A comparison of the properties of condensed phases of n-pentadecane in OPLS-AA and Slipids forcefields

OPLS-AA jest jednym z pól siłowych stosowanych z powodzeniem w symulacjach dynamiki molekularnej białek, węglowodanów oraz kwasów nukleinowych. Symulacje dynamiki molekularnej dla dekanu oraz krótszych n-alkanów charakteryzują się satysfakcjonującym odtworzeniem wyników eksperymentalnych, lecz oryginalna parametryzacja OPLS-AA zawodzi w przypadku dłuższych alkanów oraz łańcuchów alifatycznych typowych fosfolipidów błonowych. Pośród prób zaradzenia temu problemowi można wyróżnić modyfikację ładunków cząstkowych atomów węgla i wodoru w łańcuchach alifatycznych tak, aby poprawnie odtwarzały moment dipolowy wiązań C-H w węglowodorach oraz reparametryzację niektórych potencjałów torsyjnych.W niniejszej pracy porównano cztery różne zestawy parametrów: oryginalne OPLS-AA, OPLS-AA ze zmodyfikowanymi ładunkami cząstkowymi, OPLS-AA z alternatywnym zestawem parametrów torsyjnych oraz parametry Slipids, wyprowadzone dla typowych fosfolipidów. Porównanie obejmuje wybrane parametry fazy skondensowanej n-pentadekanu, jako cząsteczki modelowej symulującej łańcuchy alifatyczne lipidów. Analizowane wielkości fizyczne to entalpia parowania, gęstość, populacje konformacji gauche i entalpia swobodna solwatacji w wodzie.

The OPLS-AA force field has been successfully used in MD simulations of proteins, carbohydrates and nucleic acids. While the parameterization of decane and shorter alkanes provides satisfactory reproduction of experimental results, it fails in the simulations involving longer alkanes and thus also typical membrane phospholipids. There have been several attempts to correct this flaw, including alternating point charges of H and C atoms in hydrocarbon chains in such a way that they match the calculated dipole moment of C-H bonds in hydrocarbons and reparameterization of selected torsion potentials.In this work we compared four distinct parameter sets: original OPLS-AA, OPLS-AA with alternated point charges, OPLS-AA with a newly fitted set of torsion potentials and parameters of Jämbeck and Lyubartsev (Slipids), originally developed for a series of phospholipids. The comparative analysis includes several condensed phase parameters of n-pentadecane -- a model molecule simulating aliphatic lipid chains. The investigated quantities are heat of vaporization, density, trans/gauche populations and free energy of hydration.