Estudios computacionales de la acción de diversos efectores sobre la bicapa lipídica de membranas biológicas

Abstract

En este trabajo de tesis estudiamos mediante simulaciones de din´amica molecular, la interacci´on de ciertos efectores de inter´es sobre membranas lip´ıdicas modelo, concentr´andonos principalmente en propiedades din´amicas y estructurales. Luego ampliamos nuestra perspectiva para aprender tambi´en sobre el agua de hidrataci´on de dichas membranas. En una primera instancia, prestamos inter´es particularmente al efecto de los ´acidos grasos Omega-3, motivados principalmente por la enorme cantidad de evidencia sobre los efectos que estas peque˜nas mol´eculas tienen en la prevenci´on del desarrollo temprano de enfermedades como el Alzheimer. Nuestros resultados muestran que la membrana lip´ıdica se torna m´as fluida en presencia de dichos efectores. Luego extendimos nuestro estudio hacia membranas modelo m´as “reales”, ya que incluimos el colesterol (una mol´ecula de crucial importancia en las membranas biol´ogicas). En tal contexto determinamos que los efectos producidos por el colesterol pueden ser revertidos por la presencia de ciertos ´acidos grasos Omega-3, restaurando la din´amica y la estructura de la membrana lip´ıdica pura. Adicionalmente, analizamos el efecto de ciertas mol´eculas de gran inter´es por su potencial terap´eutico, como las xantonas, constituidas por una estructura privilegiada de heterociclos tric´ıclicos fusionados. Nuestros resultados muestran que las xantonas alteran el orden estructural en la membrana induciendo efectos que no muestran una correlaci´on trivial entre la compresibilidad y fluidez de la membrana. Por su parte, en la b´usqueda de profundizar nuestro entendimiento sobre las interacciones ligando-membrana resulta de vital importancia incluir el agua de hidrataci´on, ya que el nuevo paradigma que describe a las membranas biol´ogicas incluye al agua como un elemento constitutivo fundamental de las mismas y no meramente como el medio natural para su autoensamble y para llevar a cabo su funci´on biol´ogica. En tal sentido, estudiamos el modo en que diferentes l´ıpidos en presencia y ausencia de colesterol organizan al agua de hidrataci´on. Podemos decir que la presencia de colesterol en membranas de l´ıpidos (con y sin grupos carbonilos) modifica la distribuci´on de las mol´eculas de agua disminuyendo la relajaci´on dipolar de los l´ıpidos de la interfase y generando un aumento en la poblaci´on no relajable. Asimismo, analizamos los efectos que la incorporaci´on de colesterol produce sobre las membranas modelo, determinando que el mismo produce un aumento en la hidrofobicidad local y, por ende, en la propensi´on a la deshidrataci´on local. En este contexto, encontramos que el agregado de ´acidos grasos Omega-3 tambi´en permite revertir parcialmente dicho efecto. Finalmente, en pos de sentar las bases de una descripci´on molecular del agua de hidrataci´on de membranas lip´ıdicas, aprovechamos nuestros conocimientos previos en sistemas de agua sobreenfriada y agua v´ıtrea, dado que el agua nanoconfinada (como es el caso del agua de hidrataci´on de membranas) exhibe ciertas reminiscencias v´ıtreas. Sin embargo, para poder estudiar el agua de hidrataci´on, particularmente su estructura, es necesario contar con un ´ındice de estructura que resulte apropiado en dicho contexto ya que los ´ındices actuales no resultan aplicables. Por lo tanto, en una primera instancia mostramos algunas de las limitaciones de los ´ındices desarrollados hasta la fecha, de modo de evidenciar los ingredientes esenciales a tener en cuenta. Ello nos llev´o al desarrollo de un nuevo ´ındice de estructura, libre de preconceptos estructurales y basado en consideraciones energ´eticas, que no s´olo corrige los errores en que incurr´ıan los indicadores previos sino que es factible de adecuar a contextos de nanoconfinamiento. A pesar de que recorrimos un largo camino para llegar a este ´ındice, en esta tesis lo aplicamos s´olo de manera preliminar en el contexto de la hidrataci´on de membranas lip´ıdicas, ya que su adaptaci´on espec´ıfica a este campo constituye una tarea m´as ambiciosa que requerir´a y propiciar´a estudios futuro.

In this thesis work we study, by means of molecular dynamics simulations, the interaction of certain effectors of interest with model lipid membranes, making focus mainly on dynamic and structural properties. Then we extend our perspective to also learn on the behavior of the hydration water of such membranes. At first, we were particularly interested in the study of Omega-3 fatty acids, mostly motivated by the enormous amount of evidence on the effect of these small molecules preventing the early development of disorders such as Alzheimer’s disease. Our results make evident the fact that these effectors enhance membrane fluidity. We then extended our study to more “real” model membranes by including cholesterol (a crucially important molecule in biological membranes). In this context, we determine that the effects produced by cholesterol can be reversed by the presence of certain Omega-3 fatty acids, restoring the dynamics and structure of the pure lipid membrane. Additionally, we analyze the effect of certain molecules of great interest due to their therapeutic potential, such as xanthones, constituted by a privileged structure of fused tricyclic heterocycles. Our results show that xanthones alter membrane structural order inducing effects that do not follow a trivial correlation between membrane compressibility and fluidity. In turn, in order to deepen our understanding of ligand-membrane interactions, it is vitally important to include hydration water, since the new paradigm that describes biological membranes includes water as a fundamental constituent element instead of merely considering it as the natural environment for its self-assembly and for carrying out its biological function. In this sense, we study the way in which different lipids, in the presence and absence of cholesterol, organize hydration water. Our results reveal the fact that the presence of cholesterol in lipid membranes (with and without carbonyl groups) modifies the distribution of hydration water, decreasing the dipolar relaxation of the lipid interface and generating an increase in the non relaxable population. Likewise, we analyze the effects that the incorporation of cholesterol produces on model membranes, determining the occurrence of an increase in local hydrophobicity and, therefore, in the propensity for local dehydration. However, we find that the addition of Omega-3 fatty acids also allows to partially reverse such effect. Finally, in order to lay the foundations for a molecular description of lipid membrane hydration water, we take advantage of our previous knowledge in supercooled and glassy water, since nanoconfined water (as is the case of membrane hydration water) exhibits certain vitreous reminiscences. However, in order to study lipid hydration water, particularly its structure, it is necessary to have a structure index appropriate for this context, since the current indexes are not applicable. Therefore, as a first step we evidence some of the limitations of the indexes developed to date, in order to highlight the essential ingredients to take into account. This leads us to the development of a new structure index, free from structural preconceptions and based on energy considerations, that not only corrects the errors in which previous indicators incurred, but which is also feasible to adapt to nanoconfinement contexts. Although we came a long way to arrive at this index, in this thesis we apply it only preliminarily in the context of lipid membrane hydration, since its specific adaptation to this field constitutes a more ambitious task that will require and favor future studies.