Monovalent monatomic ions in biological environments : insights from computational biophysics studies

Zhang, Chao; Carloni, Paolo

doi:4417

Monovalent monatomic ions in biological environments : insights from computational biophysics studies = Monovalente einatomige Ionen in biologischen Umgebungen : Erkenntnisse durch computergestützte Biophysik-Studien

Zhang, Chao

2012 & 2013

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Chao Zhang

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2012

Umfang6 Bl., 138 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Ausgezeichnet mit dem Jülicher Exzellenz-Preis für Nachwuchswissenschaftler/innen 2013. Prüfungsjahr: 2012. - Publikationsjahr: 2013

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Carloni, Paolo (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2012-12-04

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-44171
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/211806/files/4417.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ion (Genormte SW) ; Molekularbewegung (Genormte SW) ; Protonentransfer (Genormte SW) ; Grenzfläche (Genormte SW) ; Naturwissenschaften (frei) ; molecular dynamics (frei) ; interfaces (frei) ; ions (frei) ; proton migration (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 500
pacs: 87.10.Tf 8

Kurzfassung
Monovalente einatomige Ionen (Na+, K+, Cl-, H+) sind in biologischen Systemen allgegenwärtig. Sie sind für verschiedene Funktionen des Lebens, wie etwa die Aufrechterhaltung des Herzschlags und die Umwandlung von Energie aus Nahrung, unverzichtbar. Ergänzend zu Experimenten bieten molekulare Simulationen ein computergestütztes Mikroskop, um die Struktur, Dynamik und Energetik dieser Ionen in biologischen Umgebungen zu untersuchen. Eine große Herausforderung für theoretische Studien ist die genaue Modellierung der Potentialhyperfläche dieser Ionen in komplexen Umgebungen. In dieser Arbeit ist der Schwerpunkt auf die Anwendung sowohl klassischer Molekulardynamik (MD) als auch Dichtefunktional-Theorie basierter MD-Simulationen gelegt, um intermolekulare Wechselwirkungen zwischen monovalenten einatomigen Ionen mit Wasser und hydrophoben Flüssigkeiten - zwei natürliche Umgebungen für Biomoleküle – zu verstehen.1) Die Qualität der verschiedenen in MD-Simulationen verwendeten Ionen-Modelle für Na+, K+, Cl- bei höherer Ionenstärke wurde durch die Simulation von nicht-idealen Eigenschaften der einzelnen Ionen, z. B. des überschüssigen elektrochemischen Potentials, sowie durch den Vergleich mit experimentellen Daten nachgewiesen. Dies erlaubt eine kritische Bewertung der Anwendungsgebiete dieser häufig verwendeten Ionen-Modelle. Die validierten Ionen-Modelle für Na+, K+, Cl- ebnen den Weg für weitere Studien von Biomolekülen in Elektrolytlösungen.2) Genaue Informationen über Verteilungen von Ionen und Wassermolekülen an biologischen Grenzflächen sind aufgrund der großen Schwankungen der Grenzfläche schwer zu erhalten. Um solche Schwierigkeiten zu überwinden, wurden Analyse-Werkzeuge basierend auf der kürzlich vorgeschlagenen Definition der momentanen Grenzfläche für die Verwendung mit MD-Simulationen entwickelt. Es wurde hier gezeigt, dass diese Werkzeuge in der Lage sind, den Einfluss von Na+, K+, Cl- auf Wasser/hydrophobe Flüssigkeits-Grenzflächen zu offenbaren, wobei die in der vorhergehenden Studie validierten Ionen-Modelle verwendet wurden. Die Werkzeuge sind allgemein für die Analyse von Flüssig/Flüssig-Grenzflächen anwendbar und werden anschließend in den nachfolgenden Untersuchungen eingesetzt.3) Protonentransport spielt eine wichtige Rolle im Stoffwechsel der Zellen, etwa bei der Bildung von Adenosintriphosphat (ATP), der Hauptenergiequelle in der Biologie. Die Zellmembranoberfläche ein Hauptweg für Protonentransport. Ein seit langem bestehendes experimentell beobachtetes Rätsel besteht darin, die schnelle Protonenwanderung an der Grenzfläche mit der starken Bindung an die Membranoberfläche in Einklang zu bringen. In enger Zusammenarbeit mit experimentellen Gruppen wurden sowohl Energetik und Dynamik eines zusätzlichen Protons H+ durch umfangreiche ab initio Molekulardynamik Simulationen unter Verwendung eines minimalistischen Modells (Wasser/hydrophobe Grenzfläche) untersucht. Mit etwa 1800 Atomen insgesamt war dieses eines der größten vollständig mit Quantenmechanik untersuchten Systeme in der Biophysik. Die Bewältigung des riesigen Rechenaufwands wurde vollständig durch die Initiative Partnership for Advanced Computing in Europe (PRACE) gefördert. Es wurde zum ersten Mal gezeigt, dass die Protonen schnell entlang der zweiten Schicht der Grenzflächen-Wassermoleküle diffundieren können und dabei gleichzeitig ausreichende Anziehungskräfte erfahren, um die Freisetzung in das Umgebungswasser zu verhindern. Diese Ergebnisse bieten eine neue Perspektive für die effiziente Bewegung von Protonen auf Zellmembranen, eine der wichtigsten Fragen für das Verständnis bioenergetischer Prozesse.Basierend auf dieser Abfolge von computergestützten biophysikalischen Studien werden die neuen Erkenntnisse über die grundlegenden Eigenschaften der monovalenten einatomigen Ionen in biologischen Umgebungen den Weg für weitere fortgeschrittene Untersuchungen ebnen.

