Karel Berka

Regionální centrum pro pokročilé technologie a materiály

a

Katedra fyzikální chemie, Přírodovědecká fakulta,

Univerzita Palackého, Olomouc, ČR

Interakce látek s

membránami z pohledu

výpočetní chemie

Buněčná membrána

Singer, S. J.; Nicolson, G. L., The fluid mosaic model of the structure of cell membranes. Science 1972, 175, 720-31.

2

3

Složení membrán Endoplasmatic

Reticulum

Plasma

Phosphatidylcholine PhosphatidylserinePhosphatidylethanolamine SphingomyelinGlycolipids CholesterolOthers

Meer G., Voelker DR., Feigenson

GW. Nat Rev Mol Cell Biol. 2008;

9(2): 112–124.

Endoplasmatické retikulum

4

Motivace

substrát

ibuprofen product

3-hydroxy ibuprofen

Cytochrome P450 2C9

+ ibuprofen

4

Kde se na membráně vyskytují substráty, které

zpracovávají cytochromy P450

S

P

e-

CYP

CPR

?

?

DS

5 DOPC

Model membrány

• ER ev. plasmatická membrána

– Většinu tvoří fosfatidylcholiny (PC)

5

Vacha et al.

J Phys Chem A

2009

6

Ibuprofen

Distribution of S-ibuprofen during 10 ns simulation in explicit DOPC/water environment

0

1

2

-4.00 -3.00 -2.00 -1.00 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00

Tisíce

distance from the centre of membrane [nm]

Rel

ativ

e de

nsity

zan2

zan3

zan4

zan5

zan6

zan7

zan8

zan9

DOPC_AVG

starts

• volná MD simulace z různých výšek nad membránou

• volná simulace nebyla dostatečně informativní,

• ibuprofen je asi nejspíše v membráně

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

8

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

9

S

P

e-

CYP

CPR

?

?

PS DS

S=ibuprofen

P=3-OH ibuprofen

Ibuprofen II

9

10

S=ibuprofen

P=3-OH ibuprofen

Ibuprofen III

S 2b 2b 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

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).

difuzní profil v membráně je díky její anisotropii těžké

získat

termodynamika je důležitější

Orsi, 2010

Adson, 1995

Caco-2

Avdeef, 2005

PAMPA + Caco-2

Průběh pasivního průniku

Coumarin

• volná MD

• prochází hlavně minimy volné energie

• rychlé skoky mezi minimy (~100ps)

14

15

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

Ibuprofen IV

uncharged charged Boggara, M.B. & Krishnamoorti, R.. Biophys. J. 98, 586-95(2010).

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

hydrofobní NP

hydrofilní 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

MBM 2011 20

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)

Děkuji Vám za pozornost