How differences in acyl chain length and degree of saturation affect the behavior of unsaturated diacylglycerols in lipid membranes
| Title: | How differences in acyl chain length and degree of saturation affect the behavior of unsaturated diacylglycerols in lipid membranes |
| Author(s): | Heinonen, Suvi |
| Contributor: | University of Helsinki, Faculty of Pharmacy |
| Degree program: | Master's Programme in Pharmacy |
| Specialisation: | Biopharmaceutics |
| Language: | English |
| Acceptance year: | 2020 |
| Abstract: |
Diasyyliglyseroli (DAG) on lipiditoisiolähetti, joka aktivoi perinteisiä ja uudentyyppisiä proteiini kinaasi C (PKC) -isoentsyymejä solukalvolla. Poikkeava PKC:n toiminta on liitetty useisiin sairauksiin, ja esimerkiksi heikentynyttä PKC:n toimintaa on esitetty kytkeytyvän useisiin Alzheimerin taudin patofysiologisiin komponentteihin. Kohdentamaton, kaikkien PKC-isoentsyymien aktivaation lisääminen synteettisten ligandien avulla ei ole kuitenkaan ongelmatonta, sillä tietyt isoentsyymit voivat aktivoituessaan edistää haitallisia prosesseja solussa. On kuitenkin viitteitä siitä, että rasvahappohäntien tyydyttyneisyysasteiltaan erilaiset DAG-molekyylit saavat aikaan eriasteisen ja isoentsyymispesifisen PKC-aktivaation. Ymmärrys siitä, kuinka erilaisten DAG-molekyylien rakenteelliset ominaisuudet liittyvät niiden käyttäymiseen lipidikaksoiskalvossa saattaa näin ollen olla hyödyksi isoentsyymispesifisten PKC-ligandien kehittämisessä.
Tämän pro gradu -tutkielman tarkoituksena oli vertailla kahden erilaisen tyydyttymättömän DAG-molekyylin, 1,2-dioleyyli-sn-glyserolin (DOG) ja 1-stearoyyli-2-dokosaheksanoyyli-sn-glyserolin (SDG) asentoa, sijoittumista ja dynamiikkaa glyserofosfolipidikaksoiskalvossa hyödyntäen perinteisiä molekyylidynamiikan simulaatioita sekä umbrella sampling -tekniikkaa. Fosfolipidikalvojen pääkomponentiksi valittiin 1-palmitoyyli-2-oleyyli-sn-glysero-3-fosfatidyylietanolamiini (POPE) tai 1-stearoyyli-2-dokosaheksanoyyli-sn-glysero-3-fosfatidyylietanolamiini (SDPE) kuvaamaan solukalvon soluliman puoleisen lehdykän lipidikoostumusta perifeerisissä kudoksissa ja keskushermostossa.
Molempien DAG-molekyylien havaittiin käyttäytyvän hyvin dynaamisesti kaikissa lipidikaksoiskalvo-systeemeissä; molekyylien glyseroliryhmien kallistuskulmat sekä rasvahappohäntien asennot vaihtelivat suuresti, minkä lisäksi simulaatioissa havaittiin DAG-molekyylien liikkuvan useita kertoja kaksoiskalvon lehdykältä toiselle. Suurempi etäisyys kaksoiskalvon keskiosasta sekä kookkaampi DAG-molekyylien glyseroli- ja hydroksyyliryhmän sekä liuottimen välinen kosketuspinta-ala viittaavat siihen, että SDG-molekyylit sijoittuvat keskimääräisesti DOG-molekyylejä lähemmäksi lipidikaksoiskalvon ja liuottimen rajapintaa POPE-kaksoiskalvoissa. SDPE-kaksoiskalvossa näiden tulosten osalta ei ollut eroa DAG-molekyylien välillä. Vaikka potentiaalienergiaprofiilien perusteella DAG-molekyylien välillä ei havaittu suuria eroja energeettisesti suotuisassa hydroksyyliryhmän sijoittumisessa kaksoiskalvolla, profiilit paljastivat ympäröivän rasvahappohäntäkoostumuksen vaikuttavan DOG-molekyylien dynamiikkaan SDG-molekyylejä enemmän. Vaikka rasvahappohäntien rakenne saattaa siis vaikuttaa DAG-molekyylien sijoittumiseen sekä kosketuspinta-alaan liuottimen kanssa, on tulosten perusteella todennäköistä, että aiemmin havaitun eriasteisen PKC-aktivaation taustalla on myös muita prosesseja ja mekanismeja.
Diacylglycerol (DAG) is a lipid second messenger, which activates classical and novel protein kinase C (PKC) isozymes at the plasma membrane. Abnormalities in PKC signaling have been linked to several diseases, and defective PKC function connects to multiple pathophysiological components of Alzheimer’s disease. However, aimlessly activating all PKC isozymes with synthetic ligands can be problematic, since the activation of certain isozymes can also promote unwanted processes. There are indications that DAGs with varying degrees of acyl chain saturation may have different and specific PKC activating abilities. Thus, understanding how the structural differences in DAGs relate to their behavior at the lipid bilayer may be beneficial for the development of new, isozyme-specific ligands of PKC.
The aim of this master’s thesis was to compare the orientation, positioning and dynamics of two unsaturated DAG molecular species, 1,2-dioleoyl-sn-glycerol (DOG) and 1-stearoyl-2-docosahexaenoyl-sn-glycerol (SDG) in glycerophospholipid bilayers using conventional molecular dynamics (MD) simulations and umbrella sampling. The glycerophospholipid bilayers were composed of either 1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphatidylethanolamine (POPE) or 1-stearoyl-2-docosahexaenoyl-sn-glycero-3-phosphatidylethanolamine (SDPE), representing the glycerophospholipid environment in the inner leaflet of the plasma membranes in peripheral tissues and in brain tissue, respectively.
Both DAG molecular species displayed very dynamic behavior in all systems, with wide distributions of glycerol moiety tilt angles and acyl chain conformations. Multiple occurrences of transbilayer movement (flip-flop) of DAGs was observed during the MD simulations in all systems. In POPE bilayers, SDG was observed to position closer to the aqueous interface compared to DOG, with larger values of solvent accessible surface area (SASA) of the glycerol moiety and the sn-3 hydroxyl group. In SDPE bilayers, no significant difference in this regard was observed between the DAG molecular species. Although potential of mean force (PMF) profiles did not reveal any major differences in the energetically favoured position of the hydroxyl group between the DAG molecular species, the calculations exposed that the dynamics of DOG are affected more by the surrounding lipid environment compared to SDG. Based on these results, it is probable that while the solvent accessibility and overall position of DAGs is affected by the length and degree of saturation of their acyl chains, there are also other mechanisms and processes causing the differing levels of PKC activation yielded by different DAG molecular species.
|
| Keyword(s): | molecular dynamics simulation lipid signaling lipid second messengers diacylglycerol lipid bilayer |
Files in this item
| Files | Size | Format | View |
|---|---|---|---|
| Heinonen_Suvi_Pro_gradu_2020.pdf | 16.28Mb |
This item appears in the following Collection(s)
-
Faculty of Pharmacy [572]