Simulation of processes in cellular membranes

Abstract

Simulace of procesů v buněčných membránách Abstrakt Mnoho důležitých procesů v buňkách probíhá prostřednictvím iontů. Například fúze synaptických váčků s membránami nervových buněk je kontrolována dvojmocným kationtem Ca2+ , zatímco výměna Na+ a K+ řídí rychlý elek- trický přenos vzruchů neurony. Vyšetřili jsme modelové fosfolipidové membrány a jejich interakce s těmito biologicky relevantními ionty. S použitím molekulárně dynamických simulací jsme přesně určili jejich vzájemé afinity vůči neutrálním a negativně nabitým fosfolipidovým dvojvrstvám. K tomu bylo nutné vyvi- nout nové vylepšené modely fosfolipidů nazvané ECC-lipids, které obsahují polarizaci elektronů pomocí korekce na elektronové kontinuum implemento- vané přeškálováním nábojů. Naše simulace s tímto novým silovým polem poprvé dosahují kvantitativní shody s experimentálně zjištěným konceptem lipidového elektrometru pro POPC a i pro POPS se všemi studovanými ka- tionty. Kromě toho jsme také zkoumali vliv transmembránového napětí na fosfolipidové dvojvrstvy. Elektrické pole indukované napětím se vyskytuje výhradně v hydrofóbní části membrány, kde má téměř konstantní intenzitu. Toto pole ovlivňuje strukturu blízkých molekul...

Simulation of processes in cellular membranes Abstract Many important processes in cells involve ions, e.g., fusion of synaptic vesi- cles with neuronal cell membranes is controlled by a divalent cation Ca2+ ; and the exchange of Na+ and K+ drives the the fast electrical signal transmis- sion in neurons. We have investigated model phospholipid membranes and their interactions with these biologically relevant ions. Using state-of-the-art molecular dynamics simulations, we accurately quantified their respective affinites towards neutral and negatively charged phospholipid bilayers. In order to achieve that, we developed a new model of phospholipids termed ECC-lipids, which accounts for the electronic polarization via the electronic continuum correction implemented as charge rescaling. Our simulations with this new force field reach for the first time a quantitative agreement with the experimental lipid electrometer concept for POPC as well as for POPS with all the studied cations. We have also examined the effects of transmembrane voltage on phospholipid bilayers. The electric field induced by the voltage exists exclusively in the hydrophobic region of the membrane, where it has an almost constant strength. This field affects the structure of nearby water molecules highlighting its importance in electroporation. 1