Propiedades laterales de las estructuras anfifílicasteoría y simulaciones

Resumen

Esta tesis está dedicada al estudio teórico y computacional de las características laterales de diferentes complejos anfifáticos que componen el sistema surfactante pulmonar. Estudios experimentales y teóricos han señalado la existencia de dominios lipídicos condensados que coexisten con un dominio lipídico expandido en monocapas, membranas y vesículas. Se piensa que estos dominios condensados son estables y cruciales para la modulación de propiedades dinámicas y termodinámicas, aunque este asunto se encuentra rodeado de un alto grado de controversia. Otros tipos de dominios, en este caso del tamaño de pocas moléculas lipídicas y en membranas fluidas, presentan propiedades colectivas no clarificadas aún. En particular, experimentos han caracterizado la difusión de los lípidos a cortos tiempos como la de un flujo de corriente. Por otro lado, simulaciones por ordenador han mostrado que los lípidos tienden a moverse coherentemente a cortos tiempos, formando interesantes patrones de movimientos colectivos. En la primera parte de esta tesis, tratamos preguntas relacionadas con la estabilización de dominios condensados. En concreto, caracterizamos las propiedades estructurales de lípidos y dominios (expandidos y condensados) en monocapas lipídicas que se encuentran en una interfaz agua-vapor. Debido a la gran dependencia de las propiedades de los lípidos y dominios de los detalles atomísticos, realizamos simulaciones de dinámica molecular de los modelos computacionales más avanzados (CHARMM36+OPC). Como particularidad de este estudio, hacemos una distinción entre los lípidos que pertenecen a dominios con- densados y expandidos. Nuestros análisis revelan que los dominios condensandos tienden a ser elongados/rectangulares. Además, estos análisis demuestran que los dominios con- densados presentan un gran orden dipolar, el cual subyace de la gran alineación (paralela) de las cadenas acílicas de los lípidos con una orientación relativa a la interfaz entre los dominios condensados y expandidos ∼ 20°. Estos resultados sugieren la existencia de una tensión de línea anisotrópicas en la frontera del los dominios condensados. Por otra parte, análisis sobre la orientación e hidratación de los grupos químicos más representativos de los lípidos (cabeza y cola), podrían indicar alguna deficiencia del modelo computacional usado en cuanto a las propiedades del grupo cabeza de los lípidos. En la segunda parte de esta tesis, tratamos de entender cuestiones generales de la dinámica colectiva de los lípidos en membranas fluidas. Para ello, desarrollamos todo un marco teórico que permite abordar la dinámica colectiva de sistemas casi dos dimensionales genéricos (partículas/moléculas confinadas en una interfaz líquido-líquido). Previamente, como introducción a la extraordinaria fenomenología de los sistemas casi dos dimensionales, comenzamos con el desarrollo de una teoría preliminar y el análisis de sus casos más ideales. Esta teoría demuestra la presencia de un coeficiente de difusión colectivo anómalo (divergente) así como fluctuaciones considerables (en algunos casos casi gigantes). Los re- sultados son constatados mediante simulaciones ultra rápidas de hidrodinámica fluctuante en el régimen Browniano. Para el estudio de un escenario más aproximado al que sería el de una membrana, relajamos las condiciones de idealidad, por lo que desarrollamos una teoría casi dos dimensional de la difusión con un formalismo alternativo al anterior. Además de ratificar los resultados previos, mostramos nuevos resultados y exploramos los límites de este nuevo formalismo. A final de esta tesis, aplicamos la teoría casi dos dimensional de la difusión a membranas lipídicas. Para contrastar los resultados en membranas, realizamos simulaciones tanto de hidrodinámica fluctuante como de dinámica molecular, y usamos distintos modelos de membranas lipídicas (MARTINI y Cooke-Deserno). Nuestros resul- tados revelan la validez de la teoría casi dos dimensional de la difusión a cortos tiempos i.e. el coeficiente de difusión colectivo de los lípidos diverge. En cambio, a largos tiempos esta teoría es violada. Finalmente, resultados parciales sugieren una relación de causalidad entre la hidrodinámica casi dos dimensional y el movimiento coherente de los lípidos a cortos tiempos.