Влияние катионов на структурные и электрические свойства липидного бислоя. Молекулярно-динамическое исследование (1102545), страница 13
Текст из файла (страница 13)
Относительные плотностифрагментов липида в мембране из DPPC приведены на рис. 3.1.4. Ось z ориентированна по нормали к поверхности, а ее начало совпадает со средним значением– 60 –z-координаты Cα -атомов глицерина (см. “Привязка к относительным координатам”).Углеводородный «хвост», сложноэфирные связи, глицериновое основание и фосфатнаягруппа располагаются в мембране в том же порядке, в котором они следуют в молекуле. Однако холиновая группа расположена приблизительно на одном уровне (0-0.6нм) с фосфатной. Отсюда следует, что наводимый липидными головками дипольныймомент в Z-направлении близок к нулю; при изменении структуры бислоя, напримерпри погружении холиновой группы, он может приобрести положительный или отрицательный знак. Другой интересный нам липид, DPPS, имеет вместо относительногидрофобной холиновой группы гидрофильную сериновую, содержащую карбоксильнуюи аммониевую заряженные группы.
На рис. 3.1.3 (точки) можно видеть, что положительная аммониевая группа располагается ближе к поверхности, чем отрицательнаякарбоксильная. Такое расположение можно объяснить электростатическим взаимодействием этих групп с отрицательной фосфатной группой, положение которой вмембране, по-видимому, неизменно относительно глицеринового остова.Для исследования структуры межфазной границы, важно знать, зависит ли взаимное расположение групп фосфолипида вдоль нормали к поверхности от ее состава. Распределение молекулярных групп в бислоях смешанного состава (DPPC/DPPS)с различным содержанием DPPS в жидкокристаллическом состоянии изображены нарис.
3.1.3. Заметим, что положение максимумов распределения не зависит от содержания фосфатидилсерина в липидной смеси, что само по себе не является очевидным.Единственная группа, распределение которой обнаруживает значительные отклонения при изменении состава — это тетраметиламмониевая группа фосфатидилхолина:ее вероятность появления вблизи поверхности снижается по мере увеличения долисерина в смеси. Это можно объяснить тем, что «места» вблизи поверхности выгоднеезаполняются группами серина, чем более гидрофобными группами холина. В остальномможно видеть, что взаимное расположение групп в липидных смесях такого составаинвариантно по отношению к выбранной точке отсчета. Отметим, что центральныйатом глицерина использовался в качестве точки отсчета также в работе [4].
Такимобразом, проведенные вычислительные эксперименты позволяют нам обосновать сделанный выше выбор глицериного остова в качестве условного геометрического нуля,общего для всех исследуемых нами систем.Важным параметром структуры межфазной границы, влияющим на распределениев ней электрического поля, является ориентация полярных групп фосфолипидов.С другой стороны, ориентация углеводородных цепей может оказывать влияние налатеральную подвижность липидов. Обе эти характеристики зависят от фазовогосостояния липидного бислоя. Исходная гексагональная система после небольшой оп-– 61 –Рис 3.1.3: Нормированное распределение плотности молекулярных групп фосфолипидов вдоль нормали к поверхности для мембран из смеси DPPS/DPPC в50 мМ растворе KCl.
Доля анионного липида в смесисоставляла 20 % (сплошные линии), 40 % (пунктиры) и 60 % (точки). Для центрально-симметричныхгрупп стрелками соответствующего цвета отмеченван-дер-ваальсовый радиус группы в обе стороныот положения максимума плотности.ФазаLβ ′LαИоны–NaClBeCl2–NaClBeCl2σΣ10.910.39.96.05.05.0α44.140.133.851.634.355.3σ(β)4.816.77.3101.696.2102.3Θ11.111.915.09.99.911.9σ(Θ)22.326.222.615.315.618.0Таблица 3.1.2: Параметры ориентации липидныххвостов и полярных групп DPPC при разной температуре в присутствии различных катионов.
«–»— ионы в системе отсутствуют; σΣ — степень выпрямленности углеводородных цепей; α — среднийнаклон УВ цепей к нормали; σ(β) – среднеквадратическое отклонение азимутального угла наклонаУВ цепей; Θ — средний наклон P − N + -диполя кповерхности; σ(Θ) – среднеквадратическое отклонение Θ.
Все углы приведены в градусов.Рис 3.1.4: Распределение в мембране отдельныхструктурных компонент молекул DPPC в присутствии NaCl и T = 340 K (вверху) и схематическоеизображение монослоя (внизу). Цифрами указаныобласти, в которых располагаются углеводородныецепи молекул липида (1), участок глицерина (2),фосфатная (3) и холиновая (4) группы и молекулыводы (5). Плотность каждой компоненты нормирована на ее максимальное значение. Относительноерасположение отдельных групп фосфолипида и молекул воды на границе раздела представлена схематично. Символом Cα обозначена точка отсчета.Рисунок опубликован в работе [76].тимизации представляет собой гелевую фазу Lβ , в которой углеводородные цепимолекул липида расположены ортогонально поверхности.
