Action of anesthetics on membranes and protein adsorption on solid surfaces studied by molecular dynamics simulations

Abstract

In this thesis, the mechanisms underlying anesthesia and the adsorption of proteins on solid surfaces have been studied using the method of molecular dynamics simulations. It is generally assumed that biological membranes are the site of anesthetic action. However, there is no consensus whether anesthetics act directly by binding to membrane proteins, thereby inhibiting their function, or indirectly by modulating the physical properties of the lipid part of the membrane. In the simulations presented here, distinct changes of lipid bilayer properties in response to the presence of alkanols, a group of anesthetics, have been observed. An anesthetic-induced shift of the equilibrium between different membrane protein conformations, modeled by simple geometric shapes, has been found. In simulations with the ion channel gramicidin A embedded in a lipid bilayer, alkanols distributed inhomogeneously in the bilayer, with almost no alkanol molecules residing in close vicinity to the gramicidin. These results provide evidence for an indirect mode of anesthetic action. Spontaneous protein adsorption on solid-liquid interfaces is the first step in the formation of biofilms. Here, a coarse-grained molecular dynamics scheme has been applied to study this complex process at high resolution, but still reaching the necessary time and length scales. Changes in protein structure and dynamics after adsorption and preferred orientations of proteins on the surface were observed.

In dieser Arbeit wurde die Wirkungsweise von Anästhetika und die Adsorption von Proteinen an Festkörperoberflächen mittels Moleküldynamik-Simulationen untersucht. Es wird allgemein angenommen, dass Anästhetika auf biologische Membranen wirken. Umstritten ist jedoch, ob Anästhetika direkt an Membranproteine binden und damit deren Funktion hemmen, oder ob sie indirekt wirken, indem sie die physikalischen Eigenschaften der Lipiddoppelschicht der Membran verändern. Solche indirekten Effekte wurden in den hier vorgestellten Simulationen bei Anwesenheit von Alkanolen, einer Gruppe von Anästhetika, beobachtet. Gleichzeitig wurde eine durch Anästhetika verursachte Verschiebung des Gleichgewichts zwischen unterschiedlichen, vereinfacht dargestellten Proteinkonformationen gefunden. Simulationen eines in einer Lipiddoppelschicht eingebetteten Ionenkanals zeigten eine sehr geringe Konzentration von Alkanolen in unmittelbarer Nähe des Kanals. Diese Ergebnisse deuten auf eine indirekte Wirkungsweise von Anästhetika hin. Spontane Adsorption von Proteinen an fest-flüssig Grenzflächen ist der erste Schritt bei der Bildung von Biofilmen. Um diesen Prozess der Proteinadsorption mit hoher Auflösung auf ausreichend langen Zeit- und Längenskalen zu untersuchen, wurde ein "coarse-grained" Moleküldynamik-Schema verwendet. Es wurden Veränderungen in der Proteinstruktur und -dynamik und bevorzugte Ausrichtungen der Proteine auf der Oberfläche beobachtet.