Влияние катионов на структурные и электрические свойства липидного бислоя. Молекулярно-динамическое исследование (1102545), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

1.2.1. Скачокэлектрического потенциала в водной фазе, Ψs , в дальнейшем мы будем называтьповерхностным потенциалом. Абсолютное значение потенциала Ψs в опыте оценивается по результатам измерений электрофоретической подвижности липосом. Важнымпараметром при таких оценках является положение плоскости скольжения («slippingplane») на некотором, в общем случае неизвестном, расстоянии от заряженной по-– 18 –верхности.

Электрический потенциал в этой плоскости имеет специальное названиеэлектрокинетический (дзета) потенциал, Ψζ (см. рис. 1.2.1). Во многих работахбыло убедительно показано, что теория ГЧ с учетом адсорбции катионов в слоеШтерна хорошо описывает зависимость Ψs и Ψζ от состава мембраны и окружающегоее электролита [12,21,22]. Достаточно полно вопрос о пределах применимости этоймодели к липидным мембранам рассмотрен в обзоре [23], монографии [24] и.т.д..ВМембранаэкспериментахсприменениемтехники липидных монослоев обнаружи-Водамембраны и объемом водного растворасуществует значительное падение элек-Диффузный слойОбъемная водаОбласть связаной водыΨdΨΨb0трического потенциала, которое различными методами оценивается величиной от400 до 700 мВ [25] и которое в дальней-Ψζшем мы будем называть граничным потенΨsОбласть углеводородных цепейвается, что между гидрофобной областьюОбласть полярныхгрупп липидовциалом, Ψb (см.

рис. 1.2.1). Важно отметить, что для мембран любого липидного состава гидрофобная область все-Рис 1.2.1: Распределение электрического потенциала на одной из границ липидного бислоя по нормали к поверхности. Схематично изображена половинабислоя — левая часть рисунка соответствует центрумембраны.гда оказывается положительной по отношению к объемной фазе электролита.Разность потенциалов между гидрофобной областью мембраны и ее поверхно-стью можно условно назвать дипольным потенциалом, Ψd (см. рис. 1.2.1). Согласноопределению, граничный потенциал является алгебраической суммой поверхностногои дипольного потенциалов:Ψb = Ψd + ΨsДипольный потенциал, Ψd , в большинстве случаев связан с ориентацией дипольныхмоментов полярных групп липидов и ассоциированных с ними молекул воды, либоадсорбированными на поверхности некоторыми органическими молекулами (например,флорицином [26]).

Тем не менее, значительный вклад в дипольную компоненту граничного потенциала могут вносить и неорганические ионы, когда плоскости адсорбциикатионов и анионов не совпадают. Во всех случаях участие ионов в образованиискачка потенциала в полярной области мембраны отличается от явления экранирования внешней поверхности мембраны. Поэтому дипольную компоненту граничного– 19 –потенциала можно было бы назвать «неэкранируемым потенциалом». Точное распределение электрического поля в неполярной области не известно и является предметоминтенсивных исследований, как экспериментальными, так и теоретическими методами. На рисунке 1.2.1 приведена одна из возможных форм такого распределения,полученная методами молекулярной динамики, в том числе и в данной работе.1.2.2.

Регистрация электростатических эффектов на поверхности липидныхмембранДля процессов, протекающих в непосредственной близости к поверхности мембраны, влияние заряженной поверхности оказывается значительным фактором. Одним из таких процессов является адсорбция положительно заряженных частиц.

Какотмечено выше, распределение электрического поля вблизи поверхности мембраныопределяется только ее поверхностным потенциалом. Поведение потенциала вблизизаряженной поверхности и его связь с составом электролита хорошо описываетсяпростейшей моделью Гуи-Чемпена (см. выше) в пределах точности экспериментальныхданных. Экспериментальное измерение поверхностного потенциала производится припомощи электрофоретических измерений. В случаях, когда радиус кривизны поверхности мембранной структуры существенно больше длины Дебая, электрокинетическийпотенциал, Ψζ мембраны может быть вычислен по формуле Смолуховского из среднейскорости движения липосом, u, в суспензии:Ψζ = Ψ(δ) =uη,εε0(1.2.1)где η — вязкость среды; ε, ε0 — диэлектрическая проницаемость среды.Ранее отмечалось что, Ψζ расположен на некотором расстоянии от поверхностимембраны. В работах [21] и [27] было независимо показано, что для многих измеряемых фосфолипидных мембран это расстояние практически всегда можно принятьравным 2 Å.

С другой стороны это «стандартное» расстояние, очевидно, может бытьиным при наличии в составе мембраны липидов с удаленной от поверхности заряженнойгруппой, а также может изменяться в ходе структурных преобразований поверхности.Тот факт, что «два ангстрема» не являются общим правилом подтверждают недавниеоценки расстояния до границы скольжения на мембранах с содержанием фосфоинозитоловых липидов, где оно составило порядка 5 Å [28]. Тем не менее, в большинствеслучаев эксперимент дает хорошее согласие с моделью ГЧШ при использовании δ = 2,а точность экспериментальных данных чаще всего не позволяет подбирать этотпараметр независимо от других определяемых феноменологических параметров (кон-– 20 –стант адсорбции ионов) [12].

