Transmembrane transport of chloride by Squaramides : in silico study

Abstract

The anion transport across cellular membranes is essential to the cell functioning and its regulation depends on transmembrane channels. The malfunction of ion channels leads to channelopathies. In particularly, the impairment of chloride ion channels is associated with cystic fibrosis. These diseases have motivated the supramolecular chemists for the development of new chloride synthetic transporters with potential use in channel replacement therapies. In this context, this thesis reports an in silico study performed to evaluate the ability of five squaramides to assist the chloride transport across a POPC bilayer. Indeed, earlier experimental studies have shown that these small molecules were able to mediate the chloride efflux across POPC vesicles more efficiently than their analogous thioureas and ureas, as mobile-carriers using an anion-exchange mechanism. This theoretical investigation was carried out by a combination of quantum calculations and Molecular Dynamics simulations in a POPC membrane model. The MD simulations were preceded by the development of specific bond term parameters for the squaramide moiety using the crystal data from an extensive series of squaramides. The remaining parts of these molecules were described with GAFF default parameters. The phospholipids were described with parameters taken from LIPID11. The passive diffusion of chloride complexes was investigated by placing each receptor in two different starting positions: in the water slab and in the bilayer core of the POPC membrane model. In both cases the receptor moved towards the water/lipid interface and accommodated themselves below the lipid head groups. In the first case, the chloride release occurred in the water slab before the receptor reaches the water/lipid interface. By contrast, in the second case the chloride is released concomitantly with the receptor approach to the interface. The squaramides interact with phospholipid head groups mainly via N-H···O hydrogen bonds as analyzed along the thesis.

O transporte de aniões através de membranas celulares é essencial para o funcionamento da célula e a sua regulação depende de canais transmembranares. O mau funcionamento destes canais leva a canalopatias, designadamente o dano dos canais de cloreto associado à fibrose quística. Estas doenças têm motivado os químicos supramoleculares para o desenvolvimento de novos transportadores sintéticos de cloreto visando uma potencial aplicação em terapias de substituição de canais. Neste contexto, esta dissertação reporta um estudo in silico em que se avalia a capacidade de cinco squaramides (amidas quadrangular planas) assistirem o transporte de cloreto através de uma bicamada de POPC. De facto, estudos experimentais anteriores demonstraram que estas pequenas moléculas são capazes de mediar o efluxo de cloreto de vesículas de POPC com maior eficiência do que os seus análogos tioureias e ureias, actuando como transportadores móveis através de um mecanismo de permuta de aniões. Esta investigação teórica foi realizada com base em cálculos quânticos e simulações de dinâmica molecular num modelo de membrana POPC. As simulações foram precedidas pelo desenvolvimento de parâmetros específicos para as ligações e ângulos da unidade central da squaramide, sendo que o resto das moléculas descritas com parâmetros de defeito do GAFF. Os fosfolipídos foram descritos com parâmetros do campo de forças LIPID11. A difusão passiva dos complexos de cloreto foi investigada colocando cada um dos receptores em diferentes posições de partida: na fase aquosa e no meio da bicamada de POPC. Em ambos os casos, os receptores moveram-se em direcção à interface da membrana tendo-se posicionado abaixo das cabeças dos lípidos. No primeiro caso, o cloreto foi libertado ainda na fase aquosa antes do receptor chegar à interface. Enquanto que no segundo caso a libertação do cloreto ocorreu concomitantemente com a aproximação do receptor à interface. Durante o tempo de simulação os receptores interactuaram principalmente com as cabeças dos lípidos via ligações de hidrogénio N-H···O.