Влияние катионов на структурные и электрические свойства липидного бислоя. Молекулярно-динамическое исследование (1102545), страница 18
Текст из файла (страница 18)
Изменениеколичества гидратной воды на липид (справа).адсорбции бериллия на бислое в жидко-кристаллическом состоянии поверхностный играничный потенциалы увеличиваются и в реальном, и вычислительном экспериментах.На рис. 3.3.4 показано, что адсорбция бериллия на бислое в гелевом состоянииприводит к повышению поверхностного и понижению граничного потенциала. В то жевремя, адсорбция бериллия сопровождается изменением вклада в дипольный потенциал– 83 –различных компонент (см. табл. 3.3.2). Это означает, что дипольный эффект обусловлен как изменением состояния гидратации, так и перераспределением заряженныхмолекулярных групп в плотной части ДЭС.Рис 3.3.5: Изменение количества Н-связей междуфосфатной группой и водой, а также изменениедипольного потенциала при замещении калия нализин на поверхности мембраны. По оси абсцисс— рассчитанная эффективная концентрация лизина,которой соответствуют условия вычислительногоэксперимента.Катион / %PS+KTMA+Cs+Na+Mg2+Li+Be2+2040605.365.345.035.154.343.806.386.366.025.824.834.093.827.287.337.006.545.093.78Таблица 3.3.3: Среднее количество Н-связей между молекулой липида и водой в бислоях смешанногосостава (DPPC/DPPS) при адсорбции различных катионов.Рис 3.3.6: (слева) Распределение электрическогополя на границе бислоя смешанного состава в присутствии различных катионов (А) и вклад в негоотдельно молекул липидов с ионами (Б) и молекул воды (В).
Тип линии обозначает состав, цветлинии обозначает вид катиона (см. легенду).Парциальный вклад в распределение электрического потенциала молекул воды илипида с ионами был рассчитан с разным содержанием DPPS в бислое в присутствиикатионов Na+ , K+ и Be2+ (рис. 3.3.6). Изменения поверхностного потенциала вэтих системах незначительны по сравнению с изменениями граничного потенциала,поэтому изменение общего скачка потенциала между левой и правой частями кривых– 84 –на рис. 3.3.6A можно ассоциировать с изменением дипольного потенциала. Ход красной кривой на рис.
3.3.6Б,В демонстрирует, что при связывании катиона бериллиялипид-катионная подсистема задает дипольный потенциал, тогда как вода компенсирует его. Напротив, те же системы в присутствии Na+ и K+ (синие и черные кривыена том же рисунке) имеют большой положительный дипольный потенциал благодаряприсутствию воды, а липидно-ионная подсистема лишь частично компенсирует его.То есть, связывание многовалентных катионов меняет природу самого дипольногоскачка благодаря глубокому расположению их плоскости адсорбции к центру бислоя.
Она находится глубже анионных групп фосфолипидов. Если интерпретироватьпоявление дипольного потенциала как наличие «элементарного диполя», то в случаеадсорбции многовалентных катионов этот диполь представляет собой пару из катионаи анионной группы фосфолипида.
В общем случае элементарный диполь представляетсобой частично ориентированный диполь молекулы воды.Исходя из данных вычислительного эксперимента, можно утверждать, что адсорбция многовалентных катионов устраняет гиперполяризацию молекул воды в полярной области бислоя.
В то же время известно, что гиперполяризация вызываетсяобразованием Н-связей с электроотрицательными атомами в толще бислоя, а именноC=O группами жирных кислот и PO−4 группами [42, 45]. Это значит, что многовалентные катионы должны вытеснять воду, образующую Н-связи с полярными группамифосфолипидов. Чтобы проверить это утверждение, были рассчитаны средние количества Н-связей между липидом и водой в бислоях с разным количеством DPPS вприсутствии различных катионов (табл. 3.3.3). Аналогичное эффект наблюдаетсяв вычислительном эксперименте для системы DOPS:Lys.
При постепенном замещениикалия на лизин происходит уменьшение количества Н-связей с фосфатными группами(рис. 3.3.5).Таким образом, в присутствии Be2+ количество Н-связей липид-вода оказывается значительно меньшим по сравнению с одновалентными катионами. Увеличениеколичества Н-связей с ростом содержания PS отражает увеличение числа карбоксильных групп в составе липидов. Сравнивая данные таблицы 3.3.3 и 3.2.2 можновидеть, что способность катионов вытеснять воду из Н-связей примерно отражаетих афинность. На основании этих и других данных МД, можно сделать утверждение осущественной роли воды, связанной с фосфатными группами, в наблюдаемых дипольныхэффектах.– 85 –3.3.4.
