Влияние катионов на структурные и электрические свойства липидного бислоя. Молекулярно-динамическое исследование

ФГБОУ ВПО Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова,ФГБУН Институт физической химии и электрохимии имени А.Н.Фрумкина РАННа правах рукописиНестеренко Алексей МихайловичВлияние катионов на структурные иэлектрические свойства липидного бислоя.Молекулярно-динамическое исследование.Специальность: электрохимия (02.00.05)Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наукНаучные руководители:доктор физико-математических наук, Ермаков Юрий Александрович,кандидат физико-математических наук, доцент, Красильников Павел МихайловичМосква — 2014СодержаниеСписок сокращений ....................................................4Введение .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51Обзор литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.1.Распределение электрического поля в двойном электрическом слое .......81.1.1.Классическая модель распределения электрического поля и ионов вблизи поверхности ...............................................91.1.2.Адсорбция ионов на поверхности ................................121.1.3.Развитие моделей ДЭС .........................................141.2.Экспериментальные подходы в изучении границы раздела мембрана-вода ...171.2.1.Граничный потенциал бислоя и его компоненты ....................171.2.2.Регистрация электростатических эффектов на поверхности липидныхмембран .....................................................191.2.3.Регистрация и анализ неэкранируемой компоненты граничного потенциала бислоя.................................................221.2.4.Природа дипольного потенциала липидного бислоя .................231.2.5.Биологические эффекты катионов и изменения дипольного потенциала .251.2.6.Суммирование основных экспериментальных явлений, требующих молекулярной интерпретации .......................................261.3.Вычислительная химия в моделирование мембран .......................291.3.1.Моделирование липидных бислоев ................................291.3.2.Технические аспекты молекулярной динамики ......................301.3.3.Известные подходы к описанию детальной молекулярной картины липидного бислоя..................................................321.3.4.Техники вычислительного эксперимента для исследования межфазнойграницы липидного бислоя......................................361.4.Цели и задачи исследования ........................................382Методы постановки и анализа вычислительных экспериментов .

. . . . . . . 392.1.Конструирование молекулярных моделей липидного бислоя ...............392.1.1.Начальная геометрия системы липидный бислой-вода ................392.1.2.Расчет и подбор параметров силового поля .......................402.2.Техника молекулярно-динамического моделирования липидных бислоев .....432.3.Методы обработки траекторий .......................................462.3.1.Привязка к относительным координатам ...........................462.3.2.Вычисление коэффициентов диффузии .............................472.3.3.Вычисление электростатического потенциала ......................481– 2 –2.3.4.Расчет различных параметров молекулярной структуры растворителя илипидного бислоя .............................................492.4.Теоретические оценки .............................................512.4.1.Решение уравнения Пуассона-Больцмана в периодической системе в отсутствие коионов .............................................512.4.2.Оценка параметров адсорбции ионов .............................522.4.3.Модель Гуи-Чепмена-Штерна в системе с двумя типами одновалентныхкатионов ....................................................532.5.Использованные программные пакеты .................................543Результаты вычислительных экспериментов с липидным бислоем и иханализ .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563.1.Основные характеристики молекулярно-динамической картины липидного бислоя .............................................................573.1.1.Сопоставление структуры липидного бислоя по данным рентгеноструктурного анализа и МД-расчетов .................................583.1.2.Важные детали структурной организации липидного бислоя ..........593.2.Структура ДЭС на границе липидный бислой-вода ......................623.2.1.Условная электрическая граница бислоя ..........................633.2.2.Параметры связывания одновалентных катионов в вычислительном эксперименте ...................................................663.2.3.Локализация одновалентных катионов внутри бислоя ................693.2.4.Структурная модель ДЭС липидного бислоя в сравнении с классическоймоделью .....................................................743.3.Гидратация межфазной границы и природа дипольного потенциала .........763.3.1.Граница бислой-вода с учетом эффектов гидратации ................763.3.2.Дипольный потенциал как объект исследования ....................793.3.3.Дипольный потенциал с учетом эффектов гидратации бислоя .........823.3.4.Связывание лизина с отрицательно заряженной БЛМ.................843.3.5.Структурная модель влияния ионов на дипольный потенциал бислоя ...873.4.Адсорбция многовалентных катионов и механические свойства бислоя .....903.4.1.Механические характеристики бислоя и монослоя ..................903.4.2.Изменение дипольного потенциала при латеральной конденсации липидов 923.4.3.Особенности связывания многовалентных катионов .................94– 3 –Заключение .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100Основные результаты, выносимые на защиту . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101Благодарности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .102Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .103Приложение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .114A.1.Распределение концентрации ионов в диффузной части ДЭС в вычислительномэксперименте и моделях ГЧ и ГС .................................... 114A.2.Энергия ионов в диффузном слое с учетом эффектов гидратации .......... 115A.3.Взаимодействие квадрупольного момента гидратной оболочки катиона сэлектрическим полем .............................................. 117– 4 –Список сокращенийВ стандартном представлении структуры фосфолипидов название имеет вид“[T][T][HH]” или D[T][HH], где [T] — наименования жирной кислоты (однобуквенное), [HH] — наименование липидной головки (двухбуквенное), «D» обозначает «ди».Наименования жирных кислот: P — пальмитиновая, O — олеиновая, M — миристоиловая.Наименования липидных головок: PS — фосфатидилсерин, PC — фосфатидилхолин, PE —фосфатидилэтаноламин, PG — фосфатидилглицерол, PA — фосфатидная кислота, PI —фосфатидилиннозитол.

