Влияние катионов на структурные и электрические свойства липидного бислоя. Молекулярно-динамическое исследование (1102545), страница 14
Текст из файла (страница 14)
В работе рассмотрены три системы: DPPC:BeCl2 , DMPS:BeCl2 и DPPS:TMACl. В первых двух системахповерхность заряжена положительно адсорбированными катионами, в третьей — отрицательный заряд задан ионизованными группами DPPS. Для каждой системы найденораспределение противоионов (Cl− в первых двух случаях и TMA+ — в последнем) вдольнормали к поверхности бислоя (рис.
3.2.1). Согласно нашим данным расстояние, накотором перестает расти концентрация противоионов во всех трех случаях, оказалось примерно одинаковым и равным 10 Å [77]. Плоскость, параллельную поверхностибислоя и расположенную на этом расстоянии, можно принять в качестве условнойэлектрической границы, если оказываются выполненными следующие условия:10Отметим, что современные модели двойного слоя учитывают тот факт, что в диффузной частиДЭС кроме взаимодействия с заряженной поверхностью также существует ион-ионное взаимодействие,которое ослабевает при низких ионных силах. Этот факт, однако, не влияет на логику выбора внешнейплоскости Гельмгольца, предложенную в работе.– 64 –• Ионы снаружи от этой плоскости за пределами бислоя можно считать свободными, их распределение целиком определяется электростатическим потенциалом,создаваемым заряженной поверхностью.• Ионы по другую сторону плоскости можно адсорбированными в бислое и потенциалопределящими с точки зрения классической модели.
Понятно, что их распределение определяется не только электростатическими взаимодействиями с поверхностью.• Электрический потенциал, рассчитанный в этой плоскости соответствует поверхностному потенциалу, Ψs или Ψ(0), в модели ГЧ и выполняется (1.1.1).• Суммарный заряд, заключенный между условной границей и гидрофобным слоем,соответствует поверхностному заряду, σ, в модели ГЧ.Выполнение этих условий было проверено при расчете потенциала на этой границе для ряда модельных систем с варьируемой ионной силой раствора и составоммембраны, от которых зависит заряд поверхности.
В разделе “Вычисление электростатического потенциала” было описано три способа определения потенциала изравновесной траектории: по формуле Пуассона, как потенциал средней силы и какпотенциал взаимодействия иона с окружением.
Значения потенциала, полученные принепосредственном интегрировании распределения зарядовой плотности в направлении нормали к бислою, имеют погрешность в выбранной нами плоскости, котораясопоставима с ожидаемыми значениями потенциала (порядка десятков милливольт).Более точную оценку дает потенциал средней силы, рассчитанный для противоионовпо формуле:Ψs =C0RTln,FC∞(3.2.1)где C0 — концентрация противоионов на условной границе, C∞ — их концентрация вобъеме. В таблице 3.2.1 приведены значения потенциала полученного из расчетовМД на мембранах с различной долей анионных липидов в составе бислоя. Для сравнения в таблице приведены результаты расчета заряда и потенциала по формуламклассической модели ГЧШ (1.1.14). Хорошее соответствие поверхностного заряда ипотенциала для аналитической модели и вычислительного эксперимента подтверждаеткорректность использования выбранной плоскости в качестве условной электрической границы и предложенной схемы расчета поверхностного потенциала.
Кроме того,такое согласие говорит о применимости модели ГЧШ для молекулярно-динамическойсистемы липидный бислой-вода.5000.84000.63000.42000.210005100155001.04000.83000.62000.41000.2−10−50510152025301.26001.05000.84000.63000.42000.2100−505101520[Cl-] ,мМ−5Локальная концентрация0.0−101.2[Cl-] ,мМ1.0[TMA+] ,мМЛокальная плотность компонентов, г/см3– 65 –25Рис 3.2.1: Распределение противоионов вблизи поверхности заряженных мембран заряд которых определяется адсорбированными катионами (а,б) или наличием в составе анионных липидов DPPS (в).Жирными линиями на на рисунках показано распределение противоионов Cl (a,б) или TMA (в).
Тонкимилиниями показано распределение плотности липидной (фиол.) и водной (голуб.) компонент.В работе также было проанализирована применимость более современной моделиДЭС Гонсалеса-Санса по сравнению с классической моделью ГЧШ, результаты такого сопоставления изложены в Приложении и демонстрируют хорошее согласие этихмоделей в интересующих нас областях.– 66 –Система DPPS/PC% PS [KCl], мМ6720 %1011765840 %881517760 %109176данные МДΨP M F , мВ σ, µКл/см2-54-2.9-43-2.8-31-2.5-78-4.7-67-4.6-53-4.4-80-5.6-72-5.6-58-5.4по модели ГЧШΨP M F , мВ σ, µКл/см2-50-2.8-41-2.8-31-2.6-74-4.4-63-4.4-50-4.2-77-5.5-69-5.4-56-5.3Таблица 3.2.1: Расчетные значения поверхностного потенциала и заряда (объяснения в тексте),полученные на модельных системах DPPC/DPPS при T = 340 K [39]. Значения в правых столбцахполучены с использованием классических уравнений ГЧШ, принимая K = 1 М−1 , а σ0 = 20 µКл/см2 .3.2.2.
Параметры связывания одновалентных катионов в вычислительномэкспериментеСделанный выше выбор положения условной границы, которую можно считатьвнешней плоскости Гельмгольца, позволяет рассчитать параметры адсорбции катионов на липидном бислое в вычислительном эксперименте. Количественное описаниеадсорбции катионов на поверхности мембран разного состава было разработано иэкспериментально обосновано в работах С.Маклафлина [21].
Предложенная авторамиэтой работы теоретическая модель получила широкое распространение и включает всебя основные соотношения теории Гуи-Чепмена, дополненные изотермой связываниякатионов. В след за авторами мы называем эту теорию моделью Гуи-Чемпена-Штерна(ГЧШ). Эта модель с хорошей точностью описывает электрокинетические данные,полученные разными авторами для липосом различного состава в присутствии многихионов и молекул. Однако способ определения параметров модели, а тем более молекулярные структуры, ответственные за связывание катионов разной валентности,по прежнему остаются предметом дискуссии [12].В рамках используемого приближения в качестве центров связывания катионовпредполагаются отрицательно заряженные молекулы анионных фосфолипидов.
Изотермасвязывания описывается двумя независимыми параметрами: максимальным свободнымзарядом, σ0 , и константой связывания, K. Максимальный свободный заряд — это плотность центров связывания, выраженная в единицах заряда. Предполагается, что σ0прямо пропорциональна содержанию анионного липида в смеси (α), то есть σ0 = αQ.Здесь Q — плотность центров связывания для бислоя из анионного липида. Методопределения параметров связывания K и Q для одновалентного катиона на анионных липидах одного вида подробно описан в разделе “Оценка параметров адсорбции– 67 –ионов”.
Этот метод предполагает проведение серии расчетов с различным содержанием анионного липида в смеси. После этого средние значения приповерхностныхконцентрации катионов (C0 ) откладываются на графике в зависимости от соотношения(α/σ). Пример таких зависимостей для катионов Na+ и K+ на бислоях с варьируемым содержанием отрицательно заряженных молекул DPPS приведен на рис. 3.2.2.Наклон и смещение прямых позволяет определить параметры связывания, приведенные в табл. 3.2.2 для различных систем.
Заметим, что необходимым условием дляприменимости такого подхода является отсутствие связывания исследуемого катионас нейтральным липидом. Как оказалось, для некоторых катионов (многовалентныекатионы и Li+ ) это условие не выполняется.,1.4K=1.0 M−1Q=-21.2 µ /21.2K=2.6 M−1Q=-16.8 µ /1.02X+0.80.60.40.20.00.25K+,Na+,K+,Na+,0.200.15α/σ, (µ /2)−10.10Рис 3.2.2: Пример определения параметров связывания катионов K+ и Na+ на DPPS на серии мембрансмешанного состава из данных вычислительного эксперимента по наклону и смещению прямых в выбранныхкоординатах (см. описание в тексте).
Маркеры одинаковой формы соответствуют системам с одинаковымлипидным составом и различной ионной силой.Как видно из таблицы 3.2.2 константа связывания с фосфатидилсерином оказывается больше для катионов Na+ , меньшей для катионов K+ и TMA+ и еще меньшей— для катионов Cs+ , что согласуется с экспериментальными данными, полученными– 68 –на жидкокристаллических бислоях [29, 33]. Согласие данных такого расчета с данными реального эксперимента демонстрирует корректность выбора условной границыи позволит нам в дальнейшем сформулировать структурную модель плотной частидвойного слоя в липидном бислое.Следует отметить, что нам удалось в вычислительном эксперименте получитьпараметры связывании Na+ и K+ с DPPS бислоем в гелевом состоянии. В настоящеевремя в литературе отсутствуют сведения об адсорбции на гелевых бислоях. Судяпо полученным нами данным, имеется существенное отличие констант связывания сбислоями в разных фазовых состояниях.
Это означает, что молекулярные характеристики центра связывания зависят от фазового состояния липидного бислоя и,следовательно, от упаковки углеводородных цепей. Косвенные подтверждения этогофакта были недавно получены методом титрационной изотермической калориметрии(Ермаков Ю., Сухарев С., неопубликованные данные).Согласно данным Табл. 3.2.2, плотности центров связывания для разных катионов существенно различны. При этом для катионов Na+ и TMA+ эти значения,полученные в вычислительном и реальном экспериментах, очень близки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
