Non-ideality of mixing in phospholipid bilayer system : molecular dynamics view
par Yelyzaveta Berezovska
Thèse de doctorat en Physique
Sous la direction de Fabrice Thalmann.
Soutenue le 12-12-2022
à Strasbourg , dans le cadre de École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....) , en partenariat avec Institut Charles Sadron (Strasbourg) (laboratoire) .
Le président du jury était Hendrik Meyer.
Le jury était composé de Carlos Manuel Marques.
Les rapporteurs étaient Claire Loison, Andrew Callan-Jones.
- Bicouches lipidiques
- Membranes
- Facteur de structure
- Réponse linéaire
- Théorie de Kirkwood-Buff
- Mélanges lipidiques
- Théorie des solutions régulières
- Simulations numériques
- SPICA
- LAMMPS
- Mélanges (chimie)
- Membranes lipidiques
- Phospholipides
- Dynamique moléculaire
mots clés
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Titre traduit
Mélanges non-idéaux dans les bicouches phospholipidiques : approche dynamique moléculaire
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Résumé
Les phospholipides sont des molécules amphiphiles qui s'auto-assemblent en bicouches dans l'eau et présentent des propriétés physiques et chimiques complexes et diverses en fonction de leur composition. Le rôle des lipides dans les membranes cellulaires est essentiel. La dynamique moléculaire permet d'étudier les structures des bicouches à des échelles nanométriques et picosecondes, qui sont soit difficiles soit impossibles à atteindre expérimentalement. Nous nous concentrons ici sur les propriétés thermodynamiques des mélanges lipidiques purs et binaires, en utilisant le champ de force lipidique à gros grains SPICA. En adaptant la théorie des solutions de Kirkwood-Buff à notre cas, nous analysons les fluctuations de densité dans l'espace réciproque (facteurs de structure) pour obtenir les paramètres thermodynamiques d'intérêt, tels que la compressibilité ou l'énergie libre de mélange dans une théorie de description régulière des solutions. Nous montrons ensuite comment relier en pratique les propriétés moléculaires des modèles lipidiques à gros grains aux propriétés thermodynamiques collectives du système macroscopique correspondant.
- Lipid bilayers
- Membranes
- Structure factor
- Linear response
- Kirkwood-Buff theory
- Lipid mixtures
- Theory of regular solutions
- Numerical simulations
- SPICA
- LAMMPS
mots clés
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Résumé
Phospholipids are amphiphilic molecules that self-assemble into bilayers in water, and display complex and diverse physical and chemical properties depending on the composition. The role of lipids in cell membranes is essential. Molecular dynamics allows to investigate bilayer structures at nanometric and picosecond scales, that are either challenging or impossible to reach experimentally. We focus here on the thermodynamical properties of pure and binary lipid mixtures, using the SPICA coarse-grained lipid force field. Adapting the Kirkwood-Buff theory of solutions to our case, we analyse the density fluctuations in reciprocal space (structure factors) to obtain the thermodynamic parameters of interest, such as the compressibility or the free-energy of mixing in a theory of regular solution description. We then show how to relate in practice the molecular properties of coarse-grained lipid models to the collective thermodynamical properties of the corresponding macroscopic system.
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