Classical molecular dynamics simulation of fluorophilic and lipophilic molecules in a membrane environment

Abstract

Gegenstand dieser Arbeit ist die Berechnung von räumlichen Verteilungsfunktionen und der Diffusion von perfluorierten Alkanen in einer Phospholipid-Doppelschicht mithilfe von Molekulardynamik-Simulationen. Perfluorierte Molekükle besitzen eine besondere Art von Philie (Fluorophilie), welche sie zu interressanten Kandidaten für die Untersuchung in Lipid-Doppelschichten macht. Ein besonderer Schwerpunkt wurde auf die Untersuchung der Auswirkungen von zusätzlichen Funktionalisierungen der Alkane (durch Carboxyl-und Hydroxy-Gruppen) auf die Dipalmitoylphosphatidylcholine-(DPPC)-Membran gelegt, welche in Wasser vollständig solvatisiert ist. Das Ziel des Projekts ist die Beschreibung des komplexen Zusammenspiels des lipophilen Kerns und der hydrophilen Kopfgruppen der Lipid-Doppelschicht mit den funktionalisierten fluorophilen Alkanen. Für die längerkettigen Alkane kann ein schnelleres Eindringen in die Membran unter Reduktion der translationellen und rotatorischen Bewegung beobachtet werden. Zusätzlich wurde hier ein Clustering-Phänomen beobachtet. Dynamische Größen, wie eine Zunahme des Ordnungs-Parameters und der gauche-trans-Konformationen (bezogen auf die Alkylketten der Lipid-Doppelschicht) wurden ebenfalls berechnet. Auf der Grundlage der Informationen aus den Dichteprofilen und der signifikanten Reduktion der benötigen Fläche pro Lipid kann ein Phasenübergang innerhalb der Lipid-Doppelschicht angenommen werden.

This thesis deals with the prediction of the spatial distribution and diffusive dynamics of perfluorinated alkane molecules within a phospholipid bilayer by means of molecular dynamics simulations. Perfluorinated molecules exhibit a special type of philicity (fluorophilicity). This special feature makes perfluorinated molecules an interesting agent for insertion into lipid bilayers. A particular spotlight is put on the effect of adding a further functionality (an acidic and an alcoholic end-group) on the properties of the alkanes within the dipalmitoylphosphatidylcholine (DPPC) membrane which is fully solvated in liquid water. The aim of this project is to elucidate the complex interplay of the lipophilic core and the hydrophilic polar head groups of the lipid bilayer with the functionalized fluorophilic alkane molecules. During their interactions, the longer chain molecules showed faster penetration with a reduction in their translational and rotational movement and also shows clustering phenomenon. Dynamical observations such as an increase of the order parameters and gauche-trans conformations, related to the alkyl chains of the lipid bilayer were also computed. On the basis of information obtained from the density profiles and significant reduction of Area/Lipid, one can observe, phase transition of the lipid.