Atomic-scale molecular dynamics simulations of triglycerides

Abstract

AB3:Biologinen fysiikka yhdistää fysiikkaa poikkitieteellisesti muun muassa kemiaan, biologiaan, matematiikkaan ja laskennallisiin tieteisiin. Tietokonesimulaatioita tarvitaan monimutkaisten biologisten systeemien perimmäisen käyttäytymisen ymmärtämiseen. Laskennallinen biologinen fysiikka yhdistää nämä kaksi siten, että biologisesti olennaisten systeemien ominaisuuksia voidaan paremmin ymmärtää yli laajojen skaalojen.Lipoproteiinit ovat yksi tutkituimmista biologisista rakenteista. Lipoproteiinien tarkka rakenne ja sen vaikutukset eivät kuitenkaan ole vielä hyvin ymmärrettyjä molekyylitasolla. LDL-partikkelien ytimen uskotaan koostuvan kolesteroliestereistä ja triglyserideistä ja niiden pinnan polaarisista lipidi-molekyyleistä, tarkka rakenne on kuitenkin edelleen epäselvä.Tämä tutkimus keskittyy triglyseridisysteemien molekyylidynamiikkasimulaatioihin eri lämpötiloissa. Niiden rakennetta tutkittiin yksityiskohtaisesti lähtien yksittäisten molekyylien muodosta ja jatkuen molekyylien välisten hydrofiilisten esterisidosalueiden vierekkäin ryhmittymiseen, jonka havaitaan muodostavan käärmeileviä polkuja tai kerrosmaisia rakennelmia. Toinen kiinnostava näkökohta tässä työssä on sulamispisteen alapuolella olevassa lämpötilassa simuloidun systeemin käyttäytyminen, joka osoittaa merkittävästi poikkeavia ominaispiirteitä verrattuna muihin systeemeihin, jotka ovat nestemäisessä olomuodossa.Saatuja atomitason simulaatiotuloksia on hyödynnetty myös karkeistettujen mallien kehittämisessä, mahdollistaen siten kokonaisten LDL-kokoisten lipoproteiinipartikkelien simuloinnin.

Biological physics combines physics with e.g. chemistry, biology, mathematics and computational sciences in a cross-disciplinary fashion. Computer simulations, in turn, are required to understand the fundamental behaviour of complex biological systems. The aim of computational biological physics is to combine these two, in a way that the properties of biological systems can be better understood over a multitude of scales.Elevated low density lipoprotein (LDL) concentrations in blood are believed to cause atherosclerosis, the formation of plaques in arteries. However, the detailed structure of lipoproteins and its effects are not yet well understood on a molecular level. It is assumed that the LDL core is composed of cholesteryl esters and triglycerides and the surface of polar phospholipids, but the exact structure of LDL and other lipoproteins has remained unclear.The present study focuses on molecular dynamics simulations of various triglyceride systems at different temperatures. Their structure is studied in detail, from the conformations of individual molecules to intermolecular grouping of the hydrophilic ester bond areas next to each other. The latter is found to form serpentine paths or layer-like arrangements. Another interesting aspect found in this work is the ordering below the systems' melting-poing temperature, which exhibits significantly dissimilar characteristics compared to the other systems that were in their liquid state. The present atomistic data have also been used to validate coarse grained models designed for related systems, enabling the simulation of whole LDL-sized lipoparticles.