Ion binding landscapes and molecular dynamics of phospholipid membranes

Abstract

This thesis aims at studying the physical-chemical properties of model lipid bilayers in physiological environments. Since in such conditions biological membranes composed of phospholipids and cholesterol are surrounded by electrolyte solutions, understanding the interactions of phospholipids with cholesterol, lipid bilayers with surrounding ions, and lipid bilayers with interfacial water are of great fundamental importance. Moreover, phospholipids are classified into saturated ones and unsaturated ones according to the tail saturation. Therefore, considering the tail saturation is another important issue when studying lipid bilayers. The lipids involved in this thesis include the saturated phospholipids di-myristoil-phosphatidyl-choline (DMPC) and di-palmytoil-phosphatidyl-choline (DPPC), the unsaturated phospholipid palmytoiloleoil-phosphatidyl-coline (POPC) and cholesterol. Classical molecular dynamics simulations and well-tempered metadynamics simulations have been applied in this thesis. By applying well-tempered metadynamics simulations, we have performed systematic free energy calculations of Na+, K+, Ca2+, and Mg2+ bound to DMPC phospholipid membrane surfaces for the first time. Free energy landscapes unveil specific binding behaviors of metal cations at phospholipid membranes. This work provides a general methodology to explore the free energy landscapes for ions at complex biological interfaces which can be extended to study other interactions of interest between ions and charged headgroups in colloidal chemistry and biology. We further applied this methodology to cholesterol-containing membranes by means of systematic free energy calculations of Na+ bound to DMPC phospholipid membranes of several cholesterol concentrations. The resulting free energy landscapes further validate our methodology at membrane interfaces with higher complexity and unveil the cholesterol effects on Na+ binding at phospholipid membranes. We also studied the microscopic structure and dynamics of water and lipids in a DMPC phospholipid membrane in the liquid-crystalline phase by classical molecular dynamics simulations. Structural properties such as density and pressure profiles, a deuterium-order parameter, surface tension, and the extent of water penetration in the membrane have been analyzed. Molecular self-diffusion, reorientational motions and spectral densities of atomic species reveal a variety of time scales playing a role in membrane dynamics. The physical meaning of all spectral features from lipid atomic sites is analyzed and correlated with experimental data. We have performed microsecond molecular dynamics simulations on the ternary mixtures of DPPC/POPC/cholesterol to systematically examined lipid-lipid and lipid-cholesterol interactions in the liquid-ordered and the liquid-disordered phases. The results show that the interactions of lipid-lipid and lipid-cholesterol are nontrivial properties depending on the lipid saturation and also on the mixture phase. The results are consistent with the push-pull forces derived from experiments and give systematical descriptions of the mutual interactions between various like or unlike species in different phases.

Aquesta tesi té com a objectiu l'estudi de les propietats fisicoquímiques de les bicapes lipídiques en ambients fisiològics. Atès que en tals entorns les membranes biològiques compostes de fosfolípids i colesterol estan envoltades de solucions d'electròlits, la comprensió de les interaccions dels fosfolípids amb el colesterol i amb els ions circumdants, així com amb l’aigua interficial són d’una gran importància fonamental. D'altra banda, els fosfolípids es classifiquen en saturats i insaturats, d'acord amb la saturació de les seves cues. En conseqüència, tenir en compte la saturació de la cua és un altre factor important en l'estudi de les bicapes lipídiques. Els lípids que s'han estudiat en aquesta tesi són: la di-miristoil-fosfatidil-colina (DMPC) i di-palmitoil-fosfatidil-colina (DPPC), ambdós fosfolípids de tipus saturat, la palmitoiloleoil-fosfatidil-colina (POPC, fosfolípid insaturat), així com també el colesterol. Les tècniques bàsiques de treball que s'han aplicat en aquesta tesi han estat les simulacions clàssiques de dinàmica molecular i de metadinàmica ben temperada. Mitjançant l'aplicació de simulacions de metadinàmica ben temperada, hem realitzat el càlcul de l'energia lliure d’adsorció de Na+, K+, Ca2+ i Mg2+ a les superfícies de les membranes de fosfolípids DMPC per primera vegada. Les hipersuperfícies d'energia lliure revelen comportaments d'unió específics dels cations metàl·lics en les membranes de fosfolípids. Aquest treball proporciona una metodologia general per explorar els paisatges de l'energia lliure de ions de rellevància aplicada en interfases biològiques complexes, que poden ser estesos a estudiar altres interaccions d'interès entre els ions i els grups situats als caps dels lípids carregats. També s'ha aplicat aquesta metodologia a les membranes que contenen colesterol i, com a cas d’exemple, s'han realitzat càlculs d'energia lliure sistemàtics pel sodi unit a membranes de fosfolípids DMPC, a diverses concentracions de colesterol. Els paisatges d'energia lliure resultants validen encara més la nostra metodologia en les interfícies de membranes amb una major complexitat i donen a conèixer els efectes del colesterol sobre l’adsorció del Na+ en les membranes de fosfolípids. S'han analitzat també amb detall l'estructura i la dinàmica microscòpica de l'aigua i els lípids en una membrana DMPC en fase líquida-cristal·lina, mitjançant simulacions clàssiques de dinàmica molecular. S'han obtingut propietats estructurals com ara els perfils de densitat i de pressió, s'ha avaluat un paràmetre d’ordre per establir la fase de la membrana, i s'han calculat la tensió superficial i el grau de penetració de l' aigua a la membrana. La difusió molecular, els moviments reorientacionals i les densitats espectrals d'espècies atòmiques ens han revelat una complexa varietat d'escales de temps, que juguen un paper en la dinàmica de la membrana. S'ha analitzat el significat físic de totes les característiques espectrals i s'ha correlacionat amb les dades experimentals. Hem realitzat simulacions de dinàmica molecular a l'escala dels microsegons de mescles ternàries de DPPC, POPC i colesterol, examinant sistemàticament les interaccions lípid-lípid i lípid-colesterol en les fases líquida ordenada i desordenada. Els resultats mostren que les interaccions dels lípids entre ells i amb el colesterol són propietats no trivials depenent de la saturació de lípids i també en la fase de mescla. Els resultats són consistents amb les forces ''push-pull'' observades en experiments recents i donen descripcions sistemàtiques de les interaccions mútues entre les diverses espècies en dues fases diferents.