Badania oddziaływań cholesterolu i wody oraz agregacji cholesterolu w środowisku polarnym metodą symulacji dynamiki molekularnej

Amfipatyczne właściwości cholesterolu uwarunkowane są obecnością pierścieni steroidowych oraz łańcucha alifatycznego w pozycji 17-tej – elementy te nadają cząsteczce hydrofobowy charakter, natomiast grupa hydroksylowa w pierścieniu A jest odpowiedzialna za oddziaływania hydrofilowe. Na poziomie komórkowym cholesterol stanowi nieodzowny składnik błony komórkowej, regulując jej stabilność oraz przepuszczalność. Ponadto, cholesterol jest prekursorem wielu związków steroidowych, m.in. witaminy D, kwasów żółciowych oraz hormonów steroidowych. Wykazano również udział cholesterolu w patogenezie blaszek miażdżycowych oraz kamieni żółciowych. Podejrzewa się, że nukleacja cholesterolu stanowi początkowy etap tych procesów.W badaniach doświadczalnych niejednokrotnie zaobserwowano agregację cholesterolu w wodzie. Naukowcy odnotowali, iż cholesterol w końcowej fazie agregacji tworzy monokryształ. Wykazano obecność dwuwarstwowych domen cholesterolu przesyconych błonach fosfolipidowych, jednakże dotychczas nie udało się ustalić, czy w wodzie cholesterol również spontanicznie tworzy dwuwarstwy. Przeprowadzono symulacje dynamiki molekularnej w celu zbadania początkowych etapów oddziaływania cholesterolu z wodą oraz procesu reorientacji wody wokół cholesterolu. Analizowaliśmy również agregację cholesterolu w układach zawierających dwie, trzy oraz cztery uwodnione cząsteczki cholesterolu.Udało nam się zaobserwować, iż woda utworzyła stabilną struktorę wokół cholesterolu po około pięciu pikosekundach. Odnotowaliśmy szybką ,,ucieczkę” cząsteczek wody z pierwszej sfery hydratacyjnej w czasie od 100-tu fs do 30-tu ps, natomiast po czasie 35-ciu ps proces ten miał mniej gwałtowny przebieg. Wykazaliśmy również, iż agregacja cholesterolu nastąpiła szybciej, kiedy cząsteczki miały możliwość utworzenia par, jednakże agregaty zbudowane z trzech oraz czterech cholesteroli cechowały się większą stabilnością. Reorientacja przebiegała z większą częstotliwością w przypadku par – pojedyncze cząsteczki rotowały o 180° wzdłuż osi horyzontalnej. W przypadku czterech cholesteroli najpierw nastąpiło utworzenie par, które po dziesięciu nanosekundach utworzyły czterocholesterolowy agregat. W końcowych agregatach cholesterol były ułożone w równoległych płaszczyznach oraz stykały się ze sobą gładkimi powierzchniami.Cholesterol is characterized with amphipathic properties – the steroid rings and the aliphatic tail attached to C17 contribute to its hydrophobic character, while ring A’s hydroxyl group is responsible for the hydrophilic interactions. On the cellular level cholesterol is an essential component of plasma membranes, regulating their stability and permeability. Moreover, cholesterol is the precursor of steroid compounds – vitamin D, bile salts and steroid hormones. On the contrary, cholesterol is involved in numerous pathophysiological processes, including atherosclerosis and bile salt formation. Cholesterol nucleation in water is suspected to be the initial stage of those processes.Multiple studies confirmed that cholesterol aggregation occurs in water with monohydrate crystal phase being the final state of cholesterol self-assembly. The presence of cholesterol bilayer domains was observed in saturated phospholipid membranes. Nonetheless, it is unknown whether similar bilayers are formed in water. In this thesis, molecular dynamics simulations were carried out in order to analyse the initial stages of cholesterol-water interaction and water reorientation around cholesterol. Cholesterol molecules were also investigated in context of their self-assembly in systems comprising of two, three and four hydrated molecules. In particular, we studied the stability and geometry of the final cholesterol aggregates. Water formed a steady structure around cholesterol at approximately 5 ps. The orientation of water molecules was mostly determined by carbons located in the cholesterol rings. We have demonstrated that in the time period from 100 fs to 30 ps water molecules quickly diffused from the first hydration sphere, while the decrease rate was slower from 35 ps until the end of MD simulation. Cholesterol self-assembly occurred faster for steroid pairs, though they were less stable than three- or four-cholesterol aggregates. In cholesterol pairs the reorientation occurred frequently, as individual molecules tended to rotate by 180° about the horizontal axis. Self-assembly of four cholesterol molecules occurred after a longest period of time (10 ns) and was preceded by pair formation. In the final aggregates cholesterols were connected through smooth surfaces and were oriented in parallel planes