지질과 콜레스테롤 사이의 상호 작용

인지질과 콜레스테롤은 모두 세포막의 중요한 구성 요소입니다. 그들은 세포 막 횡단 수송, 신호 전달 및 생물학적 대사에 필수적인 역할을합니다. 그러나 그들의 상호 작용은 무엇입니까? 이 문헌 검토에서 우리는 산란 및 분자 역학 시뮬레이션이라는 두 가지 수단을 사용하여 인지질과 콜레스테롤 (CHOL) 간의 상호 작용 분석에 관한 기사를 공유 할 것입니다. 그것은 세포막 구조에 대한 우리의 이해를 향상시킬뿐만 아니라 리포솜과 지질 나노 입자의 개발에 영감을 줄 것으로 기대됩니다.

추상:

콜레스테롤과 인지질은 포유류 세포막에서 유비쿼터스이며, 이들의 상호작용은 지질-매개 콜레스테롤 밀매에서 중요하다. 콜레스테롤과 인지질 사이의 상호 작용은 소각 중성자 산란 (SANS), 소각 X 선 산란 (SAXS) 및 분자 역학 (MD) 을 결합하여 결정되었습니다. 전체 원자의 시뮬레이션.

모델링: 콜레스테롤과 에테르 지질로 구성된 이중층의 산란 밀도 분포 모델을 구성하고, 다양한 이중층 막의 구조적 파라미터를 얻었다.

시뮬레이션: 표면적 제약을 갖는 분자 역학 시뮬레이션을 수행하고 실험 데이터를 재현하였다. 이 반복 분석 접근법은 실험적 구조와 시뮬레이션 된 구조 사이에 좋은 동의를 얻었으며 콜레스테롤과 인지질 사이의 분자 상호 작용은 MD 시뮬레이션에 의해 추가로 검증되었습니다.

결론: · 에테르 지질의 존재하에, 콜레스테롤의 수산기 (-OH) 는 주로 인지질 헤드에서 인산기와 수소 결합을 형성한다. 인지질의 존재하에, 콜레스테롤의 하이드록실 그룹은 인지질 지방 사슬에서 카르보닐기와 수소 결합을 형성한다. 요약하면, 에테르 지질이 존재할 때 콜레스테롤은 이중층 표면에 더 가깝게 이동하고 머리에서 인산기의 탈수를 유도한다. 또한 콜레스테롤 주변의 3 차원 공간 밀도 분포는 이방성 사슬 패킹을 거쳐서 콜레스테롤이 기울어 짐을 나타냅니다.

/avt-pharma-20230404-58.jpg

도 1. 인지질과 에테르 지질의 분자 구조

실험 방법

소재:

도 2. cheolesterol (CHOL) 및 dihexadecyphosphatidylcholine (DHPC) 의 분자 구조

구성된 모델은 콜레스테롤 (CHOL) 및 디헥사데실포스파티딜콜린 (DHPC) 으로 구성된 지질 이중층이다. 산란 밀도 분포 (SDP) 모델의 원자 이미지는 먼저 표면 장력을 적용하지 않고 MD 시뮬레이션으로 얻은 다음 다른 구조 매개 변수 (지질 영역, 이중층 소수성 층 두께 등) 측정 후, 실험 데이터를 분석하여 모델을 최적화하였다. MD 시뮬레이션은 후기 단계에서 표면 장력에 따라 수행되었고, 콜레스테롤과 다른 지질 사이의 분자 상호 작용을 시뮬레이션 결과와 테스트 결과를 비교함으로써 추가로 분석하였다.

작은 각도 중성자 산란 (SANS):

중성자 시험은 오크릿지 국립연구소에서 EQ-SANS BL-6 SNS를 이용해 실시했다. 총 산란 벡터 Q (0.03 < Q < 0.8 Å^-1) 는 wa의 범위에서 검출기를 사용하여 계산되었다벨벳 (2.5-6.0 Å), 탐지기에서 2.0 m 샘플까지의 거리. 보정 및 노이즈 감소를 위해 SNS에 의해 제공된 소프트웨어를 사용하여, 데이터 분석에 의해 1 차원 (1D) 강도를 얻었다.

