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

Abstract

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.