Влияние катионов на структурные и электрические свойства липидного бислоя. Молекулярно-динамическое исследование (1102545), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Это величина существенно превышает разницуван-дер-ваальсовых радиусов для Na+ и K+ (≃ 0.2 Å). Это означает, что различие в глубине проникновения их в бислой определяется не только геометрическимиразмерами этих ионов, но особенностями их взаимодействия с гидратной оболочкой полярных групп.
Согласно нашим данным, это относится и к другим катионам– 73 –Рис 3.2.6: Распределение концентрации катионов в полярной области мембраны (слева) и зависимостьположения плоскости адсорбции от ионного радиуса (справа) полученная для модельных бислоевDPPC/DPPS (4:1). Вертикальными линиями (справа) показана полуширина распределения концентрации.2000Локальная концентрация, [X+], мМtMA+K+Na+150010005000−10−5051015Расстояние от Cα , Å202530Рис 3.2.7: Адсорбция катионов Na+ , K+ и тетраметиламмония (TMA+ ) на фосфолипидных мембранах,состоящих из смеси DPPS и DPPC. Доля анионного липида в смеси составляла 20 % (сплошная), 40 %(пунктир) и 60 % (точки).металлов.Форма кривых распределения TMA+ существенно отличается от таковой для неорганических катионов и зависит от исходного заряда (состава) мембраны.
В распределение ТМА+ при содержании DPPS в липидной смеси 40 и 60% угадывается наличие– 74 –небольшого, но достоверного второго пика на бо̀льшей глубине. Появление второгопика непосредственно возле карбонильных групп жирных кислот может объяснятсягидрофобными свойствами данного катиона, которые проявляются только при высокойприповерхностной концентрации катиона вблизи сильно заряженной поверхности.
Этотвывод подтверждает наличие частичной адсорбции TMA+ на бислое DPPS, в отношениикоторой имелись противоречивые данные между независимыми ислледованиями двухгрупп авторов: [29] и [33]. Иными словами, вычислительные эксперименты подтверждают вывод [29], о том, что растворы TMA+ не могут считаться индифферентнымипо отношению к поверхности бислоя.3.2.4. Структурная модель ДЭС липидного бислоя в сравнении склассической модельюСогласно приведенным выше результатам, мы можем предложить некоторую модельплотной части двойного слоя на межфазной границе липидный бислой-вода. При этомважно отметить сходства и отличия в определениях, данных в классических моделяхДЭС для металлического электрода и используемых в настоящей работе. Внешняяплоскость Гельмгольца отделяет диффузную часть ДЭС от плотной части. Она определена в работе как поверхность, на которой локальная концентрация непроникающихпротивоионов максимальна.
Кроме того, адсорбционный избыток воды на этой границе оказался равным (или почти равным) нулю (рис. 3.2.1). При рассмотренииметаллических электродов, внешняя плоскость Гельмгольца — это с одной стороны,минимальное расстояние, на которое могут подойти гидратированные противоионы(рис. 3.2.8б), с другой стороны — граница отделяющую диффузный слой, распределение ионов в котором зависит только от суммы зарядов электрода и плотной частиДЭС. Таким образом, можно использовать один и тот же термин «внешняя плоскостьГельмгольца» в структуре как металлического, так и «мембранного» электрода.
Вмодели ГЧГ для ионов, проникающих в плотный слой вводится еще одна, внутренняяплоскость Гельмгольца, положение которой определяет зависимость емкости плотнойчасти двойного слоя от концентрации поверхностно активных ионов. Поскольку влитературе отсутствуют эксперименты по измерению дифференциальной емкости налипидных бислоях, то для введения понятия внутренней плоскости Гельмгольца нетэкспериментальных оснований. Тем не менее, по аналогии с классической моделью,за внутреннюю плоскость Гельмгольца можно принять плоскость адсорбции того илииного проникающего иона (рис. 3.2.8, синий штрих). Среднее положение фосфатных групп фосфолипидов, которые расположены на расстоянии примерно 0.5 нм отточки отсчета можно в этом случае ассоциировать с поверхностью воображаемого– 75 –электрода.Рис 3.2.8: Структурная модель плотной части двойного электрического слоя на границе разделалипидный бислой вода на основании результатов сопоставления вычислительного и реального экспериментов (а).
Представления о модели ДЭС на поверхности металлического электрода согласно теорииГуи-Чапмена-Грэма (б).В следующем разделе мы продемонстрируем, что именно в области между «поверхностью электрода» и внешней плоскостью Гельмгольца формируется межфазный скачокпотенциала (дипольный потенциал), который формируется ориентированными молекулами растворителя так же, как это происходит на металлическом электроде.
Болеетого, при добавлении в раствор катионов с более глубоким расположением внутренней плоскости Гельмгольца скачок потенциала в плотной части ДЭС увеличивается.Аналогичный процесс происходит при заряжении внутренней плоскости Гельмгольцана металлическом электроде при введении поверхностно активного электролита. Изменения распределения электрического поля в этой области в присутствии различныхкатионов зависят от взаимного расположения катионов, заряженных групп фосфолипидов и состояния гидратации. Именно к структуре гидратной воды чаще всегоапеллируют исследователи в попытках описать экспериментальные явления, связанные с изменением дипольного потенциала при адсорбции различных молекул.