작은 각도 X 선 산란 (SAXS):

X-선 데이터는 Cornell High Energy Synchrotron Source G-1 수집되었습니다. 전하 커플러 FLICAM (71 µm 선형 크기, 1,024 1,024 픽셀 배열) 은 시준 된 입사 빔 (0.24 0.24mm) 에서 산란을 감지하는 데 사용되었습니다.²) ULV 샘플에서 1.17 Å의 파장에서 X 선에 의해 조명. 샘플로부터 검출기까지의 거리는 505.8 mm였다. 샘플을 1.5-mm 석영 모세관 튜브로 옮기고, 온도-제어 랙에 넣었다. 산란 강도 (I) 와 산란 벡터 (Q) 사이의 관계는 2 차원 (2D) 데이터의 방사상 평균화를 배경 감산함으로써 얻어졌다. 그런 다음 중성자와 동일한 관계를 사용하여 X 선 형상 인자로 변환됩니다.

분자 역학 시뮬레이션 (MD):

CHARMM-GUI 막 빌더를 사용하여 순수한 DHPC 이중층 (128 DHPC) 및 20 mol % 콜레스테롤 (128 DHPC + 32CHOL) 을 갖는 DHPC 이중층에 대한 좌표를 생성하였다.

에테르 지질 DHPC는 CHARMM-GUI 지질 선택에 포함되지 않았기 때문에 먼저 CHARMM-GUI 사용하여 DPPC 이중층 모델을 구축 한 다음 카르보닐기를 변경해야했습니다 (C = O). DPPC에서 메틸렌 그룹 (CH₂) DHPC에서. 4,300-4,800 물 분자를 첨가함으로써 시스템을 용매화시키고, 전하 균형을 위해 충분한 NaCl을 도입하였다. NAD 패키지 (버전 2.816) 및 CHARMM 36 지질력 필드를 MD 시뮬레이션에 사용하였다. 특정 포스 필드 최적화 및 MD 매개 변수 설정에 대해서는 원본 텍스트와 지원 문서를 참조하십시오.

도 3. MD 시뮬레이션 시스템 및 DHPC 이중층 시스템 구축

(A) 지질 이중층이 5 가지 성분 (색 분화) 으로 분해되는 동형 이중층 시스템: 적색-메틸 (CH)₃); 블랙-글리세롤 백본 + 에테르 결합; 라이트-블루-메틸렌 (CH₂); 보라색-머리 그룹 (인산염 라디칼 + CH₂CH₂N); 및 황색-콜린 말단 트리메틸.

결과:

도 4. 다른 비교 실험 요인에 의한 SDP 모델의 해명

(지질 조성물은 분석 기능 (즉, 가우스 함수 및 오류 함수), 물 함량은 전체 리포솜 적분으로 보완하여 결정됩니다. A: 중성자 산란; b: x-선 산란; c: 총 전자 밀도; d: 중성자 산란 길이 밀도; e: 부피 분포. 참고: 색상 설명은 그림 3 과 일치합니다.)

도 4. 다른 대비 실험을위한 중성자와 X 선 모양 인자 간의 직접 비교

도 5. 20 mol % 콜레스테롤과 DHPC를 포함하는 이중층의 MD 시뮬레이션

도 6. DHPC 이중층에 대한 대표적인 구조적 파라미터의 변화 대 콜레스테롤의 농도

(콜레스테롤의 순서 효과는 콜레스테롤 농도가 증가함에 따라 표면 지질 영역의 감소, 지질 막 이중층 두께 D의 증가로 입증됩니다._B및 탄화수소 두께 2D_C, 그리고 콜레스테롤의 응집 효과의 대략 선형 변화.)

