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
Složení membrán
Endoplasmatic Endoplasmatické retikulum Reticulum 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
CYP
DS ?
CPR
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
Ibuprofen • volná MD simulace z různých výšek nad membránou Tisíce
Distribution of S-ibuprofen during 10 ns simulation in explicit DOPC/water environment
2
zan2 zan3
Relative density
zan4 zan5 zan6 zan7 zan8 zan9
1
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: P1/P2 = exp (∆G/kB.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 ?
CPR
P ? eS 9 9
Ibuprofen III
S=ibuprofen P=3-OH ibuprofen
2b
2b
S
10 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 – Kd • dynamika – Dz 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 …)
Limoges, France Patrick Trouillas (flavonoids as antioxidants) Pavla Košinová (flavonoids on membranes) Gabin Fabre (flavonoids on membranes)
Pavla Košinová (flavonoids on membranes)
MBM 2011
20
Děkuji Vám za pozornost
