Developing Ion Parameters and Investigating Ion Specific Effects in Biological Systems

Abstract

Biomolecular processes often involve ions in aqueous solutions. Accurate force-field parameters are thus required for these ions, if we are to use molecular simulations to investigate the roles they play. In the course of this PhD study, we addressed multiple outstanding issues concerning the development of force fields for ions in aqueous solution. We optimized parameters for monoatomic ions for the TIP5P water model, and show that the activity derivative is often not sufficient to optimize ion-ion interactions, since it reaches a plateau near the experimental target value. We propose using coordination numbers at high salt concentrations, as another target for parameterization. Furthermore, we optimized a set of Lennard-Jones parameters for classical, all-atom models of acetate and several alkylated and non- alkylated forms of sulfate, sulfonate and phosphate ions. The parameters were optimized to reproduce their interactions with water and with the physiologically relevant sodium, ammonium and methylammonium cations. The parameters are suitable for the TIP3P water model and were developed based on experimental information, with ab initio, gas phase calculations being used for the cases where experimental information is missing. The parameterization scheme is different from previous approaches because it combines existing experimental data and quantum mechanical calculations, to find parameters when the experimental data are sparse for specific ions. Finally, we used our optimized parameters to investigate ion specific effects of alkyl-anions towards CH3NH3+, using known experimental data on polyanionic dendritic polymers (dPGs) interactions with L-selectin as reference. We show that several factors, such as presence of Na+ , number of free anionic sites and protonation state, are involved in these interactions, and these factors can potentially influence the dPG-selectin affinity trend. Although we could not unequivocally identify the origin of the order magnitude of differences reported experimentally, we show that some experimental trends can be captured if the mentioned factors are considered.

Da biomolekulare Prozesse in wässrigen Lösungen in der Regel in der Anwesenheit von Ionen stattfinden, wird dafür in Molekulardynamik-Simulationen die Anwendung entsprechend präziser Kraftfeldparameter, die diese berücksichtigen, notwendig. Im Rahmen der vorliegenden Doktorarbeit sind wir daher noch bestehende Problemstel-lungen bezüglich der Entwicklung solcher Kraftfelder für Ionen in wässriger Lösung angegangen. Wir haben die Parameter für einatomige Ionen für das TIP5P-Wasser-Modell mit Hinblick auf die freie Solvatisierungsenergie und Lösungsaktivität als experimentelle Zielwerte optimiert. Wir zeigen, dass die Ableitung der Aktivität oftmals nicht für die Optimierung der Ion-Ion-Wechselwirkungen ausreicht, da diese nahe den Zielwerten ein Plateau erreicht. Für die Optimierung der Ionen-Parameter beabsichti-gen wir die Koordinationszahlen bei hohen Salzkonzentrationen als anderen Zielwert zu benutzen. Darüber hinaus haben wir eine Anzahl von Lennard-Jones-Parametern für klassische, alle Atome umfassende Modelle für Azetat, mehrere alkylierte und nicht-alkylierte Arten von Sulfat, Sulfonat und Phosphationen optimiert. Die Pa-rameter wurden auf die Reproduzierbarkeit derer Wechselwirkungen mit Wasser und physiologisch relevanten Natrium, Ammonium und Methylammoniumkationen op-timiert. Die Parameter wurden auf Grundlage experimenteller Informationen en-twickelt und sind für das TIP3P Wassermodel geeignet. Hierbei wurden ab-initio Gasphasenberechnungen genutzt in den Fällen, in denen keine experimentellen Daten zur Verfügung standen. Das Parametrisierungschema unterscheidet sich von vorangegangenen Ansätzen, jedoch kombiniert es bestehende experimentelle Daten mit quantenmechanischen Berechnungen, um Parameter zu bestimmen, falls experimentelle Daten für bestimmte Ionen rar sind. Wir haben abschließend unsere Parameter für die Untersuchung ionenspezifischer Effekte des Alkyl-Anions gegenüber CH3NH3+ benutzt unter Anwendung von bekannten experimentellen Messdaten zur Wechselwirkungen zwischen polyanionischen dendritischen Polymeren (dPGs) mit L-Selectin als Referenz. Wir zeigen, dass mehrere Faktoren, wie die Anwesenheit von Na+, die Anzahl freier anionischer Stellen, Protonierungstellen, usw. in diese Wechselwirkungen involviert sind und dass diese Faktoren möglicherweise die Tendenz der dPG-Selectin Affinität beeinflussen. Auch wenn wir die Ursache der Unterschiede um mehrere Größenordnungen, die experimentell bestimmt wurden, nicht zweifelsfrei feststellen konnten, können wir zeigen, dass einige dieser experimentell bestimmten Tendenzen unter Berücksichtigung der genannten Faktoren erfasst werden können.