Molekulardynamische Simulation einer voll hydratisierten Dipalmitoyl-glycero-phosphatidylcholin-Membran
Creators: name: Schmelter, Ralf
Publisher: name: Universität Dortmund
Year: 2002
Subjects: subject: MD-Simulation
subject: Membran
subject: DPPC Phospholipid
subject: 540

description: Phospholipide sind einer der Hauptbestandteile biologischer Membranen,welche neben der Kompartimentierung der Zellen für die Kontrolle vonStoffaustauschvorgängen verantwortlich sind. Weiterhin finden vielebedeutende biochemische Reaktionen in der Zelle an Membran-gebundenenReaktionszentren statt. Aus diesem Grund ist ein tiefer gehendesVerständnis der physikalischen und chemischen Eigenschaftenbiologischer Membranen von entscheidender Bedeutung. So muß z.B. beider Entwicklung von Arzneimitteln gewährleistet werden, daß diese dieZellmembranen durchdringen können, falls sie ihre Wirkung in der Zelleselbst entfalten.In dieser Arbeit wurde eine voll hydratisierte DPPC-Membran in einerall-atom-Darstellung für 6 ns im mit Hilfe der SPME-Methode simuliert.Da die elektrostatischen Wechselwirkungen einen bedeutenden Einflußauf die Struktur und Dynamik des simulierten Systems ausüben wird,wurden die Partialladungen des DPPC-Moleküls quantenmechanischermittelt.Auf Grund der Anisotropie des Systems mußten viele strukturelle Größendurch mehrdimensionale Funktionen beschrieben werden, welche eine derwesentlichen in dieser Arbeit vorgestellten Neuerungen im Vergleich zuälteren Simulationen darstellen.Die ermittelten strukturellen Größen zeigen dabei eine in den meistenFällen zufriedenstellende Übereinstimmung mit experimentellen Daten,soweit diese vorhanden sind. So werden die CD-Ordnungsparameter unddie Anteile verschiedener Konformationen in der Alkylkette recht gutwiedergegeben. Dagegen zeigen sich für die Glyceringruppenregiondeutliche Abweichungen von experimentellen Daten. Dies läßt sich ausder langsamen Dynamik in der Glyceringruppenregion ableiten, welche zueiner vollständigen Equilibrierung deutlich längere Simulationszeitenerfordern würde. Die Struktur der Kopfgruppenregion, mit dem zurBilayernormalen deutlich gekippten PN-Vektor, entspricht wieder demexperimentell erhaltenen Bild. Die DPPC-Moleküle scheinen sich aufeinem annähernd hexagonalen Gitter anzuordnen. Eine genauereUntersuchung, welche die Artefakte der periodischen Randbedingungenweitgehend ausschließen sollte, ist jedoch nur mit einem deutlichgrößeren System zu erhalten. Die strukturellen Eigenschaften derWassermoleküle werden im wesentlichen von dem DPPC-Bilayeraufgeprägt. Dies ist gut aus derOrientierungswahrscheinlichkeitsdichte des Dipolmoments des Wassers zuentnehmen. Bis zur Alkylkettenregion liegt das Wasser überwiegend ineinem Netzwerk mit anderen Wassermolekülen gebunden vor, auch wenn derVerknüpfungsgrad dieses Netzwerks mit der Eindringtiefe des Wassers indie Membran deutlich abnimmt. Auch die dynamischen Eigenschaften derWasserphase werden durch die elektrostatischen Wechselwirkungen mitden DPPC-Molekülen entscheidend beeinflußt. So verlangsamt sich sowohldie Reorientierungsdynamik als auch die Diffusionsdynamik derWassermoleküle mit steigender Eindringtiefe in den Bilayerdeutlich. Die Dynamik des Wassers in der Alkylkettenregion konntejedoch auf Grund der geringen Wasserdichte in diesem Bereich nichtbzw. nur ansatzweise ermittelt werden. Die Dynamik des DPPCs spieltsich im Nanosekunden-Bereich ab, wobei die sich dieGlyceringruppenregion durch eine besonders langsame Dynamikauszeichnet.Weiterhin wurde das chemische Potential von Inhalationsanästhetika undNonimobilizers in der Membran bestimmt, um einen Eindruck von derVerteilung dieser Substanzen im Membransystem zu erhalten. Diesliefert einen Beitrag zur Bestimmung des Wirkungsmechanismus dieserAnästhetika. Dabei wurde die Theorie von Cantor zu Grunde gelegt,welche die anästhetische Wirkung mit einer Änderung des lateralenDruckprofils in der Membran in Verbindung setzt. Es zeigte sich, daßbei den sehr potenten Anästhetika (Halothan, Ethanol und CF3\CH2OH diehöchste Konzentration in der Alkylketten/Glycerinregion zu findenist. Dagegen zeigen sich bei den Edelgasen und n-Alkanen signifikanteKonzentrationen auch in der Alkylkettenregion. Jedoch ist dasVerhalten der $n$-Alkane recht unintuitiv. Für eine detailiertereUntersuchung sind jedoch noch langwierige Simulationen zur Bestimmungdes lateralen Druckprofils von Nöten.