Влияние катионов на структурные и электрические свойства липидного бислоя. Молекулярно-динамическое исследование, страница 6

Следуетотметить, что эффект наблюдается только при наличии в мембране фосфатидилсерина(PS). Многовалентные катионы способны адсорбироваться и на нейтральных фосфолипидах, вызывая сходные эффекты, хоть и меньшие по силе. Например, в работе [52]показано влияние катионов Gd3+ на форму гигантских униламеллярных липосом, помнению авторов, за счет изменения поверхностного натяжения внешнего монослоя поотношению ко внутреннему.Биологические эффекты, связанные с изменением дипольного потенциала.Естествен-но предположить, что трансмембранные белки, для которых конформационная подвижность заряженных групп внутри мембраны связана с их функционированием, должныбыть чувствительны к изменению дипольной компоненты граничного потенциала.

Эксперименты по взаимодействию короткого амфифильного пептида p25 с мембранамив присутствии веществ, увеличивающих и уменьшающих дипольный потенциал, подтверждают это естественное предположение [53]. Процесс слияния мембран и егомодулирование специальными белками также, по-видимому, зависит от дипольногопотенциала контактирующих мембран. Этот процесс был изучен теми же авторами напримере N-концевого пептида белка вируса иммунодефицита обезьян pg32, обладающейфьюзогенной активностью.

Авторы показали, что изменение дипольного потенциаламембраны при помощи флоретина и 6-кетостерола оказывало влияние на способность пептида к слиянию мембран [54]. Несмотря на убедительность функциональныхэффектов, стоит отметить, что направленное изменение дипольного потенциала вбиосистемах затруднительно без изменения состава мембраны. Поэтому многие изописанных авторами моделей, отводящих дипольному потенциалу роль функциональногорегулятора, нуждаются в дополнительном подтверждении численным экспериментом.1.2.6. Суммирование основных экспериментальных явлений, требующихмолекулярной интерпретации1) Как было сказано выше, влияние адсорбирующихся катионов на поверхностный потенциал успешно описывается теорией Гуи-Чепмена-Штерна [21].

При этом длянекоторых катионов плотность центров связывания в терминах изотермы Ленгмюраоказывается меньшей, чем поверхностная плотность адсорбционных мест — анионныхгрупп фосфолипидов [29]. Это указывает на то, что центры связывания катионовмогут быть устроены более сложным образом, чем предполагается в рамках трандиционной модели бинарной адсорбции, рассмотренной в разделе “Адсорбция ионов– 27 –на поверхности”. Для того, чтобы предложить формальное описание этих процессов,целесообразно анализировать детальной молекулярной картиной адсорбции в этихслучаях.2) Известно, что электрический потенциал гидрофобной области липидного бислоя всегда положителен по отношению к водной среде и его величина достигает, понекоторым оценкам, сотен милливольт.

В литературе происхождение этого потенциаласвязывают с гиперполяризацией дипольных моментов молекул воды в первой гидратнойоболочке полярных групп фосфолипидов. При оценках проницаемости липидного бислояв биологических и модельных системах изменением дипольного потенциала бислояобычно пренебрегали или же необоснованно считали его не зависящим от составараствора.

Действительно, ряд экспериментальных фактов, полученных в последниегоды, указывает на ошибочность такого подхода. Например, было показано, чтопри адсорбции высокоафинных катионов дипольная компонента граничного потенциаласущественно возрастает [31, 43]. Из данных, приведенных в работе [37], следует,что при адсорбции катиона бериллия на бислое DPPC в гелевом состоянии повышение поверхностного потенциала сопровождается понижением граничного потенциала.Похожий эффект наблюдается при адсорбции лизина на фосфатидилсериновом бислое.Эти эффекты не могут быть объяснены иначе, чем влиянием адсорбирующегося катионана дипольную компоненту потенциала.3)Под воздействием специфически адсорбирующихся катионов многовалентныхметаллов наблюдается резкое изменение площади поверхности липидного монослоя,сопровождающееся, в том числе, резким повышением дипольного потенциала [31,43].Это явление напоминает известные в электрохимии электрокапиллярные свойстважидких электродов, хотя молекулярная природа этих эффектов может быть различной.С другой стороны, изменение состояния гидратации полярных групп амфифильныхмолекул и их упаковки в липидном бислое может сопровождаться фазовым переходомбислоя из жидко-кристаллического в гелевое состояние.