Связывание лизина с отрицательно заряженной БЛМПри адсорбции лизина на поверхности бислоя из анионных фосфолипидов (например, DOPS) изменение граничного потенциала оказывается меньшим, чем изменениеповерхностного потенциала [38]. Это указывает на то, что адсорбция лизина приводит к уменьшению дипольного потенциала липидного бислоя. Выше был сделанпредварительный вывод о роли в этом эффекте молекул воды, связанной Н-связямис полярными группами фосфолипидов.
Воспроизведение данного явления в вычислительном эксперименте позволяет подтвердить этот вывод.В реальном эксперименте концентрация лизина в омывающем растворе варьировалась от 10−4 до 1 М. В вычислительном эксперименте мы имеем возможность создатьобъемную концентрацию не меньше 50 мМ; более низкие концентрации не удаетсяимитировать из-за ограниченного размера вычислительной сцены. Поэтому в нашемвычислительном эксперименте создавались такие соотношения концентраций фоновыхкатионов K+ и катионов лизина, чтобы воспроизвести ту же степень заполненностиповерхности лизином, что и в реальном эксперименте.
Изменение поверхностного потенциала в реальном эксперименте описывалось в рамках модели ГЧШ с двумя типами1,1-валентных электролитов. Зависимость потенциала от концентраций электролитовв такой системе задается в неявном виде (2.4.9). Занятость центров связываниялизином можно описать следующим уравнением:θlys =11+−1 −1KlysClys exp{ eΨ0 } ,(3.3.1)kTгде Ψ0 вычисляется по уравнениям (2.4.9). На рис. 3.3.8 приведена теоретическаякривая заполненности лизином центров связывания (анионных липидов).
При этомдля уравнения (2.4.7) были использованы следующие константы: Klys = 1.1 M−1 , KK= 0.2 M−1 , [K+ ] = 20 мМ, σmax = 0.23 мкКл·см−2 . Также на рисунке приведены данныео заполненности, полученные в ходе вычислительного эксперимента на мембранеDOPS при температуре 310 K. Таким образом, были составлены модельные системыс различным количеством адсорбированных молекул лизина и им в соответствиепоставлены реальные системы с различной объемной концентрацией лизина. Данные омодельных системах вида DOPS:LYS:KCl и их физико-химических параметрах приведеныв табл.
3.3.4. Приведенный поверхностный потенциал, рассчитанный как потенциалсредней силы для K+ , хорошо согласуется с экспериментальными данными [39].Данные этой таблицы (концентрация в объеме, процент заполнения и потенциал)используются в дальнейших расчетах.Зависимости изменений поверхностного и граничного потенциала от концентра-– 86 –кол-во K+2001631208940кол-во Lys+03780111153θH2 O12.9611.9010.6910.249.69θLY S0.000.140.320.410.51θK0.610.470.270.170.06(K)ΨP M F , мВ-66.3-57.2-47.1-33.7-17.0[K+ ]∞ , мМ123139149145140Таблица 3.3.4: Таблица исходных и вычисленных характеристик исследуемых систем вида DOPS:Lys/KCl.Количество катионах приводится в штуках на вычислительной сцене; θX — количество X вблизи липида,т.е.
θLys — степень заполненности центров связывания.ции лизина в вычислительном эксперименте и по данным работы [38] приведены нарис. 3.3.7 (вверху). Хорошо видно, что изменение поверхностного потенциала всегда больше изменений граничного потенциала и этот эффект хорошо воспроизводитсяна модельной системе. Анализ детальной молекулярной картины в системе DOPS:лизинпозволяет установить, какие именно Н-связи ответственны за дипольный эффект.Поскольку компенсация поверхностного и дипольного потенциалов наблюдается только в определенной области концентраций лизина, можно предположить, что вода,связанная с фосфатными группами будет вести себя в области, где наблюдаетсякомпенсация иначе, чем в остальном диапазоне концентраций. На рис.
