evaluación del comportamiento del colesterol en una bicapa

httppolodelconocimientocomojsindexphpes

Pol Con (Edicioacuten nuacutem 47) Vol 5 No 07

Julio 2020 pp 1072-1089

ISSN 2550 - 682X

DOI 1023857pcv5i71565

Evaluacioacuten del comportamiento del colesterol en una bicapa lipiacutedica de DPPC y

DPPS usando dinaacutemica molecular

Assessment of cholesterol behavior in a lipid bilayer of DPPC and DPPS using

molecular dynamics

Avaliaccedilatildeo do comportamento do colesterol em uma bicamada lipiacutedica de DPPC e

DPPS usando dinacircmica molecular

Katherine Estefany Venegas-Guaman I

ktvenegas02gmailcom

httpsorcidorg0000-0003-0801-5525

Dalinda Ilena Quingatuntildea-Cali II

dquingatunaespocheduec


Rosa Maricela Ormaza-Hugo III

rormazaespocheduec


Correspondencia ktvenegas02gmailcom

Ciencias de la Salud

Artiacuteculo de investigacioacuten

Recibido 18 de mayo de 2020 Aceptado 20 de junio de 2020 Publicado 22 de julio de 2020

I Biofiacutesica Oficial de Seguridad Radioloacutegica SUREDIAGNOSTICS CIA LTDA

Investigadora independiente Quito Ecuador

II Biofiacutesica Docente Escuela Superior Politeacutecnica de Chimborazo Riobamba Ecuador

III Maacutester Universitario en Fiacutesica Biofiacutesica Grupo de Investigacioacuten de Materiales Especiales

Facultad de Ciencias Escuela Superior Politeacutecnica de Chimborazo Riobamba Ecuador

1073 Pol Con (Edicioacuten nuacutem 47) Vol 5 No 07 julio 2020 pp 1072-1089 ISSN 2550 - 682X

Evaluacioacuten del comportamiento del colesterol en una bicapa lipiacutedica de DPPC y DPPS usando dinaacutemica

molecular

Resumen

Se utilizoacute Charmm-GUI para construir cinco modelos moleculares de bicapas lipiacutedicas que

contienen 200 liacutepidos de Dipalmitoilfosfatidilcolina (DPPC) y Dipalmitoilfosfatidilserina (DPPS)

con concentraciones de colesterol (CHL1) de 0 153050 y 70 para evaluar el comportamiento

no ideal (efecto de condensacioacuten) Se realizaron una serie de simulaciones de Dinaacutemica

Molecular usando Gromacs a traveacutes de la minimizacioacuten de energiacutea y el equilibramiento de los

sistemas moleculares usando ensambles NVT y NPT a una temperatura de 315K para un total de

10ns Se determinaron las variables aacuterea molecular tensioacuten superficial y elasticidad de Gibbs

para cada modelo Asimismo se evaluoacute la elasticidad de Gibbs dando como resultado rigidez en

la bicapa cuando esta tiene 70 de colesterol en su composicioacuten El sistema con mayor

flexibilidad fue la bicapa lipiacutedica con 30 de colesterol El comportamiento de la presioacuten

superficial y elasticidad de Gibbs de las simulaciones con respecto a los resultados

experimentales son semejantes demostrando el comportamiento no ideal del colesterol frente a

los fosfoliacutepidos afectando las propiedades de las bicapas lipiacutedicas y por ende la funcionalidad de

las ceacutelulas

Palabras claves Modelos moleculares dinaacutemica molecular DPPC y DPPS biofiacutesica

