Molecular Dynamics Studies on Structural Stability of Ceramide Ⅲb Layers and Potential of Mean Force

Abstract

Ceramides, one of the major lipid components in intercellular lipid layer of stratum corneum, keep moisture of skin from evaporating. Emulsion containing ceramide molecules improves skin diseases, so experts in cosmetic and dermatological industries are actively developing the processes to produce balanced emulsions. After few months, ceramides content in the emulsified layer decreasea and crystalline phase of ceramides gets shown on the X-ray diffractions. This phenomenon is called gelling and the mechanism is undiscovered. In this study, we investigated microscopic behavior of ceramide Ⅲb layers using computer modelling and molecular dynamics (MD) simulation. The structural stability of bilayers and monolayers was analyzed by calculating the area per lipid (APL), density profiles, and distribution histogram. The results showed that the bilayers reached equilibrium within simulation duration of 100 ns regardless of the ceramide composition and temperature, while monolayers at high temperature were collapsed. Then we revealed that ceramides stabilize the emulsified layers by their hydrophobic interaction from physicochemical research using umbrella sampling simulations.;피부각질층의 세포간지질층에 있는 주요 지질 성분 중 하나인 세라마이드는 피부의 수분 증발을 막는 역할을 한다. 세라마이드가 함유된 에멀전은 피부 질환을 개선시켜주고, 따라서 화장품과 의약품 산업체의 전문가들은 밸런스가 맞는 세라마이드 제품을 만들고자 활발히 연구 중이다. 제조 후 몇 개월이 지나면 에멀전 레이어의 세라마이드 함량이 줄어들고, X선 회절에서 세라마이드 결정이 관찰된다. 이 현상을 겔링이라고 말하고, 겔링의 원인은 아직 밝혀지지 않았다. 본 연구는 컴퓨터 모델링과 분자동역학(Molecular dynamics; MD) 시뮬레이션을 이용하여 세라마이드 Ⅲb 레이어의 미시적인 거동을 관찰하였다. 바이레이어와 모노레이어의 구조적 안정성을 분자당면적과 밀도 곡선, 분포 히스토그램으로 분석하였다. 실험 결과, 바이레이어는 세라마이드 함량과 온도에 상관없이 100 ns 시뮬레이션 동안 평형에 도달했지만, 모노레이어는 높은 온도에서 붕괴되었다. 그리고 umbrella sampling을 이용한 물리화학적 연구를 통해, 세라마이드가 에멀전 레이어가 세라마이드 potential of mean force curve에 local energy minima와 energy barrier를 만들어 레이어 안정성에 영향을 미친다는 것을 밝혀냈다.