Влияние катионов на структурные и электрические свойства липидного бислоя. Молекулярно-динамическое исследование (1102545), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Формально это означает, что часть анионных липидов не участвуют в равновесии с ионами Na+ и K+ , но при этом органический катион TMA+ взаимодействуетсо всеми анионными липидами, хотя и слабо. В реальной молекулярной картинеэто может означать, что центр связывания Na+ имеет более сложную природу, чемпредполагается в рамках традиционной модели бинарной адсорбции Ленгмюра.3Ряд авторов с этим выводом не согласен и приводят сведения об изменении подвижности липосом изфосфатидилхолина в растворах одновалентных катионов (см.
например [35]), однако в достоверностиэтих измерений имеются определенные сомнения.– 22 –1.2.3. Регистрация и анализ неэкранируемой компоненты граничногопотенциала бислояДля диффузной части граничного потенциала может быть получено абсолютноезначение при помощи электрокинетических измерений. Полный граничный потенциалявляется по определению Гальвани-потенциалом и его абсолютное значение экспериментальным путем измерено быть не может. Поэтому все экспериментальные техникиизмеряют изменение граничного потенциала по отношению к некоторой референснойсистеме. Метод компенсации внутримембранного поля (КВП) измеряет изменение граничного потенциала на одной стороне БЛМ, по отношению к таковому на другойстороне мембраны [36].
В этом методе БЛМ формируется на тефлоновом отверстиии разделяет два раствора, а асимметрия создается путем изменения концентрациии состава электролита в одном растворе по отношению к другому. Таким образом,метод КВП хорошо подходит для измерения изменений граничного потенциала монослоя при адсорбции катионов. Другим методом измерения изменения граничногопотенциала на границе бислой-вода является измерение Вольта-потенциала монослояна границе раздела вода-воздух по отношению к электроду в растворе [25].
Скачекпотенциала на границе вода-монослой-воздух вычисляется относительно скачка награнице вода-воздух (без монослоя). В экспериментах такого рода оказываетсявозможным варьировать не только состав электролита, но и плотность упаковкилипидов в монослое. Комбинируя описанные экспериментальные техники с электрокинетическими измерениями оказывается возможным регистрировать отдельно изменениеповерхностного и дипольного потенциалов.Аналог дипольного потенциала металлических электродов — скачек потенциалав плотной части ДЭС — зависит от зависит от присутствия в растворе поверхностноактивного электролита; для липидного бислоя такая зависимость также наблюдается.Для бислоя DPPC в жидко-кристаллическом состоянии в присутствии высокоафинныхкатионов бериллия повышение поверхностного потенциала сопровождается аналогичным повышением граничного потенциала [37].
При понижении температуры такойбислой переходит в гелевое состояние, и в таком состоянии добавление бериллияприводит к повышению поверхностного и понижению граничного потенциала. Это можнообъяснить только влиянием катионов Be2+ на падение потенциала в полярной областибислоя. Аналогичный эффект оказывают катионы полилизина на жидко-кристаллическийбислой, содержащий анионные липиды [38]. Отрицательные изменения дипольного потенциала вызывают также катионы одиночного лизина: при добавлении последнихувеличение граничного потенциала всегда меньше увеличения поверхностного.
Бо-– 23 –лее того, в широком диапазоне концентраций повышение поверхностного потенциалапри добавлении лизина не сопровождается изменением граничного потенциала [39].Аналогичные эффекты наблюдались и ранее при адсорбции на поверхности мембраны«дипольного модификатора» флоретина и могут быть связаны с изменением состояния гидратной воды в полярной области бислоя. Изменения дипольного потенциала,фиксируемое на монослойной установке демонстрируют его зависимость от площадиупаковки липидов в монослое [25]. В присутствии высокоафинных катионов Gd3+ иBe2+ наблюдается повышение дипольного потенциала монослоя из анионных липидов,связанное как с конденсацией монослоя, так и с другими, на сегодняшний деньнеясными, причинами [31].1.2.4.
Природа дипольного потенциала липидного бислояСкачок потенциала на границе раздела воды и примыкающей фазы является общим явлением: очень часто поверхность ориентирует определенным образом дипольныемоменты растворителя, из поверхности металлического электрода почти всегда наопределенное расстояние выходит «хвост» электронного газа — все эти процессысоздают локальное разделение зарядов вблизи поверхности. Так на поверхностикристалла Pt (111) теоретически оценено распределение зарядовой плотности и,соответственно, скачек потенциала [40].
Дипольный потенциал возникает на границе раздела вода-воздух и в толще адсорбированных на этой границе органическихпленок [41]. Не исключением является и граница раздела водной фазы и липидногобислоя: скачок потенциала между водной и гидрофобной фазами имеет высокую амплитуду и всегда оказывается направленным в сторону гидрофобной области [25].Появление дипольного потенциала на границах фосфолипидных мембран обычно связывают с гиперполяризацией молекул воды на фосфатных группах и кето-группах жирныхкислот. Хотя это наблюдение и не поддается прямой проверке в эксперименте, косвенно на это указывают спектроскопические данные [42].Ориентация дипольных моментов фосфолипидов и ассоциированных с ними молекулводы зависит от плотности латеральной упаковки липидов в бислой или монослой, ипоэтому дипольный потенциал оказывается зависимым от средней площади на липидв мембране.