Abstract

Charmm-GUI was used to construct five molecular models of lipid bilayers containing 200 lipids

of Dipalmitoilfosfatidilcolina (DPPC) and Dipalmitoilfosfatidilserina (DPPS) with cholesterol

concentrations (CHL1) of 0 153050 and 70 to evaluate the behavior no ideal (condensation

effect) A series of Molecular Dynamics simulations were performed using Gromacs through

energy minimization and balancing of molecular systems using NVT and NPT assemblies at a

temperature of 315K for a total of 10ns Variables were determined molecular area surface

tension and Gibbs elasticity for each model Also the elasticity of Gibbs was evaluated resulting

in stiffness in the bilayer when it has 70 cholesterol in its composition The system with the

greatest flexibility was the lipid bilayer with 30 cholesterol The behavior of the surface

pressure and Gibbs elasticity of the simulations with respect to the experimental results are

similar demonstrating the non-ideal behavior of cholesterol against phospholipids affecting the

properties of lipid bilayers and therefore the functionality of cells

Keywords Molecular models molecular dynamics DPPC and DPPS biophysics


Katherine Estefany Venegas Guaman Dalinda Ilena Quingatuntildea Cali Rosa Maricela Ormaza

Hugo

Resumo

A Charmm-GUI foi utilizada para construir cinco modelos moleculares de bicamadas lipiacutedicas contendo

200 lipiacutedios de Dipalmitoilfosfatidilcolina (DPPC) e Dipalmitoilfosfatidilserina (DPPS) com concentraccedilotildees

de colesterol (CHL1) de 0 153050 e 70 para avaliar o comportamento natildeo ideal (efeito de condensaccedilatildeo)

Uma seacuterie de simulaccedilotildees de Dinacircmica Molecular foi realizada usando Gromacs atraveacutes da minimizaccedilatildeo de

energia e balanceamento de sistemas moleculares usando conjuntos NVT e NPT a uma temperatura de

315K por um total de 10ns As variaacuteveis foram determinadas aacuterea molecular tensatildeo superficial e

elasticidade de Gibbs para cada modelo Aleacutem disso foi avaliada a elasticidade de Gibbs resultando em

rigidez na bicamada quando possui 70 de colesterol em sua composiccedilatildeo O sistema com maior

flexibilidade foi a bicamada lipiacutedica com 30 de colesterol O comportamento da pressatildeo superficial e da

elasticidade de Gibbs das simulaccedilotildees em relaccedilatildeo aos resultados experimentais eacute semelhante demonstrando o

comportamento natildeo ideal do colesterol contra os fosfolipiacutedios afetando as propriedades das bicamadas

lipiacutedicas e portanto a funcionalidade das ceacutelulas

Palavras-chave Modelos moleculares dinacircmica molecular DPPC e DPPS biofiacutesica

Introduccioacuten

El colesterol como componente de la membrana incide en su fluidez a medida que la

concentracioacuten aumenta o disminuye existen cambios en las propiedades de las membranas

Asimismo influye sobre la estructura y la dinaacutemica de las bicapas lipiacutedicas El estudio de este

fenoacutemeno denominado comportamiento no ideal de las capas lipiacutedicas tiene gran importancia

para comprender diversos procesos bioloacutegicos (Venegas2018)

A partir del antildeo 1925 se realizaron estudios experimentales con respecto a la influencia

fisioloacutegica del colesterol en la modificacioacuten del comportamiento de la lecitina en peliacuteculas que

conteniacutean una solucioacuten de ambas sustancias Se observoacute un comportamiento no ideal donde el

aacuterea molecular disminuye en presencia del colesterol (Leathes 1925) Este comportamiento no

ideal se denomina efecto de condensacioacuten y ha sido investigado por muchos antildeos para

comprender mecanismos como la fluidez de la membrana y la modulacioacuten de la funcioacuten de las

proteiacutenas de membrana debido a su relacioacuten con la importancia del colesterol (McConnell et al

2003)



molecular

Por otra parte la Dinaacutemica Molecular es un tipo de simulacioacuten molecular computacional que

permite analizar el comportamiento o evolucioacuten de un sistema (fiacutesico quiacutemico o bioloacutegico) a

traveacutes del tiempo (Lozano Aponte et al 2014) para generar las trayectorias de un sistema

compuesto de N partiacuteculas por integracioacuten numeacuterica directa de las ecuaciones de movimiento de

Newton con especificaciones de un potencial de interaccioacuten inter-atoacutemico de condiciones

iniciales y de frontera adecuadas MD es un meacutetodo de modelado y simulacioacuten a nivel atomiacutestico

cuando las partiacuteculas en cuestioacuten son los aacutetomos que constituyen el material o sistema de estudio

