dc.contributor.advisor | Diederichsen, Ulf Prof. Dr. | de |
dc.contributor.author | Portella Carbó, Guillem | de |
dc.date.accessioned | 2013-01-22T15:48:22Z | de |
dc.date.available | 2013-01-30T23:50:59Z | de |
dc.date.issued | 2008-05-27 | de |
dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-000D-F16A-8 | de |
dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.53846/goediss-3472 | |
dc.description.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. | de |
dc.format.mimetype | application/pdf | de |
dc.language.iso | eng | de |
dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/ | de |
dc.title | Determinants of water and ion permeation through nanopores studied by Molecular Dynamics simulations | de |
dc.type | doctoralThesis | de |
dc.title.translated | Untersuchung der bestimmenden Faktoren der Wasser- und Ionenpermeation durch Nanoporen mit Hilfe von Molekulardynamik- Simulationen | de |
dc.contributor.referee | Grubmüller, Helmut Prof. Dr. | de |
dc.date.examination | 2008-04-30 | de |
dc.subject.dnb | 540 Chemie | de |
dc.subject.gok | SD 000 | de |
dc.subject.gok | RJM 200 | de |
dc.description.abstracteng | 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. | de |
dc.subject.topic | Mathematics and Natural Science | de |
dc.subject.ger | Wasser permeation | de |
dc.subject.ger | Ionen permeation | de |
dc.subject.ger | Nanoporen | de |
dc.subject.ger | Computersimulationen | de |
dc.subject.ger | Permeabilitätskoeffizienten | de |
dc.subject.ger | single-file Diffusion | de |
dc.subject.eng | water permeation | de |
dc.subject.eng | ion permeation | de |
dc.subject.eng | nonopores | de |
dc.subject.eng | computer simulations | de |
dc.subject.eng | permeability coefficients | de |
dc.subject.eng | single-file diffusion | de |
dc.subject.bk | 35.00 | de |
dc.subject.bk | 35.06 | de |
dc.subject.bk | 35.10 | de |
dc.subject.bk | 42.12 | de |
dc.identifier.urn | urn:nbn:de:gbv:7-webdoc-1798-6 | de |
dc.identifier.purl | webdoc-1798 | de |
dc.identifier.ppn | 617896399 | de |