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Structure and dynamics of biomembranes containing cholesterol and other biologically-important sterols [Elektronische Ressource] : a computational perspective / presented by Zoe Cournia

194 pages
D I S S E R T A T I O Nsubmitted to theCombined Faculties for Natural Sciences and Mathematicsof the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germanyfor obtaining the degree ofDOCTOR OF NATURAL SCIENCESpresented byDipl.-Chem. Zoe Courniaborn in Athens, Greeceoral examination: 21 December, 2006Structure and Dynamics of Biomembranescontaining Cholesterol and otherBiologically-Important Sterols.A computational perspective.Referees:Prof. Dr. Jeremy C. SmithProf. Dr. Michael GrunzeStructure and Dynamics of Biomembranes containingCholesterol and other Biologically-Important Sterols.A computational perspective.Zoe CourniaABSTRACTCholesterol plays a signi cant role in the function and dynamics of plasma membranes in thecells. A problem of longstanding interest has been to determine how cholesterol and otherbiologically-important sterols in uence the structure and dynamics of lipid bilayers, as theresults presented are often contradictory. In this thesis, the differential effects of three closely-related sterols: ergosterol, cholesterol and lanosterol on the structural and dynamical prop-erties of a model dipalmitoyl phosphatidylcholine (DPPC) membrane were examined usingMolecular Dynamics (MD) simulations and Neutron Scattering (NS) calculations.As a necessary step towards realistic sterol:biomembrane simulations, molecular mechan-ics force eld parameters for cholesterol, ergosterol and lanosterol, for the program packageCHARMM are derived.
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D I S S E R T A T I O N
submitted to the
Combined Faculties for Natural Sciences and Mathematics
of the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germany
for obtaining the degree of
DOCTOR OF NATURAL SCIENCES
presented by
Dipl.-Chem. Zoe Cournia
born in Athens, Greece
oral examination: 21 December, 2006Structure and Dynamics of Biomembranes
containing Cholesterol and other
Biologically-Important Sterols.
A computational perspective.
Referees:
Prof. Dr. Jeremy C. Smith
Prof. Dr. Michael GrunzeStructure and Dynamics of Biomembranes containing
Cholesterol and other Biologically-Important Sterols.
A computational perspective.
Zoe CourniaABSTRACT
Cholesterol plays a signi cant role in the function and dynamics of plasma membranes in the
cells. A problem of longstanding interest has been to determine how cholesterol and other
biologically-important sterols in uence the structure and dynamics of lipid bilayers, as the
results presented are often contradictory. In this thesis, the differential effects of three closely-
related sterols: ergosterol, cholesterol and lanosterol on the structural and dynamical prop-
erties of a model dipalmitoyl phosphatidylcholine (DPPC) membrane were examined using
Molecular Dynamics (MD) simulations and Neutron Scattering (NS) calculations.
As a necessary step towards realistic sterol:biomembrane simulations, molecular mechan-
ics force eld parameters for cholesterol, ergosterol and lanosterol, for the program package
CHARMM are derived. For the parametrization an automated re nement method that involves
tting the molecular mechanics potential to both vibrational frequencies and eigenvector pro-
jections derived from quantum chemical calculations was used. This method is particularly
useful for deriving parameters for rigid molecules, for which the exibility is determined prin-
cipally by vibrations, as is the case for sterols. The results show good agreement between
CHARMM and quantum chemical normal modes. Final, re ned parameters are tested against
independent experimental data.
Subsequently, MD simulations of hydrated sterol:DPPC lipid systems are performed at a
biologically-relevant concentration (40% mol.) at 309K and 323K. The simulations are com-
pared with control simulations of the gel and liquid DPPC phases. All three sterols are found
to order and condense the lipids relative to the liquid phase, but to markedly different degrees.
Ergosterol is enhancing the packing of the lipids with each other and has a higher condens-
ing effect on the membrane than the other two sterols. Moreover, ergosterol induces a higher
proportion of trans lipid conformers, a thicker membrane and higher lipid order parameters,
and is aligned more closely with the membrane normal. Ergosterol also positions itself closer
to the bilayer:water interface. In contrast, lanosterol orders, straightens and packs the lipids
less well, and is less closely aligned with the membrane normal. Furthermore, lanosterol lies
closer to the relatively-disordered membrane center than do the other sterols. The behaviour of
cholesterol in all the above respects is intermediate between that of lanosterol and ergosterol.
The origins of the different membrane behavior upon addition of each sterol are discussed with
respect to the sterol chemical differences.
viiABSTRACT
Finally, in order to study the dynamics of the sterols, NS calculations using the MD co-
ordinate trajectories were also performed. These con rmed the high anisotropical motion of
cholesterol in the -plane observed in the NS experiments. Ergosterol was found to diffuse
the slowest and cholesterol the fastest both in the -plane and the -axis of the membrane
among the three sterols studied.