В зависимости от условийвычислительного эксперимента, бислой может быть уравновешен как в гелевом, так ив жидко-кристаллическом состояниях. Параметры ориентации гидрофобных и полярныхгрупп липида приведены в таблице 3.1.2. Методика расчета этих величин подробноприведена в разделе “Расчет различных параметров..”. В жидкокристаллическом состоянии бислоя угол наклона диполя -P-N+ к поверхности мембраны, Θ, оказываетсяположительным 10–12°с примерно таким же по ширине интервалом разброса значенийσ(Θ) ≃ 10°. В гель-состоянии угол практически не меняется, тогда как среднеквадратичное отклонение его значений увеличивается почти вдвое.
Заметим, что этирезультаты практически не зависят от присутствия катионов. В наших МД симуляци-– 62 –ях наклон диполя полярной головки DPPC в гель-состоянии немного увеличиваетсяпри добавлении Na+ и значительно сильнее в присутствии Be2+ . При «плавлении»бислоя угол наклона в обоих случаях существенно уменьшается. В таблице 3.1.2также приведены количественные оценки углов наклона хвостов в стабильном состоянии системы после ее уравновешивания при разных температурах. Заметим, чторавновесное состояние при температурах 250 K и 300 K соответствует скошеннойгелевой фазе Lβ ′ и характеризуется наклоном угеводородных цепей по отношениик нормали под углом 35°, который сохраняется до момента фазового перехода вжидкокристаллическое состояние.
Этот угол заметно увеличивается в присутствииадсорбированных катионов Na+ и Be2+ . При «плавлении» бислоя этот угол уменьшаетсятолько в присутствии катионов Na+ , хотя цепи становятся настолько искривленными,что говорить об угле их наклона можно лишь условно. Образование «наклонного», ане «прямого», геля было обнаружено и экспериментально в работе [100] при близкихзначениях температуры и давления. Угол наклона цепей к нормали, α, варьируетв температурном диапазоне 250–290 K между 25°и 35°и составляет ≃ 40°при 300 К(см. табл. 3.1.2), тогда как экспериментальное значение при 298 K составляет33° [100].Если провести на плоскости бислоя прямую в произвольном направлении, тоугол между проекцией УВ цепи на плоскость бислоя и этой прямой можно назвать«азимутальным углом». Абсолютное значение этого угла зависит от выбора исходногонаправления, однако дисперсия этого угла может давать информацию о согласованности движений УВ цепей в монослое.
Как видно из данных табл. 3.1.2, азимутальныйугол, β, оказывается различен для всех липидов в жидкой фазе и сходен для липидов в гелевой фазе (дисперсия β рассчитана для липидов монослоя). То есть вгелевой фазе все цепи направлены в одну сторону, если «смотреть» на мембранупо нормали к поверхности из объемной фазы. Согласно нашим данным угол наклонацепей к нормали в обоих монослоях примерно совпадает, тогда как в азимутальныйугол устанавливается для каждого монослоях независимо.3.2. Структура ДЭС на границе липидный бислой-водаДля определения поверхностного потенциала системы и последующего его сравнения с экспериментальными данными и предсказаниями теоретической модели двойного электрического слоя (ДЭС), в первую очередь необходимо было определитьположение заряженной границы его диффузной части.
В связи с тем, что границабислоя достаточно «рыхлая», положение такой поверхности не может быть установ-– 63 –лено только из геометрических соображений. Сопоставление данных вычислительногоэксперимента с результатами расчета в рамках модели ГЧ используется как критерий корректности выбора положения внешней плоскости Гельмгольца. С этой жецелью производится определение феноменологических констант связывания катионовна основании МД экспериментов.3.2.1. Условная электрическая граница бислояВ разделе “Граничный потенциал бислоя...” было дано определение поверхностного потенциала без учета молекулярной структуры границы.
Для анализа вычислительного эксперимента в рамках классической модели на детальной молекулярнойкартине бислоя нужно найти плоскость, эквивалентную заряженной поверхности вмодели ГЧ. Эту плоскость можно также называть внешней плоскостью Гельмгольца.Сложная молекулярная организация границы раздела не позволяет решить эту задачу простым способом, например, проведя эту плоскость через среднее положениезаряженных групп фосфолипидов. Кроме того, поведение ионов вблизи границы липидного бислоя определяется не только электростатическим взаимодействием, чтосущественно усложняет выбор положения такой границы. Однако если оставить этузадачу нерешенной, сравнение данные вычислительного и реального экспериментовстанет невозможным.Согласно обычным представлениям в диффузном слое ионы участвуют в броуновском движении и на их распределение влияет только электростатический потенциал, зависящий от расстояния до заряженной поверхности (1.1.1)10 .Достаточноочевидно, что концентрация противоионов с низкой адсорбционной способностью(K << 1 М−1 ) должна быть максимальной на границе диффузного слоя.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
