Designing Reaction Coordinate for Ion-Induced Pore-Assisted Mechanism of Halide Ions Permeation through Lipid Bilayer by Umbrella Sampling

渗透 伞式取样 化学 元动力学 离子 脂质双层 平均力势 双层 卤化物 分子 分子动力学 计算化学 无机化学 有机化学 生物化学
作者
Anjana V. Mathath,Bratin Kumar Das,Debashree Chakraborty
出处
期刊:Journal of Chemical Information and Modeling [American Chemical Society]
卷期号:63 (24): 7778-7790
标识
DOI:10.1021/acs.jcim.3c01683
摘要

Ion permeation mechanism through lipid membranes helps to understand cellular processes. We propose new reaction coordinates that allow ions to permeate according to their water affinity and interaction with the hydrophilic layer. Simulations were done for three different halides (F-, Cl-, and I-) in two different lipid bilayers, 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DPPC) and 1,2-dinervonoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DNPC). It is found that the involvement of the water molecules decreases the free energy barrier. The ions were found to follow different pathways for permeation. Formation of proper pores required a collaboration effort of the hydration shell water molecules and the hydrophilic lipid layer, which was favored in the case of Cl- ions. The optimum charge density and good water affinity of Cl- with respect to F- and I- ions helped to form the pore. The effect was prominently seen in the case of DNPC membrane because of its higher hydrophobic thickness. The umbrella sampling results were compared with other methods such as the Markov state model (MSM) and well-tempered metadynamics (WT-metaD).

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