Экспериментально дипольный потенциал монослоя определяется черезВольта-потенциал монослоя, измеряемый между электродом в растворе и электродом вблизи поверхности воды с нанесенным на нее монослоем. Вольта-потенциалмонослоя представляет собой, таким образом, изменение гальвани-потенциала награнице раздела вода-воздух при нанесении на эту границу липидного монослоя.Изменения Вольта-потенциала монослоя имеют ту же природу, что и регистриру-– 24 –емые изменения и граничного потенциала липидного бислоя, поэтому монослойнуюмодель удобно использовать для оценки неэкранируемой части граничного потенциала.
Подробный обзор экспериментальных фактов, методов регистрации и анализаВольта-потенциала, возникающего на границе вода-воздух в присутствии липидов,приведен в работе [25]. Оказалось, что для большинства фосфолипидов при плотности монослоя вдали от области фазового перехода гель-жидкий кристалл изменениеВольта-потенциала связано с изменением плотности липидов в монослое известнымуравнением Гельмгольца:∆V =12π ∗ µef f,A(1.2.2)где ∆V — Вольта-потенциал, µef f — эффективный дипольный момент на липид, A —площадь на липид. В этой простой модели предполагается, что дипольный момент,ассоциированный с одним липидом и формирующий дипольный потенциал постоянен,и изменение дипольного потенциала происходит в результате изменения плотности«упаковки» этих эффективных дипольных моментов.
Следовательно, дипольный потенциал может служить индикатором компактизации/декомпактизации липидного бислояв ходе какого-либо процесса. И действительно, латеральная конденсация липидовв бислое DMPS в присутствии высокоаффинных катионов Gd3+ сопровождается положительным скачком дипольной компоненты потенциала [31]. В ходе фазового перехода,по-видимому, эффективный дипольный момент может изменяться, о чем свидетельствуют данные, полученные на монослоях DMPS [43]: в точке фазового переходазависимость потенциала от площади отклоняется от линейной.
Основной вклад вформирование дипольного потенциала вносят ориентированные на границе разделадипольные моменты молекул воды. При помощи молекулярной динамики [44] и монослойных исследований с адсорбцией флоретина [45] было показано, что липидныемолекулы также участвуют в формировании дипольного потенциала, но слабее и сдругим знаком.Очевидно, что только межмолекулярные электростатические взаимодействия немогут объяснить появление скачка потенциала, поскольку подобная неравномерностьв распределении электрического поля энергетически не выгодна.
По-видимому, гиперполяризация молекул воды на поверхности бислоя осуществляется за счет образования сильных водородных связей с полярными группами фосфолипидов. Квантовые поляризационные эффекты, которые могут быть учтены только ab initio,по-видимому, не являются определяющими в формировании дипольного потенциала,хотя использование поляризационных силовых полей, по данным некоторых авторов,– 25 –позволяет существенно уточнить оценки дипольного потенциала фосфатидилхолиновыхмембран [46, 47]. На сегодняшний день в литературе отсутствует простая общепринятая модель, объясняющая происхождение и эффекты дипольного потенциала. Одниданные предполагают, что существует некоторый эффективный «диполь» у каждогомембранного липида, представлящий способность этого липида ориентировать диполи некоторого количества связанных с этим липидом молекул воды. Другие данныедемонстрируют, что момент этого «диполя» может изменяться при адсорбции многовалентных катионов или при фазовом переходе.
То есть, дипольный потенциалявляется внутренним свойством липидного бислоя и в то же время, может изменяться в зависимости от состава раствора и явлений на его поверхности. Исследованияв этой области представляют значительный интерес как для электрохимии, так идля смежных областей, поэтому стали предметом настоящей работы.1.2.5. Биологические эффекты катионов и изменения дипольного потенциалаЭффекты, основанные на изменении поверхностного заряда.Поверхностный зарядклеточной мембраны, очевидно, определяет взаимодействие с любыми заряженными молекулами, как высоко- так и низкомолекулярными. Отрицательный заряд намембране клеток млекопитающих создается в основном сиаловыми кислотами, фосфатидилсерином и фосфатидилинозитолом (включая моно- и бисфосфат последнего).На внутренней монослое мембраны может содержаться до 25% PS и PI-липидов [48].Поверхностный потенциал, соответствующий данному составу мембран, может составлять величину до -40 мВ в зависимости от ионной силы; потенциал такой величины,очевидно, сильно влияет на перераспределение заряженных белков и небольшихмолекул в диффузной части двойного слоя (порядка 10 Å от поверхности).
Биологическая значимость взаимодействия заряженных белков с отрицательной поверхностьюбыла успешно продемонстрирована на примере MARKCS-белков, основных субстратовпротеинкиназы С. Оказывается, фосфорилирование положительно заряженных аминокислот используется клеткой для отделения этих белков от внутренней поверхностимембраны и поверхности внутриклеточных везикул [49]. Другие примеры электростатического регулирования приповерхностного распределения ряда функциональнозначимых белков суммированы в недавних обзорах [50, 51].Эффекты от связывания многовалентных катионов с мембраной.Как было убедительнопоказано в работе [43], связывание с мембраной трехвалентного катиона гадолиния приводит к блокированию интегрированных в нее механочувствительных каналов.Эксперименты с липидными монослоями позволили заключить, что жесткость мембраны– 26 –сильно возрастает при адсорбции Gd3+ и Be2+ [31], поэтому напряжение мембраны непередается на канал и чувствительность последнего к натяжению пропадает.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