3.3.7 (внизу) приведена зависимость вклада в граничный потенциал молекул воды, образующихН-связи с фосфатами. Этот вклад меняется именно в том диапазоне концентраций,где наблюдается изменение дипольного потенциала. В то же время вклад остальныхмолекул воды линейно меняется с ростом концентрации лизина (данные не приведены). Таким образом, именно фосфатные группы, наиболее вероятно, ответственныза дипольный эффект в присутствии лизина. Это утверждение позволяет объяснитьпоявление изменений отрицательного знака в кинетике граничного потенциала приадсорбции полилизинов на поверхности липидных мембран [39].На рис. 3.3.9 приведено распределение электростатического потенциала, вычисленного по формуле Пуассона из зарядовой плотности по траектории для системс различным количеством лизина.
Граничный потенциал в этих системах оказываетсяблизким, однако распределение потенциала справа от выбранной нами внешней плоскости Гельмгольца существенно различается при различном соотношении K+ /Lys+ .Измеряя потенциал в точке на выбранной условной границе, можно подумать, чтоповерхностный потенциал достигает как минимум +100 мВ в случае системы с наибольшим количеством лизина. Потенциал, рассчитанный как потенциал средней силыпо распределению фонового противоиона, K+ , оказывается всегда отрицательным(см. табл. 3.3.4) и хорошо согласуется с данными реального эксперимента (см.рис.
3.3.7). Таким образом, при расчете поверхностного потенциала, Ψs , в вычис-– 87 –Доля занятых лизином центров0.70.60.50.40.30.20.10.0−4.0 −3.5 −3.0 −2.5 −2.0 −1.5 −1.0 −0.5 0.0Концентрация лизина, log[C]Рис 3.3.7: Изменение поверхностного и граничного потенциалов в ходе адсорбции лизина на бислоеPS в эксперименте и расчете (вверху). Цветнымиточками показаны результаты измерений, проведенных в присутствии разной концентрации фонового электролита. Вклад в суммарный граничныйпотенциал воды, связанной Н-связями с анионнымигруппами липида (внизу).Рис 3.3.8: Калибровочный расчет доли центровсвязывания, занятых катионами лизина от объемной концентрации лизина по данным вычислительного эксперимента и по данным модели ГЧШ.
Теоретическая кривая построена по формуле (3.3.1),константы приведены в тексте; подробно уравнения модели описаны в разделе “Модель Гуи-Чепменав системе с двумя типами...”.лительном эксперименте с лизином в очередной раз подтверждается необходимостьрасчета Ψs через потенциала средней силы, а не по формуле Пуассона.3.3.5. Структурная модель влияния ионов на дипольный потенциал бислояАнализ характеристик воды и взаимного расположения групп в полярной области бислоя, проведенный для ряда систем позволяет уточнить структурную модельплотной части двойного.
При адсорбции различных катионов происходит перестройкаполярной области по отношению к исходному случаю, под которым мы понимаем липидный бислой в растворе слабосорбирующихся солей одновалентных металлов. Схемавзаимного расположения полярных групп, ионов и ориентированных молекул воды висходной системе изображена на рис. 3.3.10 (слева вверху). Вклад в потенциал отдельно липид-ионной подсистемы и отдельно молекул воды изображен на томже рисунке ниже. Как показано на схеме, в такой системе катионы адсорбируютсяснаружи от внутренней плоскости Гельмгольца, в плотном слое или на его поверхности, при этом дипольный потенциал создается молекулами воды, связанными– 88 –Рис 3.3.9: Распределение электрического поля на границе бислой-вода в системе DOPS:LYS:KCl приразличном соотношении Lys+ /K+ .
Потенциал, найденный по формуле Пуассона, положителен на внешнейплоскости Гельмгольца, тогда как поверхностный потенциал таких систем в реальном экспериментевсегда отрицателен (см. пояснения в тексте).Н-связями с фосфатными группами и карбонильными группами жирных кислот. Этотпотенциал уравновешивается потенциалом липид-ионной подсистемы обратного знака,несколько меньшим по абсолютной величине, как показано на том же рисунке подсхемой. Высокоафинные катионы (например, Be2+) адсорбируются глубоко в полярнойобласти и даже в некоторых случаях заходят за отрицательно заряженные фосфатныегруппы (внутреннюю плоскость Гельмгольца). Схема взаимного расположения заряженных групп в такой системе изображена на рис. 3.3.10 (в центре вверху).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
