Interakce látek s membránami z pohledu výpočetní chemie Karel Berka Regionální centrum pro pokročilé technologie a materiály a Katedra fyzikální chemie, Přírodovědecká fakulta, Univerzita Palackého, Olomouc, ČR
Buněčná membrána Singer, S. J.; Nicolson, G. L., The fluid mosaic model of the structure of cell membranes. Science 1972, 175, 720-31. 2
Endoplasmatic Reticulum Endoplasmatické retikulum Složení membrán Plasma Phosphatidylcholine Phosphatidylethanolamine Glycolipids Others Phosphatidylserine Sphingomyelin Cholesterol Meer G., Voelker DR., Feigenson GW. Nat Rev Mol Cell Biol. 2008; 9(2): 112 124. 3
Motivace Kde se na membráně vyskytují substráty, které zpracovávají cytochromy P450 Cytochrome P450 2C9 + ibuprofen CPR CYP?? DS P e - substrát ibuprofen product 3-hydroxy ibuprofen S 4 4
Model membrány ER ev. plasmatická membrána Většinu tvoří fosfatidylcholiny (PC) Vacha et al. J Phys Chem A 2009 DOPC 5 5
Relative density Tisíce Ibuprofen volná MD simulace z různých výšek nad membránou Distribution of S-ibuprofen during 10 ns simulation in explicit DOPC/water environment 2 1 zan2 zan3 zan4 zan5 zan6 zan7 zan8 zan9 DOPC_AVG starts 0-4.00-3.00-2.00-1.00 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 distance from the centre of membrane [nm] volná simulace nebyla dostatečně informativní, ibuprofen je asi nejspíše v membráně 6
Profil volné energie 1. Příprava systému 2. Vytvoření startovních struktur volná simulace cílená simulace 3. Umbrella sampling 4. Weighted-Histograms Analysis (WHAM) Z rozdílů populací se dá spočítat volná energie: P 1 /P 2 = exp ( G/k B.T) 7
PMF detaily Umbrella sampling Gromacs 4.0, 1 Å od sebe, 45 oken, 10 ns každé ~30.000 UA ~500 ns celkem časová náročnost: 260 CPUs 7 dní 8
Ibuprofen II S=ibuprofen P=3-OH ibuprofen PS CYP DS PR?? P e - S 9 9
Ibuprofen III S=ibuprofen P=3-OH ibuprofen 10 2b 2b S 10
Souhrn I - CYP pozice minim volné energie pro ibuprofen a pro jeho produkt odpovídají pozicím kanálů v CYP2C9 (CYP luxuje membránu) Berka, Hendrychová, Anzenbacher, Otyepka, J Phys Chem A, ASAP. 11
Permeace přes membránu Aktivní průnik specifické receptory Pasivní průnik fyzikálně-chemicky energetika K d dynamika D z difuzní koeficient Permeabilitní koeficient Bemporad, D. & Essex, J. Permeation of small molecules through a lipid bilayer: a computer simulation study. J. Phys. Chem. B 108, 4875-4884(2004).
Závislost permeace difuzní profil v membráně je díky její anisotropii těžké získat termodynamika je důležitější Orsi, 2010 Adson, 1995 Caco-2 Avdeef, 2005 PAMPA + Caco-2 Orsi, M. & Essex, J.W. Permeability of drugs and hormones through a lipid bilayer: insights from dual-resolution molecular dynamics. Soft Matter 6, 3797(2010).
Průběh pasivního průniku Coumarin volná MD prochází hlavně minimy volné energie rychlé skoky mezi minimy (~100ps) 14
Ibuprofen IV Mechanismus 1. nabitý ibuprofen přidifunduje z roztoku 2. zanoří v blízkosti nabitých skupin na okraji membrány 3. vybije se 4. nenabitý ibuprofen může proniknout na druhou stranu 5. znovu se může nabít uncharged charged Boggara, M.B. & Krishnamoorti, R.. Biophys. J. 98, 586-95(2010). 15
Souhrn II - permeace Pasivní permeace záleží na profilu volné energie ΔG by měla být co nejmenší, aby látka dobře pronikala (coumarin) hluboké ΔG minimum v membráně látka se dobře ukládá v membráně (ibuprofen) polární a nabité molekuly mívají maxima uprostřed membrány a nerady přes něj přecházejí v centru membrány je oblast snížené hustoty, která často slouží jako sekundární minimum nabité molekuly jsou hydratované a jejich pasivní permeace je spojená s největší bariérou 16
Možnosti interakce látek s membránou adheze na membránu interkalace do membrány narušení membrány hydrofilní NP hydrofobní NP Li, Y. Chen, X.; Gu, N. JPC B. 2008, 112, 16647-53. 17
Interakce CNT s membránami Höfinger, S. Melle-Franco, M. Gallo, T. Cantelli, A. Calvaresi, M. Gomes, J. a N. F.; Zerbetto, F. Biomaterials. 2011, 32, 7079-85. 18
Závěry Molekulárně dynamické simulace umožňují vhled do interakcí látek s na atomární úrovni při studiu: hledání ideálních pozic na membránách pasivního průniku látek přes membránu 19
Poděkování Olomouc, CZ Michal Otyepka (project) Markéta Paloncýová (ligands on membrane) Tereza Hendrychová (CYP) Pavel Anzenbacher (HP, Raman ) Pavla Košinová (flavonoids on membranes) Limoges, France Patrick Trouillas (flavonoids as antioxidants) Pavla Košinová (flavonoids on membranes) Gabin Fabre (flavonoids on membranes) MBM 2011 20
Děkuji Vám za pozornost