Pure phospholipid bilayers have been extensively studied as models for biomembranes.(1, 2) Although lipids may exhibit a wide diversity of phases (such as the gel and liquid-crystalline phases), the most biologically relevant state under physiological conditions is the fluid phase (alternatively named the liquid crystal, Lα phase or, more correctly, the liquid-disordered phase Ld) in which the lipid chains are flexible and disordered. The fluidity of membranes precludes the accurate determination of their structure at an atomic level.(1) As a consequence, theoretical techniques, especially molecular dynamics (MD) simulations, have contributed greatly to our understanding of the structure and the dynamical properties of membrane systems as well as to the interpretation of experimental results. The basic features of the mechanisms of fundamental processes, such as vesicle formation(3) and fusion,(4) peptide-induced(5, 6) and peptide-free(7) pore formation, ion permeation through membranes,(8-12) lipid flip-flop,(13, 14) spontaneous lipid aggregation into a bilayer,(15) and formation of gel(16) and ripple(17) phases, have been modeled using MD simulations.
The quality and the validity of the results from such MD simulation studies depend heavily on the fidelity with which the underlying model, or force field, used describes the interatomic interactions. Biomolecular force fields are being continuously improved and updated. Currently, the most widely used force fields for lipid systems are the all-atom CHARMM(18, 19) and the united-atom GROMOS96(20) force fields and the parameter set proposed by Berger et al.(21) The latest revision of the GROMOS96 force field (parameter set 53A6)(22) was based on the reproduction of the solvation properties (free enthalpies of hydration) of small molecule analogues of biomolecules. The G53A6 parameter set has been extensively studied and validated for the simulation of peptides, proteins and DNA in water.(23, 24) However, it failed to reproduce the properties of phosphatidylcholine lipids—a major component of biological membranes—in the fluid phase.(25) We recently reported a correction of the G53A6 parameter set (G53A6L), which greatly improved the fluidity of 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DPPC) lipid bilayers.(25) Specifically, the repulsion between the choline methyl groups and the nonester phosphate oxygens was enhanced by increasing the van der Waals radius of the atom of oxygens for this particular interaction. The structural properties of these bilayers (area and volume per lipid, electron density profiles, bilayer thickness and hydration, ordering and conformation of acyl chains) were in very good agreement with experiment. The self-assembly of DPPC into a bilayer in water was also simulated, demonstrating that a bilayer is the thermodynamically preferred state.
Two recently developed lipid force fields include alternative GROMOS96-derived parameter sets. In the parameter set proposed by Kukol(26) and based on the GROMOS 53A6 parameter set, the repulsion between DPPC molecules was enhanced by increasing the van der Waals radius of the two carbonyl carbons in the glycerol moiety. This new parameter set was used to model various phospholipid bilayers in a fluid phase, and it was found that the area per lipid (AL) was reproduced correctly for 1,2-dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DMPC), 2-oleoyl-1-palmitoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (POPC), and DPPC and for simulations up to 40 ns. In contrast, Chiu et al.(27) partly reparameterized the GROMOS96 43a1 parameter set, specifically the bond and the van der Waals parameters. The new parameter set called 43a1-S3 was used to simulate pure lipid bilayers of 1,2-lauroyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DLPC), 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DOPC), DMPC or DPPC in the fluid phase. The structural parameters of the bilayers calculated from the simulations, such as the area and the volume per lipid, the bilayer thickness, the deuterium order parameters, and the form factor, were in good agreement with experiment.
