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Determinants of water and ion permeation through nanopores studied by Molecular Dynamics simulations

Untersuchung der bestimmenden Faktoren der Wasser- und Ionenpermeation durch Nanoporen mit Hilfe von Molekulardynamik- Simulationen

by Guillem Portella Carbó
Doctoral thesis
Date of Examination:2008-04-30
Date of issue:2008-05-27
Advisor:Prof. Dr. Ulf Diederichsen
Referee:Prof. Dr. Helmut Grubmüller
crossref-logoPersistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-3472

 

 

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Name:portella_carbo.pdf
Size:3.43Mb
Format:PDF
Description:Dissertation
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Abstract

English

Membrane channels facilitate the transport of matter through the cell membrane, and therefore play a crucial role in life. The knowledge of the structure-permeability relationships in model channels is essential for the understanding of natural membrane channels and for the design of novel channels with desired characteristics. The aim of this thesis is towards the characterization of the critical fundamental factors that determine water and ion permeation through channels of molecular dimensions. To this end, we performed atomistic molecular dynamics simulations to extract crucial energetic and dynamic properties underlying water and ion permeation in nanopores with different geometries and polarities. First, we show that a systematic approach where only one property is varied at the time is required. We then use a series of designed peptidic channels that permeate water in single-file regime to isolate the influence of the channel length on the water mobility. The extension of the channel is found to have no impact on the water mobility. In contrast, we show that the polarity of the channels strongly influences the water permeability, ranging from almost empty pores to tightly adsorbed water molecules. The channel polarity corresponding to the natural peptidic channels is found to be close to optimal for water permeation. The water mobility within a given water-pore affinity remains invariant with the length. Moreover, by systematically varying the radius and the polarity of model pores, we find a strong effect of the pore radius and polarity on the water pore occupancy and water permeability over a range of radii of 0.4 nm. Water permeabilities span two orders of magnitude as the pore radius increases, approaching the macroscopic radial dependence at large radii. Finally, we show that free energy barriers for ion permeation through single-file pores display a strong length dependence. A central barrier emerges until saturation as the channels elongates, correlating with desolvation of the ion from the bulk. Whereas the main contribution to the ion permeation free energy barrier is found to be entropic, the length dependence of the permeation barrier is dictated by the enthalpic contribution. Implications of the presented results for the understanding of natural channels and for the design of novel channels are discussed throughout this thesis.
Keywords: water permeation; ion permeation; nonopores; computer simulations; permeability coefficients; single-file diffusion

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Membrankanäle ermöglichen den Transport von Stoffen durch die Zellmembran und spielen somit eine wichtige Rolle in vielen Lebensprozessen. Grundlegend ist hierbei der Zusammenhang zwischen Struktur und Permeabilität. Untersuchungen an Modellkanälen können wesentlich zum Verständnis natürlicher Membrankanäle und für die Entwicklung neuartiger Kanäle mit spezifischen Eigenschaften beitragen. Ziel dieser Dissertation ist die Charakterisierung der kritischen Faktoren, die die Permeation von Wasser und Ionen durch molekulare Kanäle bestimmen. Wir haben atomistische Moleküldynamik- Simmulationen durchgeführt, um Einblicke in die entscheidenden energetischen und dynamischen Eigenschaften zu gewinnen, die der Wasser- und Ionenpermeation durch Nanoporen unterschiedlicher Geometrie und Polarität zu Grunde liegen. Zunächst zeigen wir, dass für diese Studie ein systematischer Ansatz notwendig ist, bei dem nur jeweils eine Eigenschaft des Kanals variiert wird. Anschließend verwenden wir eine Reihe von modellierten Peptidkanälen, die von Wasser in "single-file"-Ordnung durchtreten werden, um den Einfluss der Kanallänge auf die Wassermobilität isoliert untersuchen zu können. Wir beobachten, dass die Ausdehnung des Kanals keine Auswirkung auf die Wassermobilität hat. Im Gegensatz dazu zeigen wir, dass die Polarität der Kanäle starke Auswirkungen auf die Permeabilität hat, die von beinahe leeren Poren bis zu fest absorbierten Wassermolekülen reichen. Es zeigt sich, dass eine Polarität, die der natürlicher Peptidkanäle entspricht, für die Wasserpermeation optimal ist. Bei gegebener Affinität des Wassers zur Pore bleibt die Wassermobilität dagegen unabhängig von der Kanallänge. Weiterhin beobachten wir durch systematische Variation des Radius und der Polarität von Modellporen einen starken Einfluss auf die Wasserbesetzung und -permeabilität der Pore. Wenn der Radius über einen Bereich von 0.4 nm vergrößert wird, nimmt die Wasserpermeabilität bis zu zwei Grössenornungen zu und nähert sich bei großen Radien der makroskopischen radialen Abhängigkeit. Schließlich zeigen wir, dass Freie-Energie-Barrieren für die Permeation von Ionen durch "single-file"-Kanäle eine starke Längenabhängigkeit aufweisen. Mit zunehmender Länge erhöht sich die zentrale Barriere bis zu einer Sättigung, die mit der Desolvatisierung des Ions korreliert ist. Während der Hauptanteil an der Freien-Energie-Barriere für die Ionenpermeation als entropischer Beitrag identifiziert wurde, ist die Längenabhängigkeit der Permeationsbarriere vom enthalpischen Beitrag dominiert. Die Folgerungen aus den vorliegenden Ergebnissen für das Verständnis von natürlichen Kanälen und das Modellieren neuartiger Kanäle werden in dieser Dissertation besprochen.
Schlagwörter: Wasser permeation; Ionen permeation; Nanoporen; Computersimulationen; Permeabilitätskoeffizienten; single-file Diffusion
 

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