도 7. 20 mol % 콜레스테롤로 구성된 DHPC 이중층 막에 대한 서로 다른 실험 형태 인자와 고정 단위 세포 영역에서 NAPnT 키네틱 시뮬레이션으로 계산 된 폼 팩터 간의 직접 비교

그림. 8. 인산염 라디칼 (a) 과 콜레스테롤의 하이드 록실 그룹 (-OH), 콜린의 N 원자 (b), 주쇄 에테르 그룹 (-O-, c), 그리고 자유수 중의 산소 원자 (2.7 Å에서 인산염 라디칼과 물에 대해 날카로운 피크가 관찰되었습니다. 4 Å에서 콜린의 N 원자에 대해 넓은 피크가 관찰되었다.)

도 9. 도 8 의 RDF 분포에 기초하여 CHOL-OH 인근 지질 사이의 수소 결합 (오렌지는 잠재적인 수소 결합 및 정전기 상호작용을 나타낸다).

도 10. 이중층의 정상에 대한 콜레스테롤의 평면 테트라루프의 불순물. 콜레스테롤은 막에 수직으로 분포하지 않고 특정 각도로 분포합니다. 대부분의 콜레스테롤은 20 ° 기울기 분포를 가지고 있습니다.

도 11. 콜레스테롤 근처의 지방족 탄화수소 사슬의 3D 밀도 분포. 이방성 사슬 패킹은 콜레스테롤 테트라 루프와 관련이 있으며 고밀도 사슬 패킹도 고리의 매끈한 얼굴 근처에서 발생합니다.

결론:

이 연구는 시뮬레이션과 실험을 결합했습니다. SANS 및 SAXS를 사용하여 에테르 지질 이중층에서 콜레스테롤의 분자 위치 및 배향을 조사하였다. 이중층의 상이한 산란 특성에 대한 원인을 MD 시뮬레이션에 의해 추가로 분석하였고, 이는 실험 데이터를 분석하기 위한 SDP 모델의 기초를 형성하였다. 대조적으로, MD 시뮬레이션의 신뢰성 및 신뢰성을 향상시키고 콜레스테롤과 에테르 지질 사이의 분자 상호작용을 결정하기 위해 실험적으로 얻어진 구조적 파라미터를 사용하여 모델 파라미터를 추가로 최적화하였다. 일반 아실 인지질과 콜레스테롤 사이의 분자 상호 작용은 또 다른 것입니다.

구체적으로:

에테르 지질로 구성된 이중층에서 콜레스테롤의 하이드 록실 그룹 (-OH) 은 인산염 그룹에서 산소와 수소 결합을 형성하는 반면, 일반 인지질에서는, 하이드 록실 그룹은 인지질 지방으로 인해 카르보닐 그룹 (C = O) 과 수소 결합을 형성하는 경향이 있습니다.에스테르 그룹의 존재. 상호 작용의 이러한 차이는 콜레스테롤 수송을 매개하는데 아세탈 인지질 (에테르 지질) 이 작용하는 중요한 역할을 설명할 수 있다. 더 중요한 것은, 본 연구에서, 막 환경에서 상이한 분자 사이의 상호작용은 지질의 화학적 조성을 변화시킴으로써 추가로 조절되었다.

콜레스테롤 포함콜레스테롤 HP, 유기체에서 큰 역할을하며 또한 중요한 제약 부형제입니다. AVT는 식물 유래 콜레스테롤을 공급합니다. 자세한 내용은 저희에게 연락하십시오.

참조:

[1]. 딘 JM, 로디 IJ.에테르 지질의 구조적 및 기능적 역할.단백질 세포. 2018;9(2):196-206. doi:10.1007/s13238-017-0423-5

[2]. Pan J, Cheng X, Heberle FA, Mostofian B, Kučerka N, Drazba P, Katsaras J. 산란 및 분자 역학 시뮬레이션에 의해 결정된 에테르 인지질과 콜레스테롤 사이의 상호 작용. J Phys Chem B. 12 월 27 일 2012; 116(51):14829-38. Doi: 10.1021/jp310345j. Epub 2012 12 월 13 일. PMID: 23199292; PMCID: PMC3539752.