AL is often used as the primary target property in the validation of lipid force field parameters to assess their ability to reproduce the correct phase of a membrane. However, there is considerable uncertainty in regard to the true value of AL for a given lipid bilayer in the fluid phase.(1) In the last two decades, values of AL derived from X-ray methods, NMR, and neutron diffraction have varied dramatically. For example, as shown in Table 1, in the case of the DMPC Lα phase, values of AL as low as 0.596 nm2 (1) and as high as 0.660 nm2 (28) have been proposed in the last nine years. Similarly, recent values of AL for the Lα phase of DOPC, published even by the same group of authors, range from 0.674 nm2 (29) to 0.724 nm2 (30) at 303 K. One reason for the scatter in the values of AL obtained experimentally is that the area per lipid is frequently not measured directly but inferred from other quantities, such as order parameters from NMR spectroscopy.(31) Fluctuations in the structure of lipid bilayers, which are inherent in the bilayer being in a fluid phase, also make the accurate determination of this structural quantity difficult.(32)
ศึกษาฟอสโฟลิพิดบริสุทธิ์ bilayers เป็นรุ่นสำหรับ biomembranes อย่างกว้างขวาง (1, 2) รัฐที่เกี่ยวข้องภายใต้เงื่อนไขสรีรวิทยาเป็นเฟสของเหลว (หรือชื่อผลึกเหลว ระยะ Lα หรือ ขึ้นอย่างถูกต้อง เฟสของเหลว disordered Ld) แม้ว่าโครงการอาจแสดงหลากหลายขั้นตอน (เช่นเจลและเฟสของเหลวผลึก), กว้างมากที่สุดชิ้น ในซึ่งโซ่ไขมันเป็น disordered และยืดหยุ่น การไหลของสารไม่สามารถกำหนดความถูกต้องของโครงสร้างระดับอะตอม (1) ผล ทฤษฎีเทคนิค โดยเฉพาะอย่างยิ่งโมเลกุล dynamics (MD) จำลอง ได้ส่วนมากเราเข้าใจโครงสร้างและคุณสมบัติของเมมเบรนระบบเช่นเดียวกับการตีความผลการทดลอง dynamical คุณสมบัติพื้นฐานของกลไกของกระบวนการพื้นฐาน เวสิเคิล formation(3) และ fusion,(4) เพปไทด์-induced(5, 6) และ peptide-free(7) รูขุมขนก่อ ซึมไอออนผ่าน membranes,(8-12) ไขมันกลับด้านปัด, (13, 14) รวมไขมันที่อยู่ใน bilayer,(15) และก่อตัวระยะ gel(16) และ ripple(17) มีการจำลองใช้ MD จำลองคุณภาพและถูกต้องของผลลัพธ์จากการศึกษาดังกล่าวจำลอง MD ขึ้นอยู่อย่างมากกับความจงรักภักดีซึ่งรูปแบบ หรือกองเงิน อธิบายการโต้ตอบที่ interatomic วทคร ๕๐๘ เขตกองกำลังถูกปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง และปรับปรุง กันอย่างแพร่หลายมากที่สุด ปัจจุบันใช้ฟิลด์บังคับสำหรับกระบวนระบบเป็น CHARMM อะตอมทั้งหมด (18, 19) และฟิลด์หน่วยอะตอมสห GROMOS96(20) และพารามิเตอร์ที่ตั้งเสนอ โดยเบอร์เกอร์ et al.