Примеры названий: DPPS — дипальмитоилфосфатидилсерин, POPS— пальмитоилолеилфоcфатидилхолин.Различные органические соединения: TMA — тетраметиламмоний; ПЛЛ — полиL-лизин; CL — кардиолипин; SDS — «sodium dodecyl sulphate» (додецилсульфатнатрия).Наименования физических методов: МД — молекулярная динамика; КХ/QM — квантовая химия; ЭПР — электронный парамагнитный резонанс; КВП — компенсация внутреннего поля; ДЛС — динамическое лазерное светорассеяние; ЯМР — ядерный магнитныйрезонанс.Аббревиатуры вычислительной химии: PME — «particle-mesh Ewald», разновидность суммирования по Эвальду в обратном Фурье-пространстве, не имеет русскойаббревиатуры; OPLS — Optimized Potentials for Liquid Simulatioons; АКФ — автокорреляционная функция; ФРР — функция радиального распределения (RDF); DFT —«density functional theory», теория функционала плотности; ПП — параметр порядка; PMF — «Potential of Mean Force» (потенциал средней силы); УВ-цепи —углеводородные цепи (липидные хвосты); ж/к — жидко-кристаллический; pA-диаграма— диаграма «давление-площадь»; ПБ — Пуассона-Больцмана.Прочие аббревиатуры: СГС — сантиметр-грам-секунда; ГЧ — Гуи-Чепмена; ГС —Гонсалеса-Санса; ГЧШ — Гуи-Чепмена-Штерна; ДЭС — двойной электрический слой; Ψs— поверхностный потенциал; Ψd — дипольный потенциал; Ψb — граничный потенциал;Ψζ — электрокинетический или ζ-потенциал; БЛМ — бислойная липидная мембрана;– 5 –ВведениеЭлектрическое поле на границах клеточных мембран является важным регулирующим фактором в процессах, сопровождающих транспорт гидрофобных катионовчерез мембрану, адсорбцию заряженных молекул на ее поверхности и разряд переносчиков электрона на специализированных мембранных акцепторах.

Распределениеэлектрического потенциала на границах мембран определяется их липидной фракциейи включает в себя падение потенциала в диффузной части двойного электрическогослоя (поверхностный потенциал) и в плотной части ДЭС (дипольный потенциал). Изучение факторов, влияющих на эти компоненты граничного потенциала, целесообразнопроводить на модельных липидных системах (липосомы, липидные монослои, плоскиебислойные липидные мембраны) с применением различных электрохимических методов.

Липидный бислой формируется амфифильными молекулами фосфолипидов, каждаяиз которых состоит из ионизованной полярной группы, экспонированной в окружающий водный раствор сложного ионного состава, и гидрофобных углеводородныхцепей, недоступных для ионов электролита. Граница липидного бислоя представляетсобой частный случай границы раздела гидрофобной среды и воды, которую можнорассматривать как поверхность идеально поляризуемого электрода и использоватьдля ее описания известные электрохимические модели.