Влияние катионов на структурные и электрические свойства липидного бислоя. Молекулярно-динамическое исследование (1102545), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Иногда встречаются ситуации, когда карбоксильная и фосфатнаягруппы одного липида координируют многовалентный катион, однако, ввиду стерических напряжений, такая конформация оказывается слабо представленной. Такимобразом, можно говорить о «тримолекулярных липидных кластерах», координируемыхвысокоафинным катионом. Если наблюдать за таким кластером в течении достаточно длительного времени, оказывается, что липиды и катион, образующие кластерсохраняют совместное расположение (см. рис. 3.4.6б).
То есть микрокластер диффундирует в плоскости монослоя как единый фрагмент. Подобная координация оказалась характерной для всех исследованных многовалентных катионов металлов (Mg2+ ,Ca2+ , Be2+ , Gd3+ ). В экспериментах эти катионы действуют на бислой качественноподобным образом, но с различной эффективностью. Разницу в поведение различныхмноговалентных катионов при связывании бислоя можно объяснить различной энергией образования этих кластеров (и соответственно различным временем жизни).Напрямую время жизни оценить из молекулярной динамики не удается, поскольку онозначительно больше среднего времени траекторий.Таким образом, в данной части работы удалось не только подтвердить в альтернативных расчетах влияние высокоафинных катионов на дипольный потенциал бислоя, но и продемонстрировать наглядный механизм их воздействия на механическиесвойства бислоя.
Кроме того, впервые в вычислительном эксперименте нагляднопродемонстрирован фазовый переход бислоя из жидко-кристаллического в гелевоесостояние, параметры которого изменяются в присутствии высокоафинных катионов.– 100 –ЗаключениеИсследование демонстрирует на многочисленных примерах возможность расчетав МД макроскопических параметров липидного бислоя, получаемых в эксперименте:дипольной и диффузной компоненты граничного потенциала и параметров адсорбции катионов (константа связывания и плотность центров связывания).
Применяястандартную модель двойного электрического слоя ГЧШ и анализируя различные бислои в различном ионном окружении, делается вывод о возможности выбора условнойэлектрической границы (внешней плоскости Гельмгольца) на расстоянии 10 Å отсреднего положения Сα -атомов углерода. Мы предполагаем, что данное значениеостается примерно постоянным для фосфолипидных бислоев различного состава и вразличных фазовых состояниях.
Определение положения внешней плоскости Гельмгольца позволило впервые провести подробное сопоставление результатов разнообразныхМД расчетов липидных бислоев с известными данными реальных измерений различными электрохимических методами.
Найдены молекулярные структуры, ответственныеза адсорбцию различных катионов. Выделены структурные факторы, влияющие как надипольную, так и на диффузную компоненты граничного потенциала.Показана связь дипольной компоненты граничного потенциала со структуройсамого липидного бислоя и составом ионного окружения. Установлена роль молекулводы в образовании этой компоненты, а также в изменении дипольного потенциалапри адсорбции катионов и фазовом переходе в липидном бислое.
Установлена линейная корреляция между глубиной проникновения неорганических катионов в полярнуюобласть бислоя с их ионным радиусом. В работе впервые показано in silico влияниемноговалентных катионов на структуру мембраны — факт, многократно подтвержденныйэкспериментально и важный для понимания токсического действия таких катионов,как Be2+ и Gd3+ . Доказана способность высокоафинных многовалентных катионов образовывать микрокластеры липидов, влияющие на их латеральную организацию в бислоеи его механохимические характеристики. В вычислительном эксперименте впервыереализован фазовый переход липидного бислоя при варьировании не только температуры, но также латерального давления и состава ионного окружения. Впервые данаоценка параметров связывания катионов с липидным бислоем в гелевом состоянии.Разработанные в работе способы анализа молекулярных структур межфазной границы и полученные результаты существенным образом дополняют известные модельныепредставления о строении межфазной границы и могут быть использованы специалистами, занимающихся изучением подобных электрохимических систем.
Исследованныев работе особенности строения электрического поля на границе липидный бислой-– 101 –вода должны учитываться при решении биомедицинских задач, связанных с адсорбциейна клеточной поверхности и трансмембранным переносом заряженных молекул, а такжес переносом заряда в мембранных электрон-транспортных системах.Основные результаты, выносимые на защитуСформированы молекулярно-динамические (МД) модели бислойных мембранных систем, адаптированных под универсальное полноатомное силовое поле (OPLS-AA).На их основе получены равновесные конфигурации межфазной границы бислой-вода,использованные для сопоставления с известными данными реальных измерений.Для определения положения плоскости Гельмгольца у межфазной границы предложено использовать распределение концентрации непроникающих противоионов.