(Cai et al 2012) En cuanto a las simulaciones de Dinaacutemica molecular es resolver las ecuaciones

del movimiento para asiacute obtener una trayectoria del sistema en funcioacuten del tiempo Para calcular

las posiciones y velocidades de cada aacutetomo en un instante de tiempo se usa algoritmos numeacutericos

(numerical integrators) Los maacutes utilizados son el algoritmo del salto de rana (leapfrog algorithm)

y el algoritmo de velocidad-Verlet (velocity Verlet algorithm) (Serrano 2013)

Con estos antecedentes este artiacuteculo presenta la Evaluacioacuten del comportamiento no ideal de una

bicapa lipiacutedica de DPPC y DPPS con diferentes concentraciones de Colesterol usando Dinaacutemica

Molecular

Metodologiacutea

Mediante una metodologiacutea experimental se construyoacute modelos moleculares utilizando una

interfaz graacutefica en la web CHARMM-GUI que es un software especializado para la dinaacutemica y

mecaacutenica de sistemas macro-moleculares el cual permitioacute generar varios sistemas para la

simulacioacuten molecular con sus respectivos archivos de entrada para agilizar y facilitar el uso de

teacutecnicas de simulacioacuten comunes y avanzadas Dentro de esta interfaz se encuentra una

herramienta para la construccioacuten de bicapas lipiacutedicas llamada Membrane Builder que genera una

serie de entradas para la construccioacuten de complejos proteiacutenamembrana y membranas solas para

la simulacioacuten de MD

Del mismo modo la Dinaacutemica Molecular de los modelos moleculares se realizoacute en GROMACS

(httpwwwgromacsorg) Un software open source que opera mediante liacuteneas de comando y

usa archivos de entrada y salida Ademaacutes soporta diferentes campos de fuerzas por lo que hace

que Gromacs sea muy flexible Trabaja con campos de fuerza CHARMM AMBER GROMOS

etc Tiene varias herramientas para el anaacutelisis de los resultados obtenidos durante la simulacioacuten



Hugo

Asimismo para la visualizacioacuten de los modelos moleculares se utilizoacute el software VMD que

permite visualizar animar y analizar grandes sistemas bioloacutegicos utilizando graacuteficos en 3D Es

compatible con GROMACS y provee de una gama de representaciones para los aacutetomos del

sistema

Una herramienta que se puede ejecutar dentro del entorno de VMD para el anaacutelisis de

simulaciones de bicapas lipiacutedicas es Membplugin Mediante algoritmos se puede medir un

conjunto de propiedades bio-fiacutesicas de las membranas simuladas (Baez2014)

Construccioacuten y dinaacutemica molecular de modelos moleculares

Los sistemas de bicapa de liacutepidos se construyeron usando Membrane Builder de CHARMM-

GUI siguiendo los pasos a continuacioacuten listados

Determinacioacuten del tamantildeo del sistema Se establecioacute el tamantildeo y forma del sistema el nuacutemero y

tipo(s) de liacutepido(s) para el sistema y el nuacutemero de moleacuteculas de agua Se establecioacute la forma de

la caja rectangular Se colocaron un total de 200 moleacuteculas de liacutepidos distribuidos en la capa

superior e inferior de la bicapa lipiacutedica El nuacutemero de liacutepidos que se colocoacute en cada sistema se

muestran en la Tabla1 Se establecioacute que por cada moleacutecula de liacutepido se antildeade 25 moleacuteculas de

agua (TIP3) para solvatar el sistema

Tabla 1 Nuacutemero de moleacuteculas de liacutepidos

Fuente Autores 2018

Generacioacuten de componentes Se generaron una cantidad de iones especificados La

configuracioacuten inicial de los iones se determinoacute por medio de simulaciones de Monte Carlo Las

moleacuteculas de agua se generan y las pseudo-esferas son reemplazadas por las moleacuteculas de liacutepidos

