Влияние катионов на структурные и электрические свойства липидного бислоя. Молекулярно-динамическое исследование (1102545), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Соответствующие оценки для достаточно длинных МД-траекторий подтвердили образованиетаких слоев воды и в наших системах (Sz на рис. 3.3.2). Приведенная на рисункезависимость ПП2 отображает различие в ориентации граничной воды в различныхобластях. В диффузной части ДЭС значение ПП2 затухает на достаточно короткихрасстояниях (порядка 7–8 Å), в отличие от коэффициента латеральной диффузии.На рис. 3.3.3 приведены значения параметра порядка второго ранга (Sz ) длямолекул гидратной воды на разном расстоянии от поверхности мембраны в присутствии различных катионов при двух фазовых состояниях.
Как мы полагаем, плотнойчасти двойного слоя соответствует область 5–10 Å, которая занята фосфатнымии холиновыми группами. Согласно данным на рис. 3.3.1, именно в этой областирастворитель создает наибольшее падение потенциала. По нашим оценкам, B+ слойлежит в пределах 3.5–9 Å, таким образом, примерно совпадает с плотной частьюДЭС. Катионы Be2+ , расположенные в этом слое, существенно понижают ПП2 воды в– 79 –нем, тогда как в случае катионов Na+ этот эффект значительно слабее. Переходбислоя из гелевого в жидко-кристаллическое состояние также понижает степеньориентированности молекул воды в этом слое.
Эти выводы относятся к характеристикам поверхностной воды, не участвующей в образовании Н-связей с молекуламиповерхности. В то же время молекулы воды, участвующие в образовании таких связей, практически не чувствительны к изменениям структуры мембраны и присутствиюионов. Это означает, что такие молекулы воды целесообразно рассматривать какструктурный элемент самих фосфолипидов.Количество свободной гидратной водыСистемаNhydNhbDPPC:NaCl (300 K)13.24.7DPPC:BeCl2 (300 K)17.94.7DPPC:NaCl (340 K)15.64.9DPPC:BeCl2 (340 K)18.04.7на липид и связанной Н-связями с полярными группами приведено в Табл. 3.3.1.
Изэтих данных следует, что различие междукатионами Be2+ и Na+ в количестве связанной воды возрастает в гелевом состояниибислоя. При его замерзании в присутствиивысокоафииных катионов Be2+ молекулы воды практически не удаляются из полярнойТаблица 3.3.1: Количество связанной воды налипид (Nhyd ) и количество Н-связей на липид(Nhb ) в бислое DPPC в присутствии Na и Be приразличной температуре.области мембраны, как это происходит в присутствии катионов Na+ . Поскольку бериллий способен «удерживать» воду внутри бислоя даже при фазовом переходе, егосвязывание с бислоем в гель-состоянии, вероятно, энергетически более выгодно,чем в жидкокристаллическом, как это следует из данных, приведенных в [27].
Ксожалению, количественный расчет этого эффекта и оценка констант равновесия поданным МД симуляции, если и возможен, то крайне затруднителен.3.3.2. Дипольный потенциал как объект исследованияОдна из основных задач настоящей работы предполагает выделение вклада вграничный потенциал диффузной компоненты потенциала, обусловленной распределением ионов вблизи поверхности бислоя, и той компоненты потенциала, котораянепосредственно связана со структурой самого бислоя и во многом зависит оториентации дипольных моментов молекул воды и липидов в его полярной области.Поэтому последнюю компоненту граничного потенциала принято называть дипольной,хотя в распределении электрического поля в этой области принимают участие идругие механизмы, в частности непосредственное проникновение ионов, изменениесостояния гидратации липидов и латеральная их компактизация при образованиикластеров, а также изменение фазового состояния.
Анализ МД траекторий дает возможность рассмотреть в отдельности каждый из перечисленных механизмов изменения– 80 –Рис 3.3.3: Параметр порядка второго ранга (Sz ) для молекул гидратной воды на разном расстоянии отповерхности мембраны для нескольких систем. Пунктиром отделены области, в которых этот параметрпринимает отрицательные (В–) и положительные (В+) значения, а также область с отсутствием порядка(F).
Область B+ примерно соответствует плотной части ДЭС.дипольного потенциала.Абсолютные и относительные значения граничного потенциала.В работе рассчи-тывалось абсолютное значение граничного потенциала, хотя анализируется толькоизменение этого потенциала при варьировании различных условий. Следует заметить, что с формальной точки зрения дипольный потенциал незаряженной мембранычисленно равен ее граничному потенциалу. Согласно принятой в электрохимическойлитературе терминологии, граничный потенциал бислоя по сути является Гальванипотенциалом между гидрофобной фазой мембраны и объемом раствора. Известно, чтоизмерить абсолютное значение Гальвани-потенциала невозможно, а значит значениедипольного потенциала также недоступно для регистрации. Любые экспериментальныеметодики позволяют регистрировать только изменения граничного потенциала. Этоутверждение справедливо и в применении к исследованиям электростатических эффектов на поверхности липидного бислоя. В частности, хорошо разработанный методкомпенсации внутримембранного поля применимый к плоским БЛМ позволяет регистрировать различия ∆Ψb между двумя монослоями бислоя [36].
