu P POPC względem atomu tlenu grupy hydroksylowej cholesterolu w dwuwarstwie CBD_POPC-Chol50 i POPC_POPC-Chol50. Na ilu-stracjach (a) i (b) przedstawione są krzywe RDF trójwymiarowe, z kolei na iluilu-stracjach (c) i (d) krzywe RDF w płaszczyźnie XY, na których kolorem szarym przedstawiono krzywą RDF dla POPC_POPC-Chol50, a czarnym CBD_POPC-Chol50. Na ilustracjach (e) i (f) przedstawiono krzywe RDF dwuwy-miarowe, osobno dla układu POPC_POPC-Chol50 i osobno CBD_POPC-Chol50. Na ilustracjach (e) i (f) kolorem czarnym przedstawiono krzywe NP OP C – O3Chol (XY), a szarym PP OP C – O3Chol

(XY)

112 3. Wyniki cholesterolu.

Model Umbrella organizacji cholesterolu w błonach fosfolipidowych zakłada taką organizację lipidów, w której głowy fosfolipidów nakrywają cząsteczki cholesterolu, a przez to minimalizu-ją kontakt z rozpuszczalnikiem. Dla każdej cząsteczki lipidu wyznaczono średnią liczbę wiązań wodorowych tworzonych z cząsteczkami wody w czasie 20 ns symulacji (200-220 ns). Otrzyma-ny wynik został zwizualizowaOtrzyma-ny na rysunku 3.36a i 3.36d. Przedstawiono na nich powierzchnię górnego i dolnego listka dwuwarstwy CinP w 200 ns symulacji, które podzielono na komórki wielościenne w oparciu o tesselację Woronoja. Kolorem brązowo-pomarańczowym oraz zielonym wyróżniono komórki Woronoja odpowiadające cząsteczkom cholesterolu i POPC. Nasycenie bar-wy dla tych komórek odpowiada średniej liczbie tworzonych wiązań wodorobar-wych z cząsteczkami rozpuszczalnika.

Obserwując intensywność koloru brązowego komórek Woronoja na ilustracjach 3.36a i 3.36d można zauważyć, że większość cząsteczek poza domeną cholesterolową w centrum błony tworzy średnio mniej wiązań wodorowych. Jednakże możliwe jest znalezienie cząsteczek, które pomimo bliskiego sąsiedztwa POPC tworzą średnio ponad 2 wiązania wodorowe. Cząsteczki POPC o stosunkowo dużych głowach polarnych mogą konkurować z cząsteczkami cholesterolu w kontakcie z rozpuszczalnikiem, lecz mimo to cząsteczki cholesterolu w obrębie domeny PCD tworzą liczne wiązania wodorowe z rozpuszczalnikiem. Przedstawione mapy pokazują, że cząsteczki POPC mogą tworzyć średnio prawie 9 wiązań wodorowych z cząsteczkami wody, co jest niezależne od obecności cholesterolu w sąsiedztwie. Najwyższe średnie obserwowane wartości dla cholesterolu osiągają wartość prawie 2,5 wiązania wodorowego.

Na kolejnych dwóch ilustracjach 3.36b i 3.36e intensywność barw komórek Woronoja od-zwierciedla średnią liczbę wiązań wodorowych tworzoną między cząsteczkami lipidów innego typu. W przypadku POPC wartości uśrednione sięgają maksymalnie 1,5 wiązania wodorowego z cząsteczkami cholesterolu. Z kolei dla cząsteczek cholesterolu wartość ta wynosi maksymalnie około 0,9 wiązania wodorowego z cząsteczkami POPC. Porównując mapy 3.36b i 3.36e z dwoma poprzednimi, łatwo jest zauważyć, że jeżeli dana cząsteczka lipidu tworzy średnio stosunkowo dużo wiązań wodorowych z innymi lipidami to jednocześnie tworzy stosunkowo mniej wiązań wo-dorowych z cząsteczkami wody. Ważnym spostrzeżeniem jest brak tworzenia się większej liczby wiązań wodorowych między POPC i cholesterolem na granicy domen. Jest to wynik potwierdza-jący spostrzeżenia poprzedniego paragrafu, że cząsteczki POPC nie tworzą parasola ochronnego dla cholesterolu.

Ostatnie dwie ilustracje 3.36c i 3.36f przedstawiają średnią liczbę wiązań polarnych między grupą cholinową POPC i grupą hydroksylową cholesterolu. Dla cząsteczek POPC średnia liczba wiązań ładunkowych z cząsteczkami cholesterolu osiąga maksymalnie wartość 2,5. Cząsteczki cholesterolu tworzą średnio do 1,5 par ładunkowych.