(Lucas Rubio y Fernaacutendez2018)



molecular

Ensamble de los componentes Todos los componentes se acoplaron en un sistema Se aplicoacute un

campo de fuerza CHARMM36 validado en estudios previos

Equilibrio del sistema CHARMM-GUI generoacute archivos de entrada para el equilibrio del

sistema la minimizacioacuten de energiacutea y la produccioacuten La minimizacioacuten de energiacutea se realizoacute a

5000 pasos

El equilibrio del sistema se realizoacute en dos fases NVT y NPT La primera fase es maacutes corta que la

segunda debido a la heterogeneidad del sistema ya que estaacute compuesto por moleacuteculas de liacutepidos

y agua que actuacutean como solventes Las moleacuteculas de agua deben orientarse alrededor de las

cabezas hidrofiacutelicas mediante la estabilizacioacuten de la temperatura T

Fase 1 El sistema fue sometido dos veces a una temperatura de 315K con un ensamble

NVT un termostato V-rescale El tiempo de simulacioacuten de cada equilibrio NVT fue de

25000 pasos (corresponde a 100ps = 01ns)

Fase 2 Se procedioacute a aplicar el ensamble NPT para optimizar el volumen del sistema y

equilibrar la presioacuten El sistema fue sometido cuatro veces a una temperatura de 315K y 1

atm Se utilizoacute un termostato V-rescale y barostato Parrinello-Rahman El tiempo de

simulacioacuten para cada equilibrio NPT fue primero de 25000 pasos los tres restantes de 50000

pasos

Para la produccioacuten final se ejecutaron 500000 pasos correspondientes a 1ns de simulacioacuten del

sistema Se realizaron 9 extensiones de tiempo del sistema teniendo como resultado una

simulacioacuten de 10ns

Caacutelculo del aacuterea molecular presioacuten superficial y elasticidad de Gibbs

Para evaluar el comportamiento no ideal de las capas lipiacutedicas con diferentes concentraciones de

colesterol se calculoacute tres paraacutemetros que definen tal comportamiento aacuterea molecular tensioacuten

superficial y elasticidad de Gibbs

Aacuterea molecular Para el caacutelculo de aacuterea molecular se empleoacute Membplugin de VMD Se siguioacute

los pasos seguacuten el Manual Membplugin Ademaacutes se requirioacute el archivo de estructura gro y el

archivo de trayectoria xtc de 10ns para el caacutelculo de cada una de las simulaciones Se utilizoacute una

seleccioacuten personalizable de un aacutetomo clave o triada de aacutetomos de cada tipo de fosfoliacutepidos que se

encuentran en las bicapas



Hugo

Las coordenadas X e Y del conjunto seleccionado de puntos se proyectaron en un plano

delimitado por el cuadro de simulacioacuten Este plano se dividioacute posteriormente en poliacutegonos a

traveacutes de un diagrama de Voronoi utilizando el programa qvoronoi del paquete Qhull (Barber et

al 1996) De ese modo se calcula el aacuterea de cada poliacutegono

Se requiere que las trayectorias esteacuten envueltas seguacuten las condiciones de contorno perioacutedicas Se

rodearon en tiempo de ejecucioacuten las trayectorias usando el comando ldquoWraprdquo o el paraacutemetro de

liacutenea de comando ldquo-wrapcmdrdquo en la consola TK de VMD

Se seleccionoacute las capas a analizar Al tratarse de bicapas lipiacutedicas se selecciona 0 y 1 que

corresponden a la capa superior e inferior respectivamente Ademaacutes se definioacute el nuacutemero de

fotograma inicial y final de la simulacioacuten

Tensioacuten Superficial Mediante gmx energy de Gromacs se calculoacute la tensioacuten superficial

promedio de cada una de las bicapas lipiacutedicas en cada nanosegundo de la simulacioacuten (10 ns)