The ndings here may explain why ergosterol is the most ef cient of the three sterols at
promoting the liquid-ordered phase and lipid domain formation, and may also furnish part
of the explanation as to why cholesterol is evolutionarily preferred over lanosterol in higher-
vertebrate plasma membranes.
viii


ZUSAMMENFASSUNG
Cholesterol spielt eine entscheidende Rolle in der Funktionsweise und Dynamik der Plas-
mamembranen von Zellen. Seit langerer¤ Zeit besteht ein gro es Interesse am Ein uss des
Cholesterols und anderen biologisch wichtigen Sterolen auf die Struktur und Dynamik von
Lipid-Doppelschichten; die verof¤ fentlichten Ergebnisse zu diesem Thema sind hau g¤ wider-
spruchlich.¤ In dieser Doktorarbeit werden die unterschiedlichen Effekte von drei nahver-
wandten Sterolen - namlich¤ das Ergosterol, das Cholesterol und das Lanosterol - auf die
strukturellen und dynamischen Eigenschaften einer Dipalmitoyl-phosphatidylcholine (DPPC)
Modellmembran unter Verwendung von molekular-dynamischen (MD) Simulationen und
Neutronen-Streuungs (NS) Berechnungen untersucht.
Ein notwendiger Schritt zu einer realistischen Simulation des Sterol:Biomembembran-
Systems ist die Bestimmung von Kraftfeldparametern der molekulare Mechanik von Choles-
terol, Ergosterol und Lanosterol fur¤ das Programmpaket CHARMM entwickelt worden. Fur¤
die Parametrisierung wird eine automatische Bestimmungsmethode verwendet, welche das
Potential der molekularen Mechanik sowohl an die Vibrationsfrequenzen als auch an die
Eigenvektorprojektionen, die quantenchemisch bestimmt werden, anpasst. Diese Methode
ist insbesondere hilfreich, um Parameter fur¤ rigide Molekule,¤ wie zum Beispiel Sterole, fur¤
welche die Flexibilitat¤ prinzipiell durch Vibrationen bestimmt wird, abzuleiten. Die Ergeb-
¤nisse zeigen eine gute Ubereinstimmung zwischen CHARMM und quantenchemischen Nor-
malmoden. Die bestimmten Parameter werden am Ende gegen unabhangige,¤ experimentelle
Daten getestet.
Danach werden MD Simulationen von hydrierten Sterol:DPPC Lipidsystemen mit einer
biologisch relevanten Konzentration (40% mol.) bei 309K und 323K durchgefuhrt.¤ Die Sim-
ulationen werden mit Kontrollsimulationen der Gel- und ussigen¤ DPPC-Phasen verglichen.
Man stellt fest, dass alle drei Sterole die Lipide relativ zur ussigen¤ Phase anordnen und kon-
densieren, dies aber zu bemerkenswert verschiedenen Graden tun. Ergosterol induziert eine
dichtere Ansammlung der Lipide und hat eine hohere¤ kondensierende Wirkung auf die Mem-
bran als die anderen beiden Sterole. Desweiteren induziert das Ergosterol einen hoheren¤ An-
teil von trans-Lipidkonformeren, eine dickere Membran, hohere¤ Lipidanordnungparameter,
und es ist naher¤ zur Membrannormalen angeordnet. Ergosterol positioniert sich auch naher¤ an
die Doppelschicht:Wasser-Grenze. Ganz im Gegensatz ordnet, streckt und packt das Lanos-
ixZUSAMMENFASSUNG
terol die Lipide weniger gut und ist auch nicht so nah an die Membrannormale angeordnet. Es
liegt naher¤ als die beiden anderen Sterole am Membranzentrum, welches relativ ungeordnet
ist. Das Verhalten von Cholesterol ist in jeglicher Hinsicht zwischen dem des Lanosterols und
Ergosterols anzuordnen. Die Ursachen der unterschiedlichen Membraneigenschaften unter
dem Ein uss eines Sterols werden im Hinblick auf die unterschiedlichen chemischen Eigen-
schaften charakterisiert.
Um schlie lich die Dynamik der Sterole zu untersuchen werden NS Berechnungen auf der
MD Koordinaten-Trajektorien durchgefuhrt.¤ Diese bestatigen¤ die hohen anisotropischen Be-
wegungen des Cholesterols in der -Ebene, die in den NS Experimenten beobachtet wurde.
Es zeigt sich, dass sowohl in der -Ebene als auch entlang der -Achse der Membran Ergos-
terol am langsamsten und Cholesterol am schnellsten diffundieren.
Die Ergebnisse konnen¤ eine Erklarung¤ geben, warum Ergosterol das ef zienteste der drei
Sterole ist, um die ussig-geordnete¤ Phase (liquid-ordered phase) und die Formation von
Lipiddomanen¤ zu fordern.¤ Des Weiteren geben diese Ergebnisse Aufschlu daruber¤ , warum
das Cholesterol gegenuber¤ dem Lanosterol als Bestandteil von Plasmamembranen hoherer¤
Vertebraten in der Evolution begunstigt¤ wurde.
x