Влияние катионов на структурные и электрические свойства липидного бислоя. Молекулярно-динамическое исследование (1102545), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Поскольку это не так, можно с уверенностью говорить о перестройках в плотной части ДЭС, сопровождающих адсорбциюкатионов. В разделе 3.3.5 был сделан вывод о том, что адсорбция катионов изменяет состояние гидратной воды в плотном слое и таким образом влияет на дипольныйпотенциал бислоя. Данные об увеличение дипольного потенциала при сжатии монослояв присутствии высокоаффинных катионов подтверждают сделанный ранее вывод.Фазовый переход из жидко-кристаллического в гелевое состояние, таким образом, одновременно представлен в работе на трех принципиально различных изображениях: диаграмме сжатия, диаграмме дипольного потенциала и на серии изображенийпроекций центров масс жирных кислот. Сходные данные были опубликованы в экспериментальной работе [43], где визуальный контроль за состоянием жирных кислотбыл невозможен.
Отсюда следует, что коэффициент сжимаемости, момент элементарного диполя и упорядоченность жирнокислотных хвостов фосфолипидов изменяется вобласти фазового перехода одновременно.3.4.3. Особенности связывания многовалентных катионовОписанная выше процедура определения параметров адсорбции одновалентныхкатионов неприменима к многовалентным катионам по двум причинам. Во-первых,эти катионы адсорбируются не только на анионных липидах бислоя, но и на незаряженных липидах.
Во-вторых, эффективность связывания многовалентных катионовоказывается намного выше, чем для одновалентных. Из-за этого время установленияравновесия в двойном электрическом слое увеличивается, а объемные концентрациисильно флуктуируют. По этой же причине аналитическую модель ГЧШ в случае высокоафинных катионов требуется дополнять уравнениями материального баланса, какэто было сделано в работе [31].Связывание многовалентных катионов наблюдается на нейтральных бислоях изфосфатидилхолина, как в реальном эксперименте [27, 31], так и в вычислительном.Согласно данным о заполненности центров связывания, приведенных в таблице 3.2.3,на рис. ?? построены зависимости заполнения фосфатных центров от количестваанионных липидов в бислое. Для катионов Na+ , K+ и Be2+ эти зависимости оказалисьпрактически линейными.
Для одновалентных катионов прямые проходят через началокоординат, поскольку на незаряженной мембране эти катионы не сорбируются на– 95 –фосфатных центрах и на незаряженных мембранах практически отсутствуют. Приувеличении доли анионного липида DPPS, а значит числа карбоксильных групп, числофосфатных групп на поверхности остается неизменным. Конечно, повышение доли DPPSприводит к увеличению катионов вблизи карбоксильных групп, однако, как это видноиз зависимостей на рис.
??, их число вблизи фосфатных групп также возрастает.В то же время катионы Be2+ сорбируются и на незаряженной мембране, поэтомузаметное количество фосфатных групп оказываются занятыми и в отсутствии DPPS.Адсорбция таких катионов может быть описана в рамках моделей, предполагающихдва типа центров связывания с разными константами для каждого из них. Такиемодели хорошо известны в литературе (см., например, [30]), центрами связыванияв них считаются отдельные липиды.
Нам кажется более правильным использовать вкачестве количества центров число карбоксильных и фосфатных групп, а не числоразличных липидов. На это указывает в том числе зависимость количества катионовBe2+ в координационной сфере фосфатов от количества карбоксилов (рис. ??, верхняяпрямая).DPPC + BeCl2Ψа[Be2+ ]Электростатический потенциал Ψ, В[Cl− ]Теор. [CL− ]0.40.30.20.10.00.00.20.40.60.81.0Расстояние от Cα1.21.41.6Рис 3.4.5: Распределение потенциала и концентрации ионов Be2+ и Cl− в системе DPPC:BeCl2 вблизи условной электрической границы.
Теоретическая кривая для концентрации анионов построена поуравнению (3.4.1), используя значения ε = 40, C∞ = 240 мМ.Более важным фактором, который необходимо учитывать при анализе данных,является тот факт, что эффективность связывания некоторых многовалентных ва-– 96 –лентных катионов (лантаниды и бериллий) настолько высока, что в обычных условияхравновесие в системе сильно смещено и поверхность мембран заполняется катионамипри их чрезвычайно низких концентрациях в объеме раствора.
Применительно к вычислитель ному эксперименту это обстоятельство не дает возможности в доступномвременном интервале достигать равновесия в системе между катионами в диффузномслое и катионами в полярной области бислоя. При этом практически все катионы оказываются в связанном состоянии, из-за чего в модельной системе вдали отповерхности не выполняется условие электронейтральности. Например, в модельнойсистеме DPPC:BeCl2 , включающей 50 молекул липида и 8 катионов Be2+ , абсолютновсе катионы оказывались связанными с бислоем, а все анионы Cl− находились вдиффузной части ДЭС. Из-за отсутствия электронейтральности на любом удаленииот поверхности, в этом случае стандартная модель Гуи-Чепмена не может быть использована.
