Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / In this work we present a computational study of the electroporation process of lipid
membranes in the presence of water. First, we developed an investigation of the
formation of pores through simulations based on classical molecular dynamics using
NAMD code. Subsequently we developed ab initio study using density functional theory,
as implemented in the SIESTA code. This analysis showed the formation of pores
within the lipid bilayer 1ns after the application of external electric field, 300 K. We
found that set temperatures above 300 K may reduce the simulation time. We also
observed a rearrangement of water molecules of a Okuno Tanioka cone due to the
action of the electric field. Interestingly, this induced an increase of the number of hydrogen
bonds, which was not observed using apolar molecules such as chloroform.
After, we performed the analysis of structural and electronic properties of the structures
of phospholipids,which were extracted from the molecular dynamics calculations.
It is noteworthy that the action of the electric field changed the energy gap of both
the structures of isolated phospholipid as for the lipid bilayer configuration. Through
maps of electrostatic potential, we showed that the electric field leads to a polarization
of phospholipid, which induced a torque in the electric dipole moments of the water
molecule. The rotation of the electric dipole moments gave rise to stress in the lipid
bilayer, which by itself was not enough to break it. In summary, the presence of water
was critical since under the action of an electric field the molecules rearranged to form
a cone. This fact, associated with the weakening of the lipid membrane due the stress
from the realignment electric dipole, was the responsible for the poration process. / Neste trabalho, apresentamos um estudo computacional do processo de eletroporação
de membranas lipídicas na presença de água. Na primeira etapa, realizamos a
dinâmica da formação de poros através de simulações baseadas na dinâmica molecular
clássica, utilizando o código NAMD. Posteriormente, desenvolvemos um estudo
ab initio, empregando a teoria do funcional da densidade, conforme implementada no
programa SIESTA. Os resultados da primeira análise mostraram a formação de poros
no interior da bicamada após 1ns de aplicação de um campo elétrico externo, a
uma temperatura de 300 K. Também verificamos que, para temperaturas acima de
300 K, esse tempo se reduz. Observamos um rearranjo das moléculas de água na
forma de um cone de Okuno Tanioka devido à ação do campo elétrico. Isso ocasiona
um aumento no número de ligações de hidrogênio das mesmas, o que não foi
observado com o uso de moléculas apolares como o clorofórmio. Na segunda etapa,
realizamos a análise das propriedades eletrônicas e estruturais, utilizando as estruturas
dos fosfolipídios provindas dos cálculos de dinâmica molecular. Mostramos que
a ação do campo elétrico modifica o gap de energia tanto da estrutura do fosfolipídio
isolado quanto para a configuração de bicamada lipídica. Através dos mapas do potencial
eletrostático, mostramos que a ação do campo elétrico leva a uma polarização
do fosfolipídio ocasionando um torque no momentos de dipolo elétrico da molécula. A
rotação dos momentos de dipolo elétrico causa um estresse na bicamada, que por si
só não é capaz de rompe-la. Dessa forma, a presença da água é fundamental, pois diante
a ação do campo elétrico as moléculas se reordenam arranjando-se de maneira
a formar um cone. Este fato, associado ao enfraquecimento da membrana lipídica,
devido ao estresse causado pelo realinhamento nos momentos de dipolo elétrico, são
a origem do processo de poração.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufsm.br:1/12164 |
| Date | 03 August 2016 |
| Creators | Figueiredo, Jacieli Evangelho de |
| Contributors | Silva, Leandro Barros da |
| Publisher | Universidade Federal de Santa Maria, Centro de Ciências Naturais e Exatas, Programa de Pós-Graduação em Física, UFSM, Brasil, Física |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFSM, instname:Universidade Federal de Santa Maria, instacron:UFSM |
| Rights | Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International, http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/, info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | 100500000006, 600, da4a5314-c9ef-4f01-8ec3-96344d115785, 218c3ae9-5de9-4b21-8013-8b0c70c6b58d |
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