Theoretical Study of Phospholipid Membranes: the Complex Role of Cholesterol and Lipid Unsaturation

Abstract

The Doctoral dissertation titled “Theoretical Study of Phospholipid Membranes: the Complex Role of Cholesterol and Lipid Unsaturation” covers biological membrane modeling by means of molecular dynamics.

The main focus of the dissertation is to study the role of phospholipid unsaturation and cholesterol in animal cell membrane properties. In general, it aims to find the molecular mechanisms underlying naturally occurring phenomena, such as the preference displayed by nature for phospholipids with an unsaturated sn-2 chain where the double bond is placed in its middle. Significant results were obtained regarding the importance of the double bond position in phospholipidic membranes. We report that lipids with a double bond in the middle of their acyl chain present the largest capacity to induce disorder in the membrane. We also found that this effect is enhanced when the unsaturated acyl chain is attached to the sn-2 lipid.

Another important result obtained in this work is the explanation of the role of cholesterol as promoter of in-plane ordering due to its collective action over surrounding phospholipids. We report the natural preference of cholesterol to be placed in the second coordination shell in the membrane plane in respect to other cholesterols. In other words cholesterols do not like to be in direct contact with each other. This result strongly supports the umbrella theory. Additionally we found that cholesterols place themselves in respect to the others in a well-defined 3 fold symmetry pattern. The combination of these two features is likely responsible for the condensation effect, as the ordering of the lipid tails could be explained by their sandwiching between cholesterols.

These results, never reported before, shed light on the reasons behind the natural lipid selection and the mechanism underlying the well-known ordering effects of cholesterol which are largely controversial.

Final part of this Doctoral dissertation focuses on membranes that contain cardiolipins instead of cholesterol like the one present in the mitochondria.

L'objectiu principal d'aquesta tesi és estudiar el paper dels fosfolípids insaturats i del colesterol en les propietats de les membranes cel·lulars animals mitjançant dinàmica molecular clàssica. En general, s'han estudiat els mecanismes moleculars subjacents responsables de la preferència, dictada genèticament, per composicions lipídiques determinades en aquestes membranes. Per exemple, la preferència general pels fosfolípids insaturats amb un doble enllaç al mig de la cadena sn-2. Entre els resultats obtinguts destaquen les evidències trobades que justifiquen la importància de la posició del doble enllaç en els fosfolípids que constitueixen les membranes. S'ha observat que els fosfolípids insaturats amb un doble enllaç al mig de la cua presenten una major capacitat d'induir desordre en la membrana. Aquesta capacitat d'induir desordre es maximitza quan la cadena insaturada és la sn-2, posició genèticament afavorida.

Un altre resultat important obtingut en aquest treball és l'explicació del paper del colesterol com a promotor d'ordre en el pla de la membrana a causa de la seva acció col·lectiva sobre els fosfolípids circumdants. Hem constatat la preferència natural del colesterol per col·locar-se en la segona esfera de coordinació en relació amb els altres colesterols adjacents. En altres paraules, al colesterol no li agrada estar en contacte directe amb altres colesterols. Aquest resultat dóna suport a la teoria del paraigües. A més, s'ha trobat que els colesterols s'emplacen entre ells formant un patró dinàmic amb simetria trigonal. Aquest resultat no és gens intuïtiu tenint en compte la naturalesa fluïda del medi i que els colesterols no es troben en contacte directe. La combinació d'aquestes dues característiques justifica el conegut efecte de condensació dels colesterols: colesterols adjacents ordenen les cues fosfolipídiques aixafant-les entre ells.

Aquests resultats, fins ara desconeguts, aclareixen algunes de les raons existents darrere de la selecció natural dels lípids i els mecanismes responsables dels coneguts efectes de condensació que indueix el colesterol, que fins ara eren en gran mesura controvertits.

Per acabar, aquesta tesi doctoral dedica el seu darrer capítol a l'estudi de membranes que contenen cardiolípids en comptes de colesterol, com és el cas de la membrana mitocondrial.