Transmembrane transport of anions by synthetic transporters

Abstract

The chloride transport across the phospholipid bilayer assisted by small synthetic molecules were studied by computational methods including quantum calculations followed by molecular dynamics simulations and free energy calculations. A series of twelve tris-thiourea aryl substituted putative transporters, with three different six-membered rings as scaffolds (desmethyl cyclohexane, hexamethyl cyclohexane and benzene) and each of them with four possible aryl substituents (3,5-trifluoromethyl, p-trifluoromethyl, p-nitro and phenyl), were studied in silico in order to understand the experimental transport data previously reported for these molecules. The computational study started with the DFT optimization of twelve chloride complexes in gas phase and in DMSO at the M062X/6-31+G** theory level. The strength of the N-H···Cl- interactions were ascertained through the E2 values obtained from the second order perturbation theory, the Wiberg bond Indexes and the most positive value of the electrostatic potential (VS,max). Overall, these descriptors increases with the binding affinity constants reflecting the electron withdrawing character of the aryl substituents. Thus, the 3,5-trifluoromethyl substituted transporters presented the highest values for the quantum descriptors as well as the highest binding affinity for chloride anion, indicating that these molecules are able to successfully uptake the anion from the water phase and further proceed to its transport across the phospholipid bilayer. Subsequently, the passive diffusion of these chloride complexes were then investigated by MD simulations positioning them either in the bilayer core and water phase. Overall, the MD simulation runs reveal that the transporters were able to promote chloride uptake and release events, consistent with anion carrier transport mechanism. Furthermore, free energy profile for 3,5-trifluoromethyl hexamethyl cyclohexane complex and free chloride were constructed from the potential mean force calculations. The chloride complex has to surpass an energy barrier to cross the middle of the phospholipid bilayer of 2 kcal mol-1 while for the free chloride this energy increases to 19.5 kcal mol-1 indicating that the chloride transport assisted by this receptor is energetically favoured. Another remarkable feature from the MD simulations is that the chloride complexes fit comfortably well below the membrane’s interface which seems to indicate that the receptors are able to operate as a chloride shuttle without leaving the phospholipid bilayer.

O transporte de cloreto pela bicamada fosfolipídica, assistido por pequenas moléculas sintéticas, foi estudado através de métodos computacionais, incluindo cálculos quânticos, simulações de dinâmica molecular e cálculos de energia livre. As propriedades de transporte de um conjunto de doze tris-tioureias contendo um anel central de seis membros (cicloexano, cicloexano hexametilado e benzeno) derivatizado com grupos arilo (3,5-trifluorometilo, p-trifluorometilo, pnitro e fenilo), foram estudados in silico tendo como objetivo a compreensão de dados experimentais de transporte reportados. O estudo computacional iniciou-se com a otimização dos doze complexos em fase gasosa e em dimetilsulfóxido (DMSO), ao nível de teoria de M06-2X/6- 31+G**. A força das interações NH···Cl- foi determinada através dos valores de E2 obtidos da teoria de perturbação de segunda ordem, dos índices de ligação de Wiberg e do valor mais positivo de potencial electroestático (VS,max). Estes descritores aumentam com as constantes de afinidade, refletindo o carácter electroatractor dos substituintes arilo. Assim, os três transportadores com grupos 3,5-trifluorometilo apresentaram os valores mais altos para estes descritores e para afinidade ao cloreto, demonstrando que estas moléculas conseguem de facto capturar um anião da fase aquosa e proceder ao seu transporte através da bicamada fosfolipídica. Seguiu-se o estudo do processo de difusão passiva para estes três complexos por dinâmica molecular, tendo estes sido colocados tanto na fase aquosa como no centro da bicamada fosfolipídica. Estas simulações revelaram que os transportadores eram capazes de promover os processos de captura e libertação de cloreto. Além disso, os perfis de energia livre para o complexo do ligando cicloexano hexametilado derivatizado com 3,5-trifluorometilo e para o cloreto livre foram obtidos através de cálculos de potencial de força média. O complexo tem que superar uma barreira energética de 2 kcal mol-1 para atravessar o meio da bicamada enquanto o cloreto livre tem que ultrapassar uma barreira de energia livre de 19.5 kcal mol-1, i.e. o transporte assistido pelo recetor é energeticamente mais favorável. Outra caraterística importante das simulações está relacionada com o facto dos complexos de cloreto de inserirem confortavelmente abaixo da interface da membrana, indicando que os recetores conseguem operar como transportadores de cloreto sem sair da bicamada fosfolipídica.