Поэтому нами была отдельно решено уравнение Пуассона-Больцмана вподходящих граничных условиях. Нами получены в компактном аналитическом видевыражения для распределения потенциала в диффузном слое для случая параллельных заряженных плоскостей, между которыми раствор заполнен только противоионами(см. главу 2.4.1). Подставляя выражение (2.4.1) в уравнение Больцмана, дляконцентрации анионов Cl− можно записать:√C(x) = C∞ cos22πF 2 C∞xεRT(3.4.1)Это уравнение было использовано для описания профиля концентрации противоионаCl− в системе DPPC:BeCl2 (см. рис.
3.4.5, правая область). Данные вычислительногоэксперимента хорошо соответствуют аналитическому предсказанию при использованиизначения диэлектрической проницаемости 40.В разделе “Локализация одновалентных катионов внутри бислоя”, исследовалосьпроникновение Be2+ в бислой смешанного состава (PS/PC) и плоскость адсорбцииэтого катиона располагалась на расстоянии 0.25 нм.
Как видно из рис. ??, вбислой из DPPC бериллий проникает на меньшую глубину, а значит приводит киному перераспределению заряда в плотном части двойного слоя, чем в случаеDPPS-содержащих бислоев.Образование липидных кластеров в присутствии многовалентных катионов.Способ-ность многовалентных катионов к адсорбции как на фосфатных, так и на карбоксильных группах означает, что эти катионы могут координировать два или болеелипидов в плоскости монослоя. На такую возможность косвенно указывают экспе-– 97 –риментальные данные о латеральной компактизации монослоев из фосфатидилсеринав присутствии высокоафинных катионов Gd3+ , Be2+ [31]. Используя МД траектории, можно оценить способность катионов к координации липидов вычисляя среднееколичество отрицательных групп липидов вблизи адсорбированного катиона.КатионBe2+Na+K+Центр связыванияCOO−PO4−ratioCOO−PO4−ratioCOO−PO4−ratio20 %0.7391.3910.5310.1870.3040.6150.0380.0850.44740 %0.9531.0860.8780.3330.3930.8480.0840.1470.57160 %1.3201.0401.2690.4450.4840.9190.1400.2190.639Таблица 3.4.2: Среднее количество центров связывания в координационной сфере адсорбирующегосякатиона на мембранах различного липидного состава.В таблице 3.2.3 были представлены сведения о заполнении различных центров связывания, однако это не дает никакой информации о том, какой из центровпредпочитает катион.
Получение такой информации возможно из обратной фукнциирадиального распределения (распределения центров связывания относительно катиона). Средние количества различных центров связывания в первой координационнойсфере катионов приведены в таблице 3.4.2. Повышение координационных чисел сростом заряда поверхности объясняется в данном случае повышением количествасуммарно адсорбированных катионов. Из таблицы видно, что количество фосфатныхгрупп, координированных катионом почти всегда превышает количество карбоксильныхгрупп. Это объясняется тем фактом, что во всех исследуемых системах фосфатныхгрупп больше, чем карбоксильных.
Однако наблюдаемые в таблице отношения количеств карбоксильных и фосфатных групп в координационной сфере катиона позволяютзаключить, что практически каждое связывание с карбоксильной группой сопровождается одновременно связыванием фосфатной группы.Сложив фосфатное и карбоксильное координационные числа в табл. 3.4.2, можнозаметить, что такая сумма для бериллия может превышать 2. Это означает, чтоодин катион бериллия в некоторых случаях способен координировать до трех (!)анионных групп фосфолипидов.
Суммарное число анионных групп в координационнойсфере многовалентного катиона для бислоя PC/PS приведены в табл. 3.4.3. Согласноданным таблицы, каждый из катионов связан с двумя и более отрицательными группамипри содержании фосфатидилсерина в смеси свыше 40%. Подобные расчеты показали,– 98 –что катионы Gd3+ в бислое из PS координируют в среднем по три отрицательнозаряженные липидные группы.PO−4COO−Σ20% PS, Be2+0.741.402.1440% PS, Be2+0.951.092.0660% PS, Be2+1.321.042.36100% PS, Gd3+1.181.823.00Таблица 3.4.3: Среднее количество отрицательно заряженных групп в координационной сфере адсорбированного многовалентного катиона.
Данные для Gd3+ приведены для бислоя DMPS с площадью на липид56 Å2 .Рис 3.4.6: Координационная сфера катиона Be2+ из расчетов системы DPPC/PS(3/1):BeCl2 . (А) —типичное устройство трилипидного кластера, координируемого катионом бериллия. (Б) — расположениетрилипидных кластеров на плоскости монослоя; липиды и катион, входящие в кластер отмечены однимцветом; снимки монослоя вверху и внизу отличаются на 60 нс, при этом кластеры сохранились.На рис. 3.4.6а изображена типичная координационная сфера бериллия, которую можно встретить, рассматривая отдельные фреймы МД-траектории системыDPPS/DPPC:BeCl2 . Анализ равновесных траекторий показывает, что все три отрицательных группы в координационной сфере катиона, как правило, принадлежат– 99 –различным липидам.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