La tensioacuten superficial en Gromacs tambieacuten estaacute definido como la suma total de todas las

superficies de la simulacioacuten como se muestra en la ecuacioacuten

120574119904 = 120574119898 + 120574119908119907

Donde 120574119898 es la tensioacuten superficial de la mono-capa 120574119908119907 es la tensioacuten superficial de la inter-fase

aguavaciacuteo Gromacs recomienda que el caacutelculo total de la tensioacuten superficial de una bicapa

lipiacutedica sea dividido para dos ya que el valor calculado considera que se trata de una mono-capa

lipiacutedica

El caacutelculo de la presioacuten superficial π se realizoacute mediante la ecuacioacuten La tensioacuten superficial de la

inter-fase aguaaire se tomoacute el valor experimental de 70mNm debido a que la presioacuten superficial

solo representa una conversioacuten no un caacutelculo (Rose et al 2008)

Elasticidad de Gibbs La elasticidad de Gibbs se calculoacute con la siguiente ecuacioacuten

Donde 119860 es el aacuterea de la superficie (en este caso la superficie es la bicapa lipiacutedica) y 120574 es la

tensioacuten superficial



molecular

Resultados

Construccioacuten y Dinaacutemica Molecular de modelos moleculares

Al establecer las medidas del sistema Membrane Builder reveloacute la informacioacuten inicial del

sistema

Tabla 2 Tamantildeo de los sistemas determinados

Fuente Vanegas 2018

Las pseudoesferas generadas fueron reemplazadas con las moleacuteculas de liacutepidos

Graacutefico 1 Reemplazo de pseudoesferas por las cabezas hidrofiacutelicas de los liacutepidos

Realizado por Katherine Venegas 2018

Se generaron los componentes de agua e iones de Na para neutralizar el sistema debido a la carga

negativa del DPPS Ademaacutes se generaron 11 archivos para Gromacs que contienen la estructura



Hugo

la informacioacuten y los paraacutemetros adecuados para continuar con la Dinaacutemica Molecular de los

modelos moleculares

indexndx iacutendice

topoltop topologiacutea

step5_charmm2gmxpdb archivo de estructura

step60_minimizationmdp minimizacioacuten de energiacutea

step6 [1-2] _equilibration mdp equilibrio NVT

step6 [3-6] _equilibration mdp equilibrio NPT

step7_productionmdp produccioacuten

Minimizacioacuten de energiacutea Los resultados obtenidos en la minimizacioacuten de energiacutea revelan una

disminucioacuten de la energiacutea potencial como muestra el Graacutefico 1-4 Las estructuras de los modelos

moleculares se relajaron y obtuvieron una geometriacutea estable para la simulacioacuten Los valores

promedios de la 119864119901119900119905 son

-168448 plusmn 53000kJmol (80 DPPC ndash 20 DPPS) -205153 plusmn 31000kJmol (68 DPPC ndash 17

DPPS ndash 15 CHL1) -208513 plusmn 31000kJmol (56 DPPC ndash 14 DPPS ndash 30 CHL1) -204282

plusmn 26000kJmol (40 DPPC ndash 10 DPPS ndash 50 CHL1) y -209781 plusmn 19000kJmol (24 DPPC ndash

06 DPPS ndash 70 CHL1)

Graacutefico 2 Disminucioacuten de la energiacutea potencial de los 5 modelos moleculares


Equilibrio del sistema Despueacutes de la minimizacioacuten de energiacutea los sistemas fueron sometidos a

ensambles NVT y NPT para equilibrar el sistema Al someter los sistemas al ensamble NVT



molecular

controlado por un termostato V-rescale se presenta un incremento en la temperatura T hasta

alcanzar el equilibrio y mantenerse constante Los valores promedios de la T son 315149 plusmn

0511K (80 DPPC ndash 20 DPPS) 314244 plusmn 0330K (68 DPPC ndash 17 DPPS ndash 15 CHL1)

314978 plusmn 0422K (56 DPPC ndash

14 DPPS ndash 30 CHL1) 315461 plusmn 0210K (40 DPPC ndash 10 DPPS ndash 50 CHL1) y 315200

plusmn 0460K (24 DPPC ndash 06 DPPS ndash 70 CHL1)

Graacutefico 3 Temperatura del sistema 80 DPPC ndash 20 DPPS


Posteriormente se sometioacute a los sistemas al ensamble NPT controlado por un barostato

