Влияние катионов на структурные и электрические свойства липидного бислоя. Молекулярно-динамическое исследование (1102545), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Приэтом молекулы воды, в исходной системе ориентированные положительным концом вцентр бислоя, при адсорбции бериллия оказываются ориентированы иначе. Дипольныйпотенциал здесь формируется за счет липид-ионной подсистемы, а вода уравновешивает его, проявляя экранирующие свойства диэлектрика. В случае адсорбциилизина, последний вытесняет ориентированные молекулы воды и понижает их вкладв дипольный потенциал (рис. 3.3.10 (справа вверху), в то же время сам лизин неизменяет взаимного расположения заряженных групп в полярной области и, такимобразом, дипольный потенциал не увеличивает.Суммируя вышесказанные утверждения о влиянии катионов на ориентацию молекул– 89 –Рис 3.3.10: Строение полярной области и распределение потенциала в системах DOPS:K, DOPS:Be иDOPS:Lys (справа налево).
Схематично изображены два сценария изменения дипольного потенциала:перераспределение электронной плотности внутри полярной области (в центре) и переориентациямолекул воды (справа). Слева изображена схема распределения зарядов при адсорбции низкоафинныхкатионов. Отдельные вклады молекул воды и подсистемы липид+ионы в электростатический потенциалпо данным вычислительных экспериментов представлены под схемами.воды и распределение заряженных групп, можно сформулировать два противоположныхпо эффекту механизма изменения дипольного потенциала:(i) Повышение дипольного потенциала за счет глубокой адсорбции катиона и перераспределения заряженных групп фосфолипида в полярной области.(ii) Понижение дипольного потенциала за счет вытеснения катионом молекул воды,ориентированных Н-связями с полярными группами.Дипольные эффекты, наблюдаемые в реальном эксперименте, таким образом получают интерпретацию на молекулярном уровне и могут быть предсказаны исходя изструктуры адсорбирующегося вещества и строения полярной группы фосфолипида.– 90 –3.4.
Адсорбция многовалентных катионов и механическиесвойства бислояПо аналогии с электрокапиллярными явлениями на жидких электродах, адсорбциякатионов фосфолипидным бислоем изменяет его поверхностный заряд и не может неотражаться на величине его поверхностного натяжения. Такие явления изучают припомощи техники липидных монослоев Ленгмюра. Существенные изменения механическихсвойств липидного монослоя происходят при адсорбции многовалентных катионов.Воспроизведение данных измерений на монослоях в вычислительном экспериментепозволяет сформулировать структурную модель центра связывания многовалентныхкатионов и предложить механизм их воздействия на механические свойства бислоя.3.4.1.
Механические характеристики бислоя и монослояИз литературных данных известно что натяжение липидного монослоя изменяетсяпри адсорбции высокоафинных катионов. Сведения о механических характеристиках,на воспроизведение которых направлен наш МД анализ, были получены в экспериментах по измерению латерального давления с применением техники монослоевЛенгмюра [31, 43].
В вычислительном эксперименте удобно работать с бислойнойструктурой, анализируя свойства отдельных монослоев мембраны и считая, что монослой представляет собой половину бислоя. Липидный бислой уравновешивался припостоянной площади бислоя, а латеральное давление на отдельный монослой вычислялось по формуле (2.3.11). Для расчетов использовались бислои из липида DMPS,монослои которого изучались в экспериментах, цитированных выше. Полученные намизависимости давления при различной площади на липид в присутствии K+ и Gd3+приведены на рис. 3.4.1.Формы полученных нами диаграмм сжатия (πA-диаграмм) достаточно хорошо согласуются с экспериментальными данными [31].
В присутствии Gd3+ рассчитаннаянами кривая расположена ниже и становится более крутой в области малых площадей. Мы покажем ниже, что этот эффект Gd3+ вызван координацией полярных групплипидов вокруг катиона. Следует отметить, что в молекулярно-динамическом расчетекоординационные взаимодействия d- и f-элементов (к которым относится и гадолиний) с лигандами не могут быть воспроизведены в полной мере. По этой причине,полученные нами результаты количественно отличаются от экспериментальных данных, в которых πA-диаграмма в присутствии Gd3+ оказывается более крутой.
Инымисловами взаимодействие гадоллиния с липидными головками в реальности обусловлено– 91 –более сильными взаимодействиями, чем кулоновские и ленард-джонсовские, которыеучитывает МД расчет.Рис 3.4.1: Зависимость латерального давления на монослой в бислое DMPS от площади на липид,рассчитанная по данным МД в присутствии катионов K+ и Gd3+ . Отдельно показана область фазовогоперехода. Латинские буквы нумеруют структуры, изображенные на рис. 3.4.2.808070706060505040403040506070809030100405060(a)708090100110(b)10090908080707060605050404050607080(c)901001101205060708090100110120(d)Рис 3.4.2: Взаимное расположение центров масс жирных кислот в бислоях DMPS, рассчитанное приразличной площади на липид, отмеченных на рис.
