Anion transmembrane transport by synthetic molecules: a molecular modelling investigation

Abstract

Ion transport across cell membranes, via protein membrane channels, is crucial in several biological processes. Thus, the malfunctioning of this complex cellular machinery is linked with several channelopathies, such as cystic fibrosis (CF), associated with the deficient chloride transport through the CFTR channel. As present treatments only aim to manage the disease’s symptoms, alternative treatments are needed, such as channel replacement therapies. Over the last decades, this fact has motivated the development of synthetic anion transporters able to recognise and later promote the passive anion transport in lipid vesicles or even in CF cell models. However, the design of small drug-like transporters is still not straightforward and depends on an intricate equilibrium between the transporters’ binding affinity and lipophilicity. In this context, this thesis interfaces between the supramolecular, medicinal and computational fields of Chemistry. The theoretical investigations reported in this thesis consisted on quantum calculations together with molecular dynamics simulations based on classical force fields. The following series of molecules were investigated: two series of tripodal molecules (chapters II and V), a series of decalin-based transporters (chapter III) and four series of squaramide-based compounds (chapter IV). The structural and energetic insights allowed to understand, at the atomistic level, the interaction of synthetic molecules with membrane models as well as the anion transport mechanisms. The molecular dynamics simulations of passive diffusion were carried out with chloride complexes placed either in the water phase or inside the phospholipid bilayer, allowing the investigation of the transporters’ ability to permeate the water/lipid interface and to diffuse within the highly packed bilayer medium. Moreover, the assessment of the electrostatic surface potential of the transporters yielded insights that generally correlate well with anion binding constants. In chapters IV and V, constrained molecular dynamics simulations with linear squaramides and fluorinated tripodal derivatives are reported, respectively. These simulations allowed to estimate the free energy barriers associated with the translocation of these two series of molecules across the membrane model, with the reconstruction of the potential of mean force along the bilayer normal. The energetic barriers assessed for both series of molecules agree well with their lipophilicities and experimental anion transport data. Furthermore, a simulation reported in chapter V shows, for the first time, a neutral transporter facilitating the translocation of chloride across a phospholipid bilayer. Within the scope of supramolecular Chemistry, chapter VI reports the development of force field parameters for chalcogen bonding interactions. These bonding interaction, as well as halogen bonds, can also be used for the recognition and transmembrane transport of anions, becoming potential alternatives to the ubiquitous hydrogen bonds studied in the previous chapters.

O transporte de aniões através de membranas celulares, com recurso a canais proteicos, é fundamental em vários processos biológicos. Assim, o funcionamento deficiente desta complexa maquinaria celular está relacionado com o aparecimento de várias canalopatias como a Fibrose Cística (FC), associada ao transporte deficiente de cloreto através do canal CFTR. Os tratamentos atuais para esta doença apenas minoram os seus sintomas, sendo necessário desenvolver tratamentos alternativos, como, por exemplo, as terapias de substituição de canal. Este facto, ao longo das últimas décadas, tem motivado o desenvolvimento de moléculas capazes de procederem ao reconhecimento e, posteriormente, ao transporte passivo de aniões em vesículas lipídicas e em modelos celulares de FC. No entanto, uma molécula com atividade de transporte depende de um delicado equilíbrio entre sua a lipofilia e a afinidade para o anião. Neste contexto, esta tese situa-se na interface entre Química supramolecular, medicinal e computacional. Os estudos teóricos que aqui se reportam consistiram em cálculos de mecânica quântica conjugados com simulações de dinâmica molecular baseados em campos de forças clássicos. Foram investigadas duas séries de moléculas trípodes (capítulos II e V), uma de transportadores derivados de decalina (capítulo III), e quatro séries de esquaramidas (capítulo IV). Os resultados estruturais e energéticos obtidos contribuíram para compreender, ao nível atómico, a interação destas moléculas com modelos de membranas, bem como dos respetivos mecanismos de transporte de aniões. As simulações de dinâmica molecular de difusão passiva foram realizadas com os complexos de cloreto colocados na fase aquosa ou dentro da bicamada fosfolipídica, permitindo o estudo da capacidade de um transportador permear a interface água/lípido e de se difundir no meio altamente empacotado da bicamada. Por outro lado, a avaliação da distribuição do potencial electroestático na superfície eletrónica das moléculas correlaciona-se com as suas constantes de associação com aniões. Nos capítulos IV e V descrevem-se também simulações de dinâmica molecular constrangidas, realizadas com esquaramidas lineares e derivados trípodes fluorinados, respetivamente. Estas simulações permitiram a estimativa das barreiras de energia livre associadas à difusão destas duas séries de moléculas através do modelo de membrana por reconstrução do potencial de força média ao longo da normal à bicamada. As barreiras energéticas para estas duas séries de moléculas são consistentes com os dados experimentais de transporte e lipofilia. Adicionalmente, uma simulação reportada no capítulo V mostra, pela primeira vez, um transportador neutro a facilitar o transporte de cloreto através de uma bicamada fosfolipídica. No âmbito da Química supramolecular, no capítulo VI reporta-se o desenvolvimento de parâmetros de campo de forças para ligações de calcogénio. Estas ligações, tal como as ligações de halogénio, também permitem o reconhecimento e transporte transmembranar de aniões, surgindo como potenciais alternativas às ligações de hidrogénio convencionais estudadas nos capítulos anteriores.