ParrinelloRahman para mantener una presioacuten constante P y una optimizacioacuten del volumen Los

valores promedios obtenidos de la P son -7929 plusmn 9901bar (80 DPPC ndash 20 DPPS) 6997 plusmn

5600bar (68 DPPC ndash 17 DPPS ndash 15 CHL1) 4509 plusmn 9501bar (56 DPPC ndash 14 DPPS ndash

30 CHL1) -5637 plusmn 6300bar (40 DPPC ndash 10 DPPS ndash 50 CHL1) y 28363 plusmn 16001bar

(24 DPPC ndash 06 DPPS ndash 70 CHL1)

Graacutefico 4 Presioacuten del sistema 80 DPPC ndash 20 DPPS




Hugo

Produccioacuten Se realizoacute una produccioacuten de 1ns (500 000ps) con 9 extensiones de tiempo de 1 ns

reuniendo como tal 10 ns de simulacioacuten En cada extensioacuten se creoacute un archivo de punto de

control (cpt) Estos archivos guardaron el estado de la simulacioacuten incluyendo las variables

extendidas de termostatobarostato trayectorias entre otras

En el siguiente graacutefico se muestran las estructuras obtenidas al final de la simulacioacuten las

moleacuteculas de agua se encuentran en la parte superior e inferior de la bicapa lipiacutedica los iones de

Na estaacuten representados por el color amarillo las moleacuteculas de DPPC de celeste las moleacuteculas de

DPPS de morado las moleacuteculas de CHL1 de marroacuten

Graacutefico 5 Representacioacuten molecular del sistema 80 DPPC ndash 20 DPPS despueacutes de 10 ns de

simulacioacuten


Caacutelculo de aacuterea molecular tensioacuten superficial y elasticidad de Gibbs

Aacuterea molecular Los resultados obtenidos de aacuterea molecular mediante Membplugin se muestran

en la Tabla 3 Se observoacute que a medida que aumenta la concentracioacuten de colesterol el aacuterea

molecular total disminuye esto se debe a la ubicacioacuten del colesterol junto fosfoliacutepidos Los

anillos de esteroides del colesterol interactuacutean con las colas de los liacutepidos provocando una

condensacioacuten de la bicapa



molecular

Tabla 3 Valores promedio del aacuterea molecular de cada una de las simulaciones

DPPC

( Aring2 )

DPPS

( Aring2 )

CHL1

( Aring2 )

Total

( Aring2 )

80 DPPC ndash 20 DPPS 57477 plusmn 1077 52005 plusmn 2090 - 56383 plusmn 1096

68 DPPC ndash 17 DPPS

ndash

15 CHL1

51911 plusmn 0947 47511 plusmn 1801 27070 plusmn 1644 47438 plusmn 1804


ndash

30 CHL1



ndash

50 CHL1



ndash

70 CHL1



Graacutefico 6 Aacuterea molecular de las 5 simulaciones de bicapas lipiacutedicas a los 10ns


Tensioacuten Superficial Las tensiones superficiales obtenidas para las 5 simulaciones se muestran

en la Tabla 4 El comportamiento ideal al aumentar la concentracioacuten de colesterol es que la

tensioacuten superficial aumente significativamente No obstante sucede un comportamiento no ideal

ya que los resultados muestran una fluctuacioacuten de la tensioacuten superficial a medida que aumenta la

concentracioacuten de colesterol



Hugo

Tabla 4 Valores de tensioacuten superficial promedio 120632119956 de cada una de las simulaciones

Bicapas lipiacutedicas 120632119956 (bar nm) 120632119956 (mN m)

80 DPPC ndash 20 DPPS -55916 plusmn 43589 -5591 plusmn 4359

68 DPPC ndash 17 DPPS ndash 15 CHL1 -27258 plusmn 48004 -2726 plusmn 4800

56 DPPC ndash 14 DPPS ndash 30 CHL1 75646 plusmn 51337 7565 plusmn 5134




Asimismo El caacutelculo de la presioacuten superficial con los resultados obtenidos de la tensioacuten

superficial se obtuvo los valores de la Tabla 5

Tabla 5 Valores de la isoterma presioacuten superficial π ndash y el aacuterea por liacutepido 119860119871