3.4.1 и равной 46 (a), 50 (b), 56 (c), 65 (d) Å2 .– 92 –Диапазон площадей 50–55 Å2 на диаграмме сжатия обычно относят к фазовомупереходу из жидко-кристаллического (большие площади) в гелевое (меньшие площади)состояние. Наличие такого перехода подтверждается в расчетах при наблюдении завзаимным расположением центров масс жирных кислот, проецированных на плоскостьмонослоя (см. рис.
3.4.2). Хорошо видно, что при малой площади на липид жирные кислоты «упакованы» в двумерную гексагональную решетку (рис. 3.4.2a), чтосоответствует гелевой фазе. В зоне фазового перехода правильная гексагональнаяупаковка начинает нарушаться (рис. 3.4.2b,c), а в области жидко-кристаллическойфазы — нарушается совсем (рис.
3.4.2d). Заметим, что именно в этой области обнаруживаются и изменения хода кривой дипольного потенциала рис. 3.4.3. Подробноэто будет обсуждаться в следующем разделе.Таким образом, общий вид πA-диаграмм, полученных в вычислительном эксперименте демонстрирует способность многовалентных катионов индуцировать двумерныйфазовый переход (рис. 3.4.1, стрелка).
В то же время проникновение высокоафинных катионов в плотный слой и фазовый переход в мембране должны отражаться надипольной компоненте граничного потенциала.3.4.2. Изменение дипольного потенциала при латеральной конденсациилипидовПринято считать, что дипольный потенциал создается некоторой поверхностнойконцентрацией элементарных диполей, то он должен быть обратно пропорционален площади на липид, S, и прямо пропорционален моменту элементарного диполя(1.2.2). При анализе ряда липидных бислоев в присутствии различных противоионовоказалось, что величина дипольного потенциала зависит от типа противоиона и оказывается больше для катионов с большей константой связывания (см табл.
3.4.1).Значения дипольного момента, рассчитанные по формуле (1.2.2) и приведенные втаблице, примерно вдвое превышают величину, найденную в экспериментах с липидными монослоями [43]. Как упоминалось выше, расчет граничного потенциалапо формуле Пуассона способен оценить значениям этого потенциала с точностьюдо некоторой постоянной величины, которая зависит от точки отсчета.
Для оценкиэтой постоянной можно использовать ряд симуляций бислоя DMPS с заданной, но различной площадью на молекулу. Тогда согласно формуле Гельмгольца и определениюграничного потенциала можно записать выражение:Ψb = Ψs + Ψ0 + 12πµ0 ·1,S– 93 –где S — площадь на липид, µ0 — элементарный дипольный момент, Ψ0 — постоянная,с точностью до которой определяется граничный потенциал. Если условия вычислительного эксперимента подобраны таким образом, что Ψs практически не изменяется,то в координатах (Ψb ; S1 ) мы должны получить линейную зависимость.катионK+Na+Be2+Ψs , мВ-77-70+40Ψb , мВ650750950Ψd , мВ727820910S, Å2625956µ, Дб1.1951.2831.351Таблица 3.4.1: Оценка потенциалов и «элементарного диполя» по формуле (1.2.2) для бислояPC/PS(1:3) и ионной силе 50 мМ при разном ионном составе среды.
Поверхностный потенциал найденкак потенциал средней силы противоионов, граничный потенциал рассчитан по уравнению Пуассона сε = 1, а значение дипольного потенциала определялось их разностью.500400200 мВДипольный потенциал, мВ600300DMPS:KCl (exp.)DMPS:KCl (MD)DMPS:GdCl3 (MD)2001000.0100.0150.0200.025Обратная площадь на липид, Å-2Рис 3.4.3: Зависимость граничного потенциала от обратной площади на липид, рассчитанный поданным МД в системах DMPS:KCl и DMPS:GdCl3 , по результатам измерений, обубликованных в [31].Поверхностный потенциал в линейной области этих кривых изменялся незначительно.Результаты такого численного эксперимента, а также известного в литературереального эксперимента на монослоях из этого липида, представлены на рис. 3.4.3.В обоих случаях мембраны в жидко-кристаллическом состоянии имеют практическиодинаковый коэффициент пропорциональности между обратной площадью и потенциалом.
При этом измеренный Вольта-потенциал и граничный потенциал в МД симуляцияхразличаются на константу, равную примерно 200 мВ. Присутствие гадолиния в си-– 94 –стеме повышает значение элементарного дипольного момента с 0.48 Дб до 0.68 какв вычислительном, так и в реальном экспериментах. Если бы латеральная компактизация бислоя была единственной причиной изменения дипольного потенциалапри адсорбции и постоянном давлении, момент элементарного диполя в присутствииразличных катионов оставался бы неизменным.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