Показано, что для всех исследованных липидных систем эта плоскость находится нарасстоянии 1 нм от внутренней границы полярной области бислоя. Определены феноменологические значения констант адсорбции ряда катионов (Na+ , K+ , TMA+ , Cs+ )и плотности центров связывания, близкие к известным в литературе.Установлено три вероятных типа локализации одновалентных катионов в полярной области бислоя из анионных липидов: два - вблизи карбоксильной и одно вблизи фосфатной группы.
В случае высокоафинных многовалентных катионов обнаружена координация трех анионных групп фосфолипидов.Показано, что катионы щелочных металлов в полярной области бислоя имеют локальный максимум на различной глубине, которая линейно связана с ионным радиусомкатионов.Доказано влияние катионов на состояние гидратации полярных групп фосфолипидов. Найдены распределения параметра порядка, коэффициента самодиффузии иколичество гидратной воды на липид в разном фазовом состоянии.Установлен молекулярный механизм влияния катионов на дипольную компонентуграничного потенциала. Этот механизм включает в себя два противоположных эффекта: увеличение дипольного потенциала при погружении катионов в полярную областьбислоя и его понижение в результате вытеснения катионом ориентированной воды изН-связей с фосфатными группами.Предложена молекулярная модель, объясняющая изменение электрических и механохимических характеристик монослоя при адсорбции многовалентных катионов иучитывающая образование микрокластеров.– 102 –БлагодарностиАвтор выражает благодарность своим научным руководителям Красильникову Павлу Михайловичу и Ермакову Юрию Александровичу за создание благоприятных условийработы над исследованием в разные периоды времени, за научные консультации и руководство.
Автор также благодарит коллег по вычислительной лаборатории ДмитрияЗленко, Петра Мамонова за формирования творческой атмосферы в группе в периодактивной работы над исследованием и коллегу по экспериментальной лабораторииНаталью Марукович за предоставленные экспериментальные данные.
Автор благодаренЦирлиной Галине Александровне и Емцу Виктору Владимировичу за консультации поэлектрохимическим вопросам.Работа выполнялась в разные периоды времени в группе молекулярной биофизики «ERG» кафедры биофизики биологического факультета МГУ и в лаборатории биоэлектрохимии ИФХиЭ РАН. Вычислительные эксперименты производились на мощностяхгруппы ERG, на кластерах «Чебышев» и «Ломоносов» суперкомпьютерного комплекса«СКИФ» (НИВЦ МГУ). Работа была поддержана грантом РФФИ №11-03-01109.– 103 –Список литературы1.
Yi M., Nymeyer H., Zhou H.-X. Test of the Gouy-Chapman Theory for a ChargedLipid Membrane against Explicit-Solvent Molecular Dynamics Simulations //Physical Review Letters. –– 2008. –– July. –– Vol. 101, no. 3. –– P. 1–4.2. Helmut H., Michael S., Klaus S.
Molecular Dynamics Simulation of a Bilayerof 200 Lipids in the Gel and in the Liquid-Crystal Phases // Journal ofphysical chemistry. –– 1993. –– Vol. 97, no. 31. –– P. 8343–8360.3. Tieleman D. P. Theoretical studies of membrane models. Molecular dynamicsof water, lipids and membrane proteins. –– Gronnigen : Universal Press,Veenendaal, 1996. –– P. 71–80. –– ISBN: 90 367 0997 0.4.
Structure and dynamics of interfacial water in an Lalpha phase lipid bilayerfrom molecular dynamics simulations. / Ken Aman, Erik Lindahl, Olle Edholm et al. // Biophysical journal. –– 2003. –– January. –– Vol. 84, no. 1. ––P. 102–15.5. Tieleman D. P., Berendsen J. Molecular dynamics simulations of a fullyhydrated dipalmitoylphosphatidylcholine bilayer with different macroscopicboundary conditions and parameters // Journal of Chemical Physics.
–– 1996. ––Vol. 105, no. September. –– P. 4871–4880.6. Графов Б.М., Дамаскин Б.Б. О теоретических моделях двойного электрическогослоя, совместимых с адсорбционным уравнением Гиббса // Электрохимия. ––1994. –– Vol. 30, no. 12. –– P. 1413–1418.7. Gonzalez R., Sanz F. A Thermodynamic Test of the Diffuse Layer Theory andIts Implications on Electrode Kinetics // Electroanalysis. –– 1997. –– Vol. 9,no. 2. –– P. 169–175.8. Tatulian S.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
