Влияние катионов на структурные и электрические свойства липидного бислоя. Молекулярно-динамическое исследование (1102545)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

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.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов диссертации