Monovalent monoatomic ions (Na+, K+, Cl-, H+) are ubiquitously present in biological systems. They are indispensable for various life functions, such as keeping the heart beating and converting the energy from food. Complementary to experiments, molecular simulations indeed provide a computational microscope to probe the structure, dynamics and energetics of these ions in biological environments. One big challenge of computational studies is to accurately model the potential energy surface of these ions in complex environments. In this thesis, I am focusing on applying both classical molecular dynamics (MD) and density functional theory based MD simulations to understand intermolecular interactions between monovalent monatomic ions with water and hydrophobic liquids - two natural environments for biomolecules.1) The quality of different ion models used in MD simulations for Na+, K+, Cl- at higher ionic strength was established by simulating non-ideal properties of single ions, e.g. the excess electrochemical potential, and comparison with experimental data. This provides a critical benchmark on the domain of applicability of these commonly used ion models. The validated ion models for Na+, K+, Cl- pave the way for further studies of biomolecules in electrolyte solutions.2) The accurate information about distributions of ions and water molecules at biological interfaces is difficult to obtain due to large fluctuations of the interface. To overcome such difficulties, analysis tools based on the recently proposed definition of instantaneous interface were developed for use with MD simulations. It was demonstrated here that these tools are capable of revealing the influence of Na+, K+, Cl- on water/hydrophobic liquid interfaces, using ion models validated in the preceding study. The tools are applicable for analyzing liquid/liquid interfaces in general and subsequently used in the following study.3) Proton transport plays a key role in cell metabolism, such as the formation of adenosine triphosphate (ATP), the main energy source in biology. The cell membrane surface is a major pathway for proton transport. A long-standing experimentally observed puzzle is how to reconcile fast interfacial proton migration with strong binding to the membrane surface. In close collaboration with experimental groups, both energetics and dynamics of an excess proton H+ were investigated by large scale ab initio molecular dynamics simulations using a minimalistic model (water/hydrophobic interface). With about 1800 atoms in total, this system was one of the largest investigated in biophysics entirely by quantum mechanics. The huge computation was fully supported by the Partnership for Advanced Computing in Europe (PRACE). It was demonstrated for the first time that the protons can diffuse fast along the second layer of the interfacial water molecules while experiencing sufficient attractive forces to prevent release to bulk water. These findings provide a new perspective on the efficient motion of protons on cell membranes, one of the key questions for understanding bioenergetic processes.Through this sequence of computational biophysical studies, new insights on fundamental properties of monovalent monoatomic ions in biological environments will open the way for further advanced investigations.

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