При этом существеннымобразом меняется латеральное взаимодействие липидов, что должно отразиться нахарактере адсорбции ионов, на величине поверхностного заряда и на распределениипотенциала.Для интерпретации подобных явлений, как правило, предполагается влияниеионного окружения на состояние гидратации полярной области фосфолипидов, доказать которое весьма сложно прямыми измерениями. Это означает, что для адекватногоописания электрических и механохимических явлений в липидном бислое целесообразно обратиться к молекулярному моделированию и построению структурных моделеймежфазной границы бислой-вода.

Хотя в литературе описаны несколько подобных– 28 –моделей, однако известные нам исследования проводились при очень ограниченном наборе внешних условий и при их построении не ставилась задача сравнениямолекулярной структуры с данными электрохимических методов и существующими представлениями о структуре ДЭС.– 29 –1.3. Вычислительная химия в моделирование мембранВ работе использовано МД моделирование в полноатомном силовом поле с явнозаданным растворителем, которое предполагает наименьшее количество эмпирических входных данных и стало доступно лишь сравнительно недавно с появлениемвысокопроизводительных суперкомпьютеров. За несколько дней «реального» (вычислительного) времени стало возможным контролировать перемещение каждого атома всистеме на протяжении достаточно длительного «внутреннего» времени, порядка сотен наносекунд.

Многие системы за такое время достигают необходимого равновесияи исследователь имеет возможность изучать ее адекватную, реальную молекулярнуюструктуру. Особенность молекулярных моделей границ раздела фаз состоит в неопределенности положения этой границы по отношению к расположению отдельных молекулкаждой из фаз, а следовательно и в выводах о природе электрического потенциала за пределами диффузной части электрического двойного слоя. Выбор положенияграницы диффузного слоя особенно важен для наших систем еще и потому, что ионыэлектролита могут проникать лишь на незначительную глубину, определяемую химической природой и способом упаковки молекул на границе раздела. Правильный выборположения границы раздела позволяет выделить область диффузной части двойногоэлектрического слоя, убедиться в применимости к ней традиционных представленийв рамках теории Гуи-Чепмена и тем самым в корректности результата вычислительного эксперимента и полученной при этом визуализации молекулярных структур идвижений.

С учетом указанных особенностей МД симуляций и доступного в литературефактического материала можно получить сведения о различных факторах, влияющихна заряд поверхности, на структурную организацию плотной части электрического двойного слоя, на степень гидратации и, в конечном итоге, на латеральноевзаимодействие молекул на заряженной поверхности.1.3.1.

Моделирование липидных бислоевЧисленное моделирование липидных бислоев активно ведется в научном сообществе с начала 90-х годов. Самыми распространенными методами являются молекулярная динамика и ее варианты (например стохастическая динамика) и метод МонтеКарло. Первая группа методов подходит в случае, когда существует необходимостьмоделирования процессов во времени, тогда как метод Монте-Карло позволяет сболее высокой эффективностью сканировать конформационное пространство системы.Полноатомная молекулярная динамика с явным растворителем является, по мнению авторов, моделью с наименьшими эмпирическими априорными предположениями о– 30 –моделируемой системе среди множества всех механических моделей.

Использованиеданного метода сопряжено с рядом трудностей, среди которых мы отметим большуюресурсоемкость таких задач и отсутствие общепризнанного силового поля для полноатомных липидов. Причиной большой вычислительная сложности является в первуюочередь учет явного растворителя в бинарных системах мембрана-вода, количество атомов воды должно достигать 60–70% от общего количества атомов, особенноесли исследователю необходимо соблюсти условия электронейтральности удаленнойот поверхности объемной фазы4 .

Вопросы качества сканирования конформационногопространства различными методами широко обсуждаются до настоящего времени (см.,например, [55]).1.3.2. Технические аспекты молекулярной динамикиГраничные условия, ансамбли и технические детали.Ограничение объема системысоздает необходимость в специальных граничных условиях. Для замкнутых системразумно использовать так называемые периодические граничные условия, когда система (как правило, это параллелепипед) окружается собственными точными копиямисо всех сторон. На практике это выглядит следующим образом: одна молекула,пересекая правую стенку модельного «ящика» появляется слева. Наблюдение за суммарным импульсом частиц, прошедших через стенку, становится возможным вычислениекомпонент тензора давления.