Molecular modelling of chloride recognition and transmembrane transport by hydrazone-based synthetic receptors

Abstract

The transport of ionic species across biological membranes, often mediated by embedded proteins, is vital for numerous biological processes. The slightest malfunction on this complex cellular cascade is associated with several channelopathies, such as cystic fibrosis, characterised by a deficient chloride transport through the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) protein channel. Current treatments mainly focus on attenuating the diseases’ symptoms, instigating the need for alternative therapies, such as channel replacement therapies (CRTs), based on the development of synthetic receptors. However, the design of these small drug-like molecules is still not fully understood, as it depends on a perfect balance between the transporter’s binding affinity and lipophilicity. This work aimed to obtain theoretical insights into the anion chloride recognition and transport properties of thiourea-based acylhydrazones. As such, a family of thioureas functionalized with acylhydrazones and related functional groups undergone thorough experimental and computational studies. The receptors’ affinity for chloride was evaluated by DFT calculations while the interaction and the passive diffusion of receptors and their chloride complexes were investigated through molecular dynamics (MD) simulations based on classical force fields. The experimental chloride transport studies suggest that the additional binding motif has a detrimental effect of the transport ability of the thiourea-based receptors, as additional interactions between the secondary binding unit and the membrane phospholipids inhibit the anion transport. This hypothesis is strongly supported by the orientation of the transporters in the membrane and respective interactions, as observed MD simulations.

O transporte de espécies iónicas através de membranas biológicas, frequentemente mediado por um conjunto complexo proteínas, é crucial em inúmeros processos fisiológicos. Posto isto, qualquer defeito nesta complexa cascata celular está associado a diversas canalopatias, como a fibrose quística, caracterizada pelo transporte deficiente de cloreto através do canal CFTR. Atualmente, o tratamento destas doenças foca-se principalmente na atenuação dos seus sintomas, fomentando a necessidade de terapias alternativas, como as terapias de substituição de canal No entanto, o design destes fármacos ainda não é inteiramente compreendido, uma vez que depende de um delicado equilíbrio entre a afinidade de ligação do transportador e a sua lipofilia. Este trabalho estudou o impacto da adição de um grupo funcional em transportadores aniónicos já caracterizados, com unidades de ligação comuns como N−Hs ácidos (ureias, tioureias ou esquaramidas). Assim sendo, uma família de tioureias funcionalizada com grupos acilhidrazona e derivados foi minuciosamente estudada experimental e computacionalmente. Os estudos teóricos reportados neste trabalho consistiram em cálculos quânticos e simulações de dinâmica molecular baseadas em campos de força clássicos. As análises ao transporte de cloreto sugerem que uma unidade de ligação adicional se traduz num efeito prejudicial na capacidade de transporte dos recetores derivados de tioureias, uma vez que interações adicionais entre a unidade de ligação secundária e os fosfolípidos da membrana impedem o transporte de aniões. Esta hipótese é suportada pelo estudo das orientações dos transportadores na membrana, bem como pelas suas interações, como observado nas simulações de dinâmica molecular.