Bicapas lipiacutedicas Aacuterea por liacutepido

(Aring2lipid)

Presioacuten superficial π

(mN m)

80 DPPC ndash 20 DPPS 56383 plusmn 1096 70215 plusmn 2810






Con los valores promedios obtenidos del aacuterea molecular y la presioacuten superficial mostrados en la

Tabla 5 se hizo una isoterma 120587 minus 119860119871 que nos describe el comportamiento de la presioacuten superficial

en funcioacuten del aacuterea por liacutepido Se observoacute cambios miacutenimos a los 10ns de las simulaciones

Elasticidad de Gibbs Los resultados obtenidos de la elasticidad de Gibbs son los que se

muestran en el Graacutefico 7



molecular

Graacutefico 7 Elasticidad de Gibbs ε con respecto al aacuterea por liacutepido


Los valores promedios de elasticidad de Gibbs mostrados en la Tabla 6 con los resultados

obtenidos de los promedios del aacuterea total de las bicapas lipiacutedicas y de las tensiones superficiales

en cada nanosegundo de las simulaciones

Tabla 6 Valores de la elasticidad de Gibbs promedio ε y el aacuterea por liacutepido


(Aring2lipid) ε (mN m)



56 DPPC ndash 14 DPPS ndash 30 CHL1 43400 plusmn 1904 -110708 plusmn 0357

40 DPPC ndash 10 DPPS ndash 50 CHL1 40874 plusmn 1038 248336plusmn 0160



Las bicapas lipiacutedicas son flexibles cuando ε lt 50mNm y riacutegidas cuando ε gt 50mNm La bicapa

lipiacutedica simulada que mostroacute mayor rigidez es la que contiene 70 de colesterol y se presentoacute

una capa lipiacutedica con mayor flexibilidad cuando contiene 30 de colesterol

Conclusiones

Las simulaciones en MD de los cinco modelos moleculares construidos brindaron informacioacuten

relevante a una escala atomiacutestica de los efectos que tienen el colesterol sobre los fosfoliacutepidos en



Hugo

las bicapas lipiacutedicas Cada modelo se construyoacute con diferentes concentraciones de colesterol

dando como resultado simulaciones de 10 ns en equilibrio teacutermico respetando el comportamiento

de las bicapas lipiacutedicas por tal motivo se pueden validar los resultados obtenidos en un contexto

bio-fiacutesico y termodinaacutemico

El efecto de condensacioacuten de los fosfoliacutepidos con respecto a la presencia del colesterol se evaluoacute

mediante los valores de aacuterea molecular de las 5 simulaciones computacionales El aacuterea molecular

disminuyoacute a medida que la concentracioacuten de colesterol aumenta

Las cinco bicapas lipiacutedicas no experimentaron cambios en la tensioacuten superficial durante el tiempo

de cada simulacioacuten No obstante se observoacute fluctuaciones en la tensioacuten superficial a medida que

la concentracioacuten de colesterol aumenta demostrando el comportamiento no ideal del colesterol

frente a los fosfoliacutepidos de membrana

Los valores obtenidos de la elasticidad de Gibbs evidenciaron que existe mayor rigidez en la

bicapa con 70 de colesterol en su composicioacuten En membranas bioloacutegicas esta rigidez

implicariacutea el impedimento del transporte de sustancias fuera y dentro de la ceacutelula por ende

afectariacutea al funcionamiento total del sistema La bicapa con mayor flexibilidad fue la bicapa

lipiacutedica con 30 de colesterol

Al comparar la presioacuten superficial de los resultados obtenidos con los experimentales se

corroboroacute el comportamiento que tienen las capas lipiacutedicas con mayor concentracioacuten de

colesterol En cuanto a los valores se hallaron discrepancias debido a que las inter-fases de las

capas simuladas y las capas hechas experimentalmente son diferentes Las primeras son de tipo

agualiacutepido y aguaaire mientras que las segundas son inter-fases aguaaire

Se comparoacute la elasticidad de Gibbs coincidiendo en el comportamiento de ambos casos Se

evidencioacute que las variaciones en los resultados no solo dependen del aacuterea de superficie de la

bicapa y de la tensioacuten superficial sino tambieacuten de la concentracioacuten de iones en los sistemas Las

inter-fases de ambos casos tambieacuten influyeron en estas diferencias



molecular

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Hugo

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PHENOMENA The Lancet 205 (5303) 803-807