Следуяза ними, мы рассмотрим состояние гидратации на межфазной границе в следующейчасти работы, что позволит нам подтвердить и уточнить нашу структурную модель.– 76 –3.3. Гидратация межфазной границы и природа дипольногопотенциалаПадение потенциала в плотной части двойного слоя объясняется наличием в этойчасти гиперполяризованных молекул воды, развернутых положительным концом диполяк центру мембраны.
Адсорбция катионов может приводить к изменению структурымежфазной границы, удалению таких молекул и, следовательно, понижению дипольногопотенциала. Поэтому исследование состояния гидратации полярной области бислоястановится нашей следующей важной задачей.3.3.1. Граница бислой-вода с учетом эффектов гидратацииРаспределение электрического потенциала на границе мембрана-вода.Разностьэлектрических потенциалов между плоскостями в середине мембраны и в объемеводного раствора составляет полный граничный потенциал (Ψb ).
Определения потенциалов межфазной границы даны выше на грубой схеме (рис. 1.2.1). Молекулярнаядинамика позволяет рассмотреть детали распределения потенциала и вычислить вклады отдельных компонент. На рис. 3.3.1 приведены различные вклады в граничныйпотенциал бислоя DPPC:KCl от основных компонент, рассчитанные при различнойконцентрации фонового электролита. Обращаем внимание, что вклад воды и липидовпротивоположен. Как и следовало ожидать, положительный потенциал гидрофобнойобласти формируется за счет гиперполяризации молекул воды [103] и это подтверждается в наших расчетах. Видно также, что при высоких ионных силах положительныйвклад в граничный потенциал вносят ионы, хотя суммарное значение граничного потенциала при этом не изменяется. Это можно объяснить слабой адсорбцией катионови анионов на различной глубине в полярной области бислоя.Из приведенных данных следует, что система липид–вода–ионы синхронизированатак, что при изменении количества одного из компонентов, остальные перераспределяются и минимизируют изменение граничного потенциала.
Отметим, что в модельнойсистеме при неизменном поверхностном потенциале наблюдается инвариантность дипольного потенциала в широком диапазоне концентраций фонового электролита12 .Таким образом дипольный потенциал является внутренним свойством бислоя. Главнымучастником при формировании дипольного потенциала оказываются молекулы гидратнойводы, поэтому исследованию структуры воды в плотном слое посвящена значительнаячасть нашей работы.12При адсорбции высокоаффинных катионов или в случае фазового перехода дипольный потенциал можетизменяться — это будет подробно обсуждаться ниже.– 77 –0 mM1000100050050050010001000150020100101000500050020 30C α, A◦40 150020100 mMΨd150015000Ψd1500050 mM2000Ψd,200050010001001020 30C α, A◦40 1500201001020 30C α, A◦40Рис 3.3.1: Вклад в электрический потенциал различных структурных компонент — липидов, воды иионов — для нейтральной мембраны из DPPC при 340 К при различных концентрациях KCl.
Краснымотмечено суммарное падение граничного потенциала, которое для мембраны из незаряженных липидовравно дипольному скачу потенциала.Рис 3.3.2: Коэффициент самодиффузии молекул воды (кружки), и параметр порядка молекул воды, Sz(треугольники) на разном расстоянии от условной границы (10 Å) бислоя при концентрации электролита в водной фазе 50 мМ для нейтральной, (DPPC, светлые точки) и отрицательно заряженной(DPPC/DPPS 2:3, темные точки) мембран. Отдельно показана преимущественная ориентация молекулводы в соответствии с величиной Sz .– 78 –Структурные характеристики граничной воды.Наши результаты подтверждают, чтоналичие внутри мембраны большого положительного потенциала по отношению к объемуобуславливается главным образом ориентацией гидратной воды.
Очевидно, гидратнаявода сильно связана с липидными головками с одной стороны и с поверхностными молекулами — с другой, что должно отражаться на ее подвижности. В работеоценивались две основные характеристики воды: параметр порядка и коэффициентлатеральной самодиффузии. Эти характеристики приведены на рис. 3.3.2 на разныхрасстояниях от точки отсчета. В случае заряженной мембраны подвижность вдали отповерхности нарастает медленнее, чем вблизи нейтральной мембраны. Для нейтральной мембраны диффузия выходит на плато на расстоянии порядка 10 Å, тогда как дляотрицательно заряженной мембраны — на расстоянии примерно 20 Å. Отсюда следует,что заряженная поверхность влияет на приповерхностную воду на более дальних расстояниях.
Отметим, что причиной этого может быть большее количество Н-связей,которые образуют с водой анионные липиды DPPS по сравнению с нейтральными DPPC.Более подробно Н-связи в полярной области будут рассмотрены ниже.Среднюю ориентацию молекул воды в плоскости параллельной бислою характеризуется параметром порядка второго ранга (ПП2), который меняется при удалении отгидрофобной области бислоя [4]. Когда диполи растворителя в среднем ортогональнынормали, ПП2 принимает положительные значения, а если они в среднем коллинеарнынормали — отрицательные. Согласно данным работы [4], существуют три слоя водывблизи поверхности жидкокристаллического бислоя: слой с отрицательным ПП2 (B-),слой с положительным ПП2 (B+) и слой с отсутствием порядка (F). Эти три слояразличны как по ориентационным, так и диффузионным характеристикам.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