(21) ปรับปรุงล่าสุด GROMOS96 บังคับฟิลด์ (พารามิเตอร์ชุด 53A6)(22) เป็นไปตามคุณสมบัติ solvation (ฟรี enthalpies ของไล่น้ำ) ของ analogues โมเลกุลเล็กชื่อโมเลกุลชีวภาพที่ผลิต ตั้งค่าพารามิเตอร์ G53A6 ได้อย่างกว้างขวางศึกษา และตรวจสอบสำหรับการจำลองของเปปไทด์ โปรตีน และดีเอ็นเอในน้ำ (23, 24) อย่างไรก็ตาม มันล้มเหลวในการจำลองคุณสมบัติของโครงการที่สำคัญซึ่งเป็นองค์ประกอบสำคัญของสารชีวภาพ — ในเฟสของเหลว (25) เราเพิ่งรายงานการแก้ไขการตั้งค่าพารามิเตอร์ G53A6 (G53A6L), การปรับปรุงการไหลของ 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DPPC) ไขมัน bilayers มาก (25) โดยเฉพาะ repulsion ระหว่างกลุ่ม methyl choline และ oxygens ฟอสเฟต nonester ถูกปรับปรุง โดยการเพิ่มรัศมี van der Waals ของอะตอมของ oxygens สำหรับการโต้ตอบนี้โดยเฉพาะ คุณสมบัติโครงสร้างของ bilayers เหล่านี้ (ที่ตั้งและปริมาตรต่อระดับไขมันในเลือด ค่าความหนาแน่นอิเล็กตรอน bilayer ความหนา และไล่น้ำ สั่งซื้อ และ conformation ของ acyl โซ่) อยู่ในข้อตกลงที่ดีกับการทดลอง ตนเอง assembly ของ DPPC เป็น bilayer น้ำถูกยังจำลอง เห็นว่า bilayer รัฐต้อง thermodynamicallyค่าแรงสุดไขมันรวมชุดพารามิเตอร์ GROMOS96 มาทดแทน ในพารามิเตอร์ที่ตั้งเสนอ โดย Kukol(26) และตามการตั้งค่าพารามิเตอร์ 53A6 GROMOS, repulsion ระหว่างโมเลกุล DPPC ถูกปรับปรุง โดยการเพิ่มรัศมี van der Waals ของ carbons carbonyl สองใน moiety กลีเซอร ตั้งค่าพารามิเตอร์ใหม่นี้ใช้รุ่นต่าง ๆ bilayers ฟอสโฟลิพิดในเฟสของเหลว และพบว่า พื้นที่ต่อระดับไขมันในเลือด (AL) ถูกทำซ้ำอย่าง 1,2-dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DMPC), 2-oleoyl-1-palmitoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (POPC), DPPC และ สำหรับจำลองถึง 40 ns ในทางตรงข้าม Chiu ร้อยเอ็ดบางส่วน reparameterized al.(27) GROMOS96 43a1 พารามิเตอร์การตั้งค่า โดยเฉพาะตราสารหนี้และพารามิเตอร์ van der Waals ตั้งค่าพารามิเตอร์ใหม่ที่เรียกว่า 43a1 S3 ใช้จำลอง bilayers ไขมันบริสุทธิ์ของ 1,2-lauroyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DLPC), 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DOPC), DMPC หรือ DPPC ในเฟสของเหลว พารามิเตอร์โครงสร้างของ bilayers ที่คำนวณจากแบบจำลอง พื้นที่และปริมาตรต่อระดับไขมันในเลือด ความหนา bilayer พารามิเตอร์ใบสั่งดิวเทอเรียม และ ปัจจัยรูปแบบ อยู่ในข้อตกลงที่ดีกับการทดลองอัลมักใช้เป็นเป้าหมายหลักแห่งความถูกต้องของพารามิเตอร์ฟิลด์บังคับระดับไขมันในเลือดเพื่อประเมินความสามารถในการทำซ้ำขั้นตอนถูกต้องของเมมเบรน อย่างไรก็ตาม มีความไม่แน่นอนมากเรื่องคุณค่าแท้จริงของ AL สำหรับ bilayer กระบวนกำหนดในเฟสของเหลว (1) ในสองทศวรรษล่าสุด ค่าของ AL มาวิธีเอ็กซ์เรย์ NMR และการเลี้ยวเบนของนิวตรอนได้แตกต่างกันอย่างมาก ตัวอย่าง เป็นแสดงในตารางที่ 1 กำหนดระยะ DMPC Lα ค่าต่ำสุดที่ 0.596 nm2 AL (1) และสูง 0.660 nm2 (28) ได้รับการเสนอชื่อในปี 9 ในทำนองเดียวกัน ค่าล่าสุดของ AL สำหรับระยะ Lα ของ DOPC เผยแพร่ โดยผู้เขียน กลุ่มเดียวกันตั้งแต่ 0.674 nm2 nm2 (29) การ 0.724 (30) ที่คุณ 303 เหตุผลหนึ่งในการกระจายค่าของ AL ได้รับ experimentally ให้ตั้งต่อไขมันเป็นบ่อยไม่วัดโดยตรง แต่เอเชียปริมาณอื่น ๆ เช่นพารามิเตอร์ใบสั่งจาก NMR ก (31) เปลี่ยนแปลงในโครงสร้างของไขมัน bilayers ซึ่งเป็นสิ่งที่แฝงใน bilayer ในเฟสของเหลว ยังทำให้การกำหนดความถูกต้องของปริมาณโครงสร้างนี้ยาก (32)
การแปล กรุณารอสักครู่..