Отметим, что физическая интерпретация параметраδ затруднительна в принципе, поскольку нет никаких оснований считать монослойводы толщиной в одну молекулу областью, недоступной для вязкого течения, кактого требует теория Смолуховского. Несмотря на проблемы физической интерпретации, используя формулу теории ГЧ о зависимости электрического потенциала отрасстояния (1.1.6) и подставляя в нее расстояние до плоскости скольжения и значение измеренного ζ-потенциала, оказывается возможным определить поверхностныйпотенциал Ψ0 .Для заряженных мембран с относительно высоким отрицательным поверхностнымпотенциалом теория ГЧ предсказывает изменение величины последнего на ∼60 мВпри изменении концентрации фонового одновалентного электролита в 10 раз, илина ∼30 мВ, если речь идет о двухвалентном электролите.

Это правило оказывается применимо ко многим катионам в той области концентраций, где изменениепотенциала максимально. Вообще, теория ГЧ оказывается хорошо применимой дляописания экспериментов с липосомами из PG (фосфатидилглицерола) и PS (фосфатидилсерина) в присутствии слабо адсорбирующихся катионов ТМА+ или диметоний2+(триметил-(2-триметиламмонийэтил)азоний) [21]. Абсолютное значение поверхностного потенциала отрицательно заряженных мембран оказывается зависящим от видакатионов в омывающем электролите, чего теория ГЧ предсказать не может, посколькуне учитывает адсорбции катионов на полярных группах фосфолипидов.

Теоретическаямодель, в которой учтены эффекты экранирования и адсорбции был предложена вработах С.Маклафлина и соавторов на основе представлений, сформулированных ранее в работах Штерна (см. выше). Изменение поверхностного потенциала мембраны входе адсорбции катионов хорошо описывается уравнением ГЧШ (1.1.14) [21, 23, 29].Добавление в раствор двух- или трехвалентных катионов приводит к значительному изменению поверхностного заряда мембраны. Измерение константы связываниядвухвалентных катионов оказывается возможным путем варьирования их концентрациии определения точки нулевого заряда липосом в суспензии [30]. Действительно,константа связывания двухвалентных катионов с анионными липидами в точности равна обратной концентрации катиона, при которой липосомы становятся неподвижнымив электрофорезе.

Катионы двух- и многовалентных металлов обладают, как правило,высоким сродством к фосфолипидам. Так катионы Mg2+ , Ca2+ , Ni2+ связываются смембраной из PS с константами 8, 12 и 40 М−1 , соответственно [30]. Связываниевысокоаффинных катионов Be2+ и Gd3+ настолько сильно, что вызывает перестройки всамом липидном бислое. В рамках модели ГЧШ, дополненной уравнениями материального баланса, феноменологические значения констант связывания для этих катионов– 21 –составляют 104 и 105 М−1 , соответственно [31]. В отличие от большинства одновалентных катионов, двухвалентные способны связываться также и с цвиттерионнымилипидами за счет адсорбции на фосфатных группах. При добавлении их в суспензиюлипосом DPPC последние приобретают положительный заряд, который регистрируетсяв электрофорезе.

Анализ зависимостей зета-потенциала от концентрации катионови анализ ЯМР-спектров кобальта в присутствии31 P-меченныхлипидов показали, чтодвухвалентные катионы связываются с DPPC в стехиометрическом соотношении 1:1 сконстантами от 0.3 до 3 M−1 для различных катионов [32]. По данным этой работы,биологически значимые катионы Ca2+ и Mg2+ связываются с PC-бислоем с константойпорядка 1 М−1 .При изучении адсорбции на анионных липидах слабо связывающихся катионов(Na, K и др.) количественные характеристики адсорбции оказывается возможным получить при варьировании доли анионных липидов в смеси и измерению поверхностногопотенциала, как это было сделано в работе [29].

Константа связывания биологически значимого катиона Na+ на PS и PG мембранах оказывается близкой к 1 M−1 , а K+примерно в 2-5 раз меньше [21,29,33]. Бислои из цвиттерионных липидов (PC, PE) повсей видимости, не связывают катионы натрия и калия [23], однако, по-видимому,связывают более маленький катион Li+ [34]. Поскольку липосомы из нейтральныхлипидов при нормальном pH почти не обладают электрофоретической подвижностью3в присутствии одновалентных ионов, обычно предполагают, что только анионныелипиды способны адсорбировать одновалентные катионы. Приняв плотность центровсвязывания линейно зависящей от доли анионных липидов в смеси с нейтральнымилипидами, в работе [29] плотности центров и константы адсорбции были найденыкак независимые параметры. При этом было показано, что для некоторых катионов(TMA+ ) плотность центров связывания оказывается такой же, как и поверхностнаяплотность групп анионных фосфолипидов, тогда как для Na+ это число оказываетсяниже.

Характеристики

Список файлов диссертации