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lipiacutedica de DPPC e DPPS com diferentes concentraccedilotildees de colesterol por dinacircmica

molecular (tese de bacharel Escuela Superior Politeacutecnica de Chimborazo)

copy2020 por los autores Este artiacuteculo es de acceso abierto y distribuido seguacuten los teacuterminos y condiciones de la licencia Creative

Commons Atribucioacuten-NoComercial-CompartirIgual 40 Internacional (CC BY-NC-SA 40)

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molecular

Resumen

Se utilizoacute Charmm-GUI para construir cinco modelos moleculares de bicapas lipiacutedicas que

contienen 200 liacutepidos de Dipalmitoilfosfatidilcolina (DPPC) y Dipalmitoilfosfatidilserina (DPPS)

con concentraciones de colesterol (CHL1) de 0 153050 y 70 para evaluar el comportamiento

no ideal (efecto de condensacioacuten) Se realizaron una serie de simulaciones de Dinaacutemica

Molecular usando Gromacs a traveacutes de la minimizacioacuten de energiacutea y el equilibramiento de los

sistemas moleculares usando ensambles NVT y NPT a una temperatura de 315K para un total de

10ns Se determinaron las variables aacuterea molecular tensioacuten superficial y elasticidad de Gibbs

para cada modelo Asimismo se evaluoacute la elasticidad de Gibbs dando como resultado rigidez en

la bicapa cuando esta tiene 70 de colesterol en su composicioacuten El sistema con mayor

flexibilidad fue la bicapa lipiacutedica con 30 de colesterol El comportamiento de la presioacuten

superficial y elasticidad de Gibbs de las simulaciones con respecto a los resultados

experimentales son semejantes demostrando el comportamiento no ideal del colesterol frente a

los fosfoliacutepidos afectando las propiedades de las bicapas lipiacutedicas y por ende la funcionalidad de

las ceacutelulas

Palabras claves Modelos moleculares dinaacutemica molecular DPPC y DPPS biofiacutesica

Abstract

Charmm-GUI was used to construct five molecular models of lipid bilayers containing 200 lipids

of Dipalmitoilfosfatidilcolina (DPPC) and Dipalmitoilfosfatidilserina (DPPS) with cholesterol

concentrations (CHL1) of 0 153050 and 70 to evaluate the behavior no ideal (condensation

effect) A series of Molecular Dynamics simulations were performed using Gromacs through

energy minimization and balancing of molecular systems using NVT and NPT assemblies at a

temperature of 315K for a total of 10ns Variables were determined molecular area surface

tension and Gibbs elasticity for each model Also the elasticity of Gibbs was evaluated resulting

in stiffness in the bilayer when it has 70 cholesterol in its composition The system with the

greatest flexibility was the lipid bilayer with 30 cholesterol The behavior of the surface

pressure and Gibbs elasticity of the simulations with respect to the experimental results are

similar demonstrating the non-ideal behavior of cholesterol against phospholipids affecting the

properties of lipid bilayers and therefore the functionality of cells

Keywords Molecular models molecular dynamics DPPC and DPPS biophysics



Hugo

Resumo














Introduccioacuten













2003)



molecular















Molecular

Metodologiacutea
















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sistema














Fuente Autores 2018







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5000 pasos












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120574119904 = 120574119898 + 120574119908119907




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Resultados



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Conclusiones





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Referencias





















References









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Referecircncias
















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Introduccioacuten













2003)



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Metodologiacutea
















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Fuente Vanegas 2018








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modelos moleculares






















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DPPC

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Fuente Autores 2018







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Resultados



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modelos moleculares






















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evaluación del comportamiento del colesterol en una bicapa

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