《The Journal of Steroid Biochemistry and Molecular Biology》：Hydration and interfacial behavior of 7-ketocholesterol monolayers: a comparative molecular dynamics study with cholesterol using the OPC water model
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氧化胆固醇在C7位的氧化改变表面水合和分子间作用，通过Langmuir单层实验和OPC水模型的分子动力学模拟发现，7-酮胆固醇形成更松散、水合更深的单层膜，其分子间范德华力与胆固醇相近，但静电相互作用因有效水合和极性屏蔽而显著减弱，揭示了氧化修饰对膜机械和生物学性质的影响机制。
扬·科比尔斯基（Jan Kobierski）| 安妮塔·文涅特扎克（Anita Wn?trzak）| 安娜·查查伊-布雷克iesz（Anna Chachaj-Brekiesz）| 帕特里夏·迪纳罗维奇-拉特卡（Patrycja Dynarowicz-Latka）
雅盖隆大学医学院药学院，Medyczna街9号，30-688克拉科夫，波兰
摘要
我们通过结合朗缪尔单层实验和采用OPC水模型的全原子分子动力学模拟，研究了胆固醇在C7位置的氧化如何改变固醇的水合状态和界面组织结构。胆固醇形成紧密堆积且水合程度较低的单层结构，而7-酮胆固醇则表现出更大的分子面积、更高的压缩性以及更明显的取向无序性。这些差异源于水合状态的变化：7-酮胆固醇在C3位置的羟基保持类似胆固醇的水合方式，而C7位置的额外羰基引入了一个压力依赖性的水合位点，该位点在单层扩展时逐渐暴露出来。因此，7-酮胆固醇单层能够容纳更多的界面水，显示出更深入的水渗透，并形成广泛的水介导的固醇-固醇桥接网络。能量分析表明，范德华凝聚力与胆固醇相当，但由于有效的水合作用和极性基团的屏蔽作用，静电相互作用显著减弱。这些仅通过精确的界面水描述才能捕捉到的水合效应，为7-酮胆固醇富集膜的机械性质和生物学行为提供了分子层面的解释。
引言
固醇系统中的单个氧化基团使7-酮胆固醇（7-KC）与胆固醇（CHL）区分开来，但这种微妙的修饰极大地改变了其物理化学性质和生物学活性。胆固醇是维持膜完整性、横向组织和生理信号传导的重要且受严格调控的膜成分[1]。同时，7-KC根据浓度、细胞环境和暴露条件的不同，可能表现出有害或有益的活性[2]、[3]、[4]。在高浓度下，7-KC通过激活NADPH氧化酶和过量产生活性氧物种来促进氧化应激，破坏线粒体和溶酶体功能，引发促炎信号传导，并触发程序性细胞死亡途径，从而导致动脉粥样硬化和其他疾病中的内皮功能障碍和组织损伤[5]、[6]。其积累还与红细胞力学性质改变和膜硬度增加有关，这可能是心血管并发症的原因[7]、[8]、[9]。在神经系统中，7-KC与神经毒性和神经退行性疾病有关，它影响脂质代谢、膜通透性和细胞器稳态，在受影响患者的脑组织和脑脊液中检测到其水平升高[10]、[11]。针对模型髓鞘的研究表明，7-KC会通过液化作用严重破坏其结构，并导致表面电位显著下降[12]。
与此同时，7-KC和其他氧化固醇因其潜在的有益生物学效应而受到关注。已有报道指出7-KC具有抗多形性胶质母细胞瘤的抗癌活性，它通过使膜变硬来改变肿瘤膜结构并降低细胞运动性[13]。氧化固醇还表现出抗病毒特性，包括对寨卡病毒和SARS-CoV-2的抗病毒作用[14]、[15]、[16]。这些多样的生物学效应突显了7-KC的双重作用机制，并强调了系统研究其与其他生物膜相互作用的基本机制的必要性。在这方面，模型膜系统是不可或缺的，因为它们可以隔离和量化控制固醇掺入、取向、水合以及相界处分子间相互作用的物理化学因素。实际上，朗缪尔单层实验表明，7-KC与POPc和鞘磷脂等膜脂质的相互作用方式与胆固醇不同，并会扰乱模型脂质筏的组织结构[17]、[18]。
控制氧化固醇在膜界面行为的关键因素是水合状态。氧化固醇中额外的极性官能团改变了它们与界面水的相互作用，进而影响固醇组装的横向堆积、取向和机械性质[19]。准确描述这种水合效应需要一个能够高保真再现界面结构和表面张力的理论水模型。在常用的模型中，四点OPC水模型相比传统的三点模型（如[20]、[21]、[22]）能够更好地表示界面水。特别是，OPC能够再现实验表面张力，并使脂质单层的行为更加真实，而TIP3P则允许过多的水渗透并产生过于模糊的界面[23]。在我们之前关于22-羟基胆固醇异构体的研究中，我们证明使用OPC可以获得更清晰的水-固醇密度分布、减少人工水的侵入，并且与实验朗缪尔等温线更吻合[20]。
基于这些发现，在本研究中，我们利用OPC水模型通过分子动力学（MD）模拟来研究7-KC的水合状态和界面组织，并将其与胆固醇进行直接比较。通过结合实验朗缪尔单层数据和原子级模拟，我们旨在阐明固醇氧化如何改变水合状态、分子取向和分子间相互作用，从而提供7-KC独特物理化学和生物学行为的分子层面解释。
部分摘录
分子动力学模拟
对胆固醇（CHL）和7-酮胆固醇（7-KC）层系统进行了全原子MD模拟。7-KC的原子部分电荷是通过拟合高斯16方法计算的量子力学静电势（ESP）得到的[24]，使用Antechamber中的RESP程序实现[26]（使用密度泛函理论（DFT）获得的7-KC的优化分子几何结构如图1所示）。所研究的分子使用LIPID21力场进行参数化[27]，并且缺失的部分...
表面压力-面积等温线
π–A等温线是描述固醇单层组织的主要宏观指标，它直接关联了实验朗缪尔测量结果和从MD模拟中获得的分子级信息。图2将CHL和7-KC的实验确定的π–A等温线与从MD模拟中提取的每个分子的相应面积值进行了比较。CHL的实验等温线在压缩过程中表现出特征性的陡峭上升，反映了...
总结
总体而言，实验和模拟π–A等温线的比较表明，我们的MD模拟为宏观单层行为提供了可靠的微观解释[47]。7-KC等温线相对于胆固醇的显著偏移突显了固醇系统氧化在调节分子间相互作用、堆积密度和固醇单层机械性质方面的关键作用。对密度分布、取向、水合状态和能量学的分析...
CRediT作者贡献声明
扬·科比尔斯基（Jan Kobierski）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，监督，方法论，研究，概念化。安妮塔·文涅特扎克（Anita Wn?trzak）：撰写 – 审稿与编辑，方法论，研究，概念化。安娜·查查伊-布雷克iesz（Anna Chachaj-Brekiesz）：撰写 – 审稿与编辑，方法论，研究，概念化。帕特里夏·迪纳罗维奇-拉特卡（Patrycja Dynarowicz-Latka）：撰写 – 审稿与编辑，监督。
利益冲突声明
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致谢
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