Часто считают, чтомонослой является моделью половины бислоя и иногда ошибочно связывают абсолютное значение граничного потенциала бислоя с Вольта-потенциалом соответствующего– 81 –монослоя [104]. Структуру Вольта-потенциала, измеряемого в любой монослойнойустановке можно записать следующим образом:airΨV = Ψs + Ψd + χairtails − χwaterгде χairtails обозначает потенциал на границе воздух-углеводородные цепи, величинакоторого неизвестна, а величина χairwater обозначает потенциал вода-воздух, которыйпри расчетах вычитается.
Если к тому же учесть поверхностные скачки на границеэлектрод-воздух и электрод-раствор, то окажется что Вольта-потенциал также неможет дать абсолютного значения дипольного потенциала. С другой стороны, извычислительного эксперимента, по уравнению Пуассона можно рассчитать абсолютноезначение разности потенциалов между двумя точками. Взяв одну точку в центрегидрофобной зоны бислоя, а вторую в объеме раствора, можно связать полученныйскачек потенциала с абсолютным значением граничного потенциала бислоя.
Однакопроизвол в выборе точки в центре, наличие зависимости потенциала от наборапарциальных зарядов, неоднозначность в выборе модели воды и другие особенностипостроения МД моделей не дают основания обсуждать абсолютные значения граничногои дипольного потенциалов. Более того, эти абсолютные значения не могут бытьв принципе сопоставлены ни с одним из экспериментальных наблюдений. Поэтомуобоснованно обсуждать можно только изменение этих величин.Изменения дипольного потенциала бислоя.Если рассматривать каждый липид, какноситель некоторого «элементарного диполя» (µ), направленного внутрь поверхности, то дипольный потенциал мембраны должен быть обратно пропорционален площадина липид согласно известному соотношению Гельмгольца (1.2.2). Изменение Вольтапотенциала липидных монослоев демонстрируют именно такую зависимость для липидовв жидко-кристаллическом состоянии [25].
Однако эксперименты, проведенные в максимально широком диапазоне плотности монослоя, в том числе и на заряженныхфосфолипидах, обнаруживают нарушение этой закономерности при переходе бислоя вболее компактное, гелевое, фазовое состояние [43]. Согласно этим данным величина«элементарного диполя» липида уменьшается в процессе фазового перехода. Болеетого, связывание высокоафинных катионов также влияет на дипольную компонентуграничного потенциала [31], увеличивая ее при латеральной компактизации бислоя.По всей видимости, в этом случае дипольный потенциал также изменяется из-зауменьшения площади на липид.
Понятно, что для исследования природы элементарного диполя необходимо обратиться к детальной молекулярной картине плотной части– 82 –двойного слоя.3.3.3. Дипольный потенциал с учетом эффектов гидратации бислояКак было показано в разделе “Локализация одновалентных катионов...”, катионы адсорбируются на различной глубине в пределах плотной части ДЭС. Литературныеданные о влиянии катионов на величину дипольного потенциала, в свою очередь,заставляют предполагать изменение структуры межфазной границы при адсорбциинекоторых молекул, так называемых «дипольных модификаторов» [31].
Присутствиемолекул воды в полярной области бислоя и ее гиперполяризация приводят к появлению дипольного потенциала на границах. Связывание катионов существенным образомвлияет на состояние и ориентацию гидратной воды. Поэтому был рассчитан вкладв полный скачок потенциала различных структурных компонент при адсорбции различных катионов. Суммарный Ψb и вклады в него каждой из компонент для бислояDPPC в разных фазовых состояниях в присутствии различных катионов приведеныв табл.
3.3.2. В системе DPPC:NaCl положительный вклад в граничный потенциалвносится как водой и катионами Na+ . В случае DPPC:BeCl2 вода вносит незначительный вклад в потенциал по сравнению с высокоафинными катионами Be2+ . ПриСистемаКомпонентDPPCDPPCH2 Opart sumDPPC:NaClDPPCH2 ONa+Cl−part sumDPPC:BeCl2part sumDPPCH2 OBe2+Cl−Вклад в гран. потенциалгельж.–к.Ψb , мВ-744-767-231062969-93318202-116-792-844-52861638-223660980320-348-605-258382169-213-1101-98112010888-2019711846-125-651-760-109327193-133Таблица 3.3.2: Вклад молекул липида, воды иионов в суммарную величину граничного потенциала (Ψb , мВ) для изченных систем в двух фазовыхсостояниях и его изменение при фазовом переходе(∆Ψb , мВ)Рис 3.3.4: Графическое сопоставление данных реального [37] и вычислительного экспериментов поизменению поверхностного и граничного потенциалов при адсорбции бериллия (слева).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
