Влияние катионов на структурные и электрические свойства липидного бислоя. Молекулярно-динамическое исследование (1102545), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Следуетотметить, что численное значение плотности центров оказывается ниже ожидаемой. Действительно, если предположить, что каждая молекула фосфатидилсеринаявляется потенциальным центром связывания (адсорбционным местом), то должновыполняться условие Q = e/Alip . Для DPPS в состоянии геля плотность центров,рассчитанная таким образом, составляет 30, а в жидкокристаллическом состоянии— 25 µКл/см2 . Однако расчетные значения Q оказываются меньше предсказываемойвеличины. В рамках классической (бинарной) модели адсорбции этот факт означает,что часть анионных липидов не участвует в равновесии при связывании катионов.MDкатионNa+Na+K+K+TMA+Cs+Li+K2.60.41.02.01.10.2>1Q-17-9-21-25-24-3—условия70 мМ, ж.-к.50 мМ, гель70 мМ, ж.-к.50 мМ, гель˜100 мМ, ж.-к.˜500 мМ, гель˜100 мМ, ж.-к.K0.80.20.10.050.8ЭкспериментQусловия-1650 К, ж.-к.(A)Нет данных-16 50 мМ, ж.-к.(A)Нет данных-21 100 мМ, ж.-к.(A)-23 100 мМ, ж.-к.(B)-23 100 мМ, ж.-к.(B)Таблица 3.2.2: Параметры адсорбции различных катионов, полученные из рассчета и сравнение сэкспериментальными литературными данными.
Константы (K) приведены в М−1 , плотности центров (Q)— в мккл/см2 . Экспериментальные данные приведены из работ (A) — [29]; (B) — [33]; в этой работеплотность центров связывания задавалась исходя из удельной площади молекул PS. Экспериментальныеданные получены только для жидко-кристаллических бислоев.– 69 –Ближе всего к предсказанной величине находится плотность центров для тетраметиламмония. Данные электрокинетических измерений и независимо подтвержденные вМД, позволяют утверждать, что центры связывания даже самых простых ионов имеютболее сложную природу, чем предполагает традиционная модель бинарной адсорбцииЛенгмюра. Причиной этого эффекта может быть несколько.
Например, гидратная водаможет по-разному вытесняться катионами из полярной области бислоя. В этом случаемаксимальное количество связанных катионов может определяться не только количеством фосфатидилсеринов, но также количеством молекул воды, которые вытесняетданный катион. Кроме того, при координировании катиона полярной группой фосфолипида, катион может частично взаимодействовать и с другими полярными группами.Возможно также электростатическое экранирование центров связывания при большойионной силе (см., например данные для Сs+ в Табл. 3.2.2). Независимое определение плотности центров и константы связывания позволило выявить эту проблему.Проведенные нами вычислительные эксперименты позволяют дополнить эти результатыанализом молекулярной структуры и уточнить детали эффекта.3.2.3. Локализация одновалентных катионов внутри бислояПриведенные выше данные демонстрируют репрезентативность используемых модельных систем и достаточно хорошее согласие полученных параметров модели ГЧШс имеющимися в литературе данными.
Это убеждает нас в том, что полученные траектории МД можно использовать, чтобы охарактеризовать связывание катионов иструктуру межфазной границы на атомарном уровне.Расположение катионов относительно фосфатной и карбоксильной групп.В модельныхбислоях смешанного состава (DPPC/DPPS), как и в липидном матриксе мембран живыхклеток, существует два типа отрицательно заряженных групп: фосфатная группафосфолипидного остова и карбоксильная группа фосфатидилсерина11 .Естественно,именно эти группы следует рассматривать как потенциальные центры связываниякатионов.
Для того, чтобы охарактеризовать связывание катионов с этими группами были вычислены функции радиального распределения (ФРР) катионов относительноэтих групп. На рис. 3.2.4 приведены ФРР для трех катионов с различной афинностьюк PC/PS бислою — K+ , Na+ и Be2+ — относительно углерода карбоксильной группыи фосфора фосфатной группы. Расчет ФРР обнаруживает два пика в распределениикатионов относительно углерода карбоксильной группы, которые более выражены для11В клеточных мембранах также встречается отрицательно заряженная сульфогруппа, которая присутствует на углеводной части гликозилированных липидов. В данном случае мы рассматриваем болеепростые системы.– 70 –катионов с высокой афинностью и не представлены в случае более слабо адсорбирующихся катионов K+ и TMA+ .
Полученные результаты указывают на существование двухпреимущественных положений катиона вблизи карбоксильной группы, представленныесхемами (а) и (б) на рис. 3.2.3. Напротив, ФРР катионов относительно атомафосфора имеет всегда один пик, который отвечает единственной локализации (в) нарис. 3.2.3.Рис 3.2.3: Схемы расположения катиона относительно анионных групп фосфолипидов.K+Структурный фактор, g(r)103Na+Be2+20% PS40% PS60% PS10210110010−110−20.10.20.30.40.50.60.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.60.1Расстояние от X+ до P и С атомов, нм0.20.30.40.50.6Рис 3.2.4: Функции радиального распределения между катионом и углеродом карбоксильной группы(пунктир) или фосфором фосфатной группы (сплошная) по данным вычислительного эксперимента набислоях с различным соотношением DPPC/DPPS.Данные о заполнении различными ионами двух потенциальных центров связываниясуммированы в таблице 3.2.3.
