Влияние катионов на структурные и электрические свойства липидного бислоя. Молекулярно-динамическое исследование (1102545), страница 8
Текст из файла (страница 8)
При помощиатомно-силовой микроскопии понижение эффективной диэлектрической константы былкосвенно продемонстрировано вблизи поверхности заряженной слюды [68]. В работенаблюдалось отклонение ε на расстоянии до 10 нм, что находится далеко за пределами ориентирующих сил, поэтому результаты работы вызывают сомнения и вопрос одиэлектрическом насыщении вблизи заряженной поверхности остается открытым.Диффузия воды вдоль и перпендикулярно поверхности мембраны является важнойхарактеристикой, описывающей влияние поверхности. В работе [4], обсуждаемойвыше в связи с ПП2, оценивалась диффузия отдельно в слоях «B-», «B+» и «F».Было показано достоверное затормаживание молекул воды в более глубоких слоях.Однако авторы также совершенно справедливо указывают на сложности в разделениилатеральной и нормальной компонент диффузии при численном анализе траекторийМД.Расчет граничного потенциала липидного бислоя in silico.
Падение электрического потенциала между водной и гидрофобной фазами (граничный потенциал липидногобислоя) было вычислено для молекулярно-динамических систем различными авторами [63,69–73]. Значение граничного потенциала, как и в эксперименте, получаетсяположительным, однако абсолютное значение может варьировать для похожих систем взависимости от силового поля, ионной силы и граничных условий расчета. Так например, в работе [74] показано, что в зависимости от типа учета электростатическихвзаимодействий, граничный потенциал бислоя из DPPC может составлять порядка 600мВ (PME), 700 мВ (cut-off) и 800 мВ (RF). Зависимость от выбранного ансамбля(граничных условий расчета) анализировалась в работе [5] и было показано, чтоN σT и N pT ансамбли дают различные величины граничного потенциала.
Степень гидратации также может оказывать влияние, однако эффект проявляется только когдаводы остается меньше, чем 20 молекул на липид [75], что вряд ли возможно вреальных ламеллярных системах и в условиях живой клетки. Эффект адсорбции ионовна граничный потенциал был продемонстрирован на DPPC, окруженной раствором NaClс одной стороны и KCl с другой [44]. Различие граничных потенциалов приводилов данной модельной системе к появлению небольшого трансмембранного потенциала.В нашей работе [76] продемонстрирована чувствительность граничного потенциала– 35 –к смене Na+ на Be2+ .
Различные оценки граничного потенциала мембран из DPPC поданным различных авторов суммированы в табл. 1.3.1.Некоторой оценкой граничного потенциала служит так называемый Вольтапотенциал липидного монослоя на границе вода-воздух. Монослой DPPC на границевода-воздух был исследована методом МД при температуре 323 К [47] и потенциалмонослоя был оценен в 350 мВ. Интересно отметить, что потенциал вклад ориентацииквадрупольных моментов молекул воды был определен как доминирующий в суммарномпотенциале, тогда как дипольный вклад был направлен в противоположную сторону.Есть все основания полагать, что эта особенность сохраняется и в случае бислоев.Работа[75][5][78][64][74]Ψb , мВ500500-6001000700620–830Силовое полеGROMOSBergerOPLS/AmberBergerBerger[76]400OPLSразнообразие исследуемых в работе системразличная степень гидратацииразличные граничные условия и модели водыразличные граничные условия, различный учётэлектростатики (PME, Cut-off, Reaction Field)адсорбция различных катионов, учет оптическойдиэлектрической проницаемостиТаблица 1.3.1: Различные оценки граничного потенциала бислоя DPPC в жидко-кристаллическом состоянии из расчетов МД.В литературе, за исключением нашей работы [76], обнаружить расчет граничногопотенциала для мембраны в гелевой фазе нам не удалось, хотя моделированию«твердых» бислоев посвящено достаточное количество работ.Расчет поверхностного потенциала in silico.В литературе присутствует небольшоеколичество