interakce látek s membránami z pohledu výpočetní...
TRANSCRIPT
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