Числа в таблице характеризуют среднее количествоанионных групп в координационной сфере катиона и получены как интеграл поплощади под первым пиком для ненормированной функции радиального распределенияионов вокруг центров связывания. Для всех ионов заполнение обоих центров растетс увеличением доли анионного липида, что отвечает повышению поверхностного– 71 –заряда и, соответственно, приповерхностной концентрации катиона.
Вторым фактом,который необходимо отметить, является большее участие карбоксильных групп всвязывании катиона, по сравнению с фосфатными. Доли карбоксильных и фосфатныхгрупп в связывании в общем случае различны, но становятся практически одинаковымис увеличением количества серина в составе смеси. Этот вывод справедлив дляслабо адсорбирующегося катиона (например, K+ ). Для высокоафинных многовалентныхкатионов (Be2+ ) в связывании принимает вдвое больше карбоксильных групп, чемфосфатных.ФРР для крупного органического катиона TMA+ приведены на рис.
3.2.5. Формаэтих кривых не позволяет достоверно отделить первый пик от последующих. Этозначит, что мы не можем говорить о преимущественной локализации этого катионаотносительно анионных групп липида. Этот результат представляется естественным,поскольку этот катион крупный и в силу своей частичной гидрофобности слабопроникает в полярную область мембраны, по сравнению с катионами металлов (см.рис. 3.2.6).Таким образом, можно сделать следущие заключения о структуре центров связывания для слабо- и сильно адсорбирующихся катионов. (i) Основной группой,координирующей катион является карбоксильная группа. (ii) Низкоафинные катионыимеют две преимущественные локализации на анионных группах (по одной на карбоксильной и фосфатной группах), а высокоафинные — три (две на карбоксильной и однуна фосфатной). (iii) Высокоафинные катионы имеют бо̀льшую склонность к локализации вблизи фосфатной группы, чем низкоафинные.
Учитывая сказанное, становитсяпонятной возможная причина понижения плотности центров связывания более афинныхкатионов по сравнению с расчетной плотностью анионных полярных групп. При связывании катиона карбоксильной группой анионного фосфолипида происходит частичноевзаимодействие с заряженными группами соседних липидов, которое препятствуетприсоединению к ним других катионов.Проникновение катионов в полярную область мембраны.В рамках молекулярной ди-намики, учитываются электростатические и ван-дер-ваальсовы взаимодействия катионов с мембраной. Благодаря отрицательном заряду поверхности локальная концентрация катионов вблизи поверхности повышена.
Поскольку полярная область бислояимеет достаточно «рыхлую» структуру, катионы могут проникают в эту областьвместе с молекулами воды. В зависимости от вида катиона, такое проникновениеможет быть более или менее выгодным. Нормированное распределение концентрацииряда одновалентных катионов вдоль нормали к бислою представлено на рис. 3.2.6– 72 –КатионBe2+Na+K+Рис 3.2.5: Функции радиального распределенияTMA+ вблизи карбоксильных и фосфатных групп.Обозначения те же, что и на рис.
3.2.4.ГруппаCOO−PO4−ratioCOO−PO4−ratioCOO−PO4−ratio20 %0.8210.3092.6570.3050.0953.2110.0680.0282.42940 %0.8610.3932.1910.4670.2162.1620.1210.0851.42460 %0.9380.4412.1270.5350.3401.5740.1840.1641.122Таблица 3.2.3: Среднее количество карбоксильных и фосфатных групп в первой координационнойсфере катиона для мембран различного липидногосостава по данным вычислительного эксперимента.Отдельной строкой указано отношение этих чисел.слева. Хорошо видно, что максимум этих распределений (плоскость адсорбции) длякатионов располагается на различной глубине в пределах полярной области бислоя.Вполне естественно, что глубина проникновения и афинность катионов к фосфолипидам должна зависеть от размеров этих катионов.
На рис. 3.2.6 (справа) показаназависимость положения максимума распределения от ионного радиуса катиона. Радиусы всех неорганических катионов взяты из работы [101], радиус катиона TMA+взят из работы [102]. Хорошо видно, что эта зависимость оказывается практическилинейной для неорганических катионов, тогда как крупные органические катионы,такие как ТМА+ , отклоняются от этой тенденции.Распределения концентрации катионов в зависимости от состава (поверхностного заряда) мембраны приведены на рис.
3.2.7. Можно видеть, что, как степеньпроникновения в полярную область, так и вид распределения внутри нее различаютсядля разных катионов. При этом для всех катионов положение плоскости адсорбциине зависит от состава (заряда) мембраны. Для Na+ плоскость адсорбции лежит нарасстоянии 5–6 Å от Cα в области фосфатных групп (Рис. 3.1.3). Вполне вероятно,что катионы Na+ адсорбируются на «внешних» кислородах фосфатных групп. Еслиучесть особенности ФРР для различных катионов, можно сделать такой же выводи в отношении катиона K+ . Однако его плоскость адсорбции находится ближе кповерхности на величину ≃ 2.5 Å.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