3.5. Dwuwarstwy domenowe 113

(a) Wiązania wodorowe lipid –

woda w górnym listku CinP (b) Wiązania wodorowe lipid –

li-pid w górnym listku CinP (c) Pary ładunkowe lipid – lipid w górnym listku CinP

(d) Wiązania wodorowe lipid –

woda w dolnym listku CinP (e) Wiązania wodorowe lipid –

li-pid w dolnym listku CinP (f) Pary ładunkowe lipid – lipid w dolnym listku CinP

Rysunek 3.36:Średnia liczba oddziaływań międzycząsteczkowych w dwóch listkach błony CinP w cza-sie 20 ns symulacji. Powierzchnia listków została podzielona w oparciu o tesselację Woronoja, a komórki wielościenne zostały pokolorowane w zależności od lipidu na zielono (POPC) lub pomarańczowo-brązowo (cholesterol). Intensywność barwy odpowiada wartości uśrednionej dla danego parametru. Na ilustracjach (a) i (d) przedstawiono średnią liczbę wiązań wodorowych tworzonych między cząsteczkami lipidu a czą-steczkami wody. Na (b) i (e) średnią liczbę wiązań wodorowych między czączą-steczkami POPC i cholestero-lu. Natomiast na ilustracjach (c) i (f) średnią liczbę oddziaływań ładunkowych między grupą cholinową POPC a hydroksylową cholesterolu. Szary prostokąt w tle wyznacza obszar pudełka symulacyjnego.

114 3. Wyniki

3.5.7 Dyskusja wyników

Celem powyższej części pracy było zbadanie układów domenowych, gdzie domena PCD graniczy z domeną czysto fosfolipidową lub domeną CBD. Dzięki wykorzystaniu układów sy-mulacyjnych o różnej budowie możliwe było uzyskanie szeregu interesujących obserwacji, ujętych w podrozdziale 3.5.

Układy symulacyjne POPC_POPC-Chol50 i CBD_POPC-Chol50 zostały wykorzy-stane do weryfikacji opisu modelu Umbrella, mieszczącego się w podrozdziale 1.9. Wbrew po-wszechnej i atrakcyjnej opinii o powstawaniu w błonach parasola ochronnego nad cząstecz-kami cholesterolu, chroniącego go przed kontaktem z wodą, taki efekt nie został zaobserwo-wany. Pomiar kąta nachylenia θP N (paragraf. 3.5.5), w układach POPC_POPC-Chol50 i CBD_POPC-Chol50 oraz POPC i POPC-Chol50, pokazał brak różnicy w jego wartości dla cząsteczek POPC w obrębie domeny fosfolipidowej i domeny fosfolipidowej nasyconej chole-sterolem. Przedstawione krzywe rozkładu radialnego RDF dla wybranych par atomów (rys. 3.35) pokazują, że wzajemny wpływ organizujący POPC i cholesterolu ograniczony jest do cząsteczek mieszczących się w pierwszym pierścieniu otaczających lipidów w układach POPC_POPC-Chol50 i CBD_POPC-Chol50.

Dla układu CinP przeanalizowano oddziaływania między cząsteczkami lipidów i rozpusz-czalnika w obrębie domen PCD i CBD oraz na ich styku (paragraf 3.5.6). Liczba tworzonych wiązań wodorowych między cholesterolem a cząsteczkami wody zależy od obecności POPC, gdyż cholesterol może tworzyć z POPC wiązania wodorowe oraz pary ładunkowe. Jednakże, pomimo istniejącej konkurencji ze strony POPC, nawet w obrębie domeny PCD możliwe jest zaobser-wowanie licznych cząsteczek cholesterolu tworzących średnio ponad 2 wiązania wodorowe.

Układ symulacyjny 4CinP, w którym zawartość cholesterolu wynosi 60% molowych, wydaje się być ciekawym obiektem badań. W układzie tym początkowa struktura domenowa uległa zanikowi, a zamiast niej powstała struktura, w której cholesterol i POPC tworzą pasma. Ta obserwacja jest zgodna z wynikami eksperymentalnymi, na podstawie których można sądzić, że domeny CBD są niewielkich rozmiarów lub alternatywnie, że stosunek krawędzi styku z otaczającą domeną PCD do powierzchni jest wysoki (Mainali i inni, 2013).

3.6 Zastosowanie metody Umbrella Sampling do ba-dania procesu dyfuzji tlenu cząsteczkowego przez dwuwarstwy

Przedmiotem badań poniższego podrozdziału są układy symulacyjne dwuwarstw lipidowych uPOPC+O₂, uPOPC-Chol50+O2 i uChol2+O2, które zawierają uwodnioną dwuwarstwę lipidową oraz pojedynczą cząsteczkę tlenu. W celu zbadania procesu dyfuzji tlenu cząsteczkowe-go zastosowano metodę Umbrella Sampling, opisaną w paragrafie 2.1.4, która w porównaniu

3.6. Badanie procesu dyfuzji tlenu cząsteczkowego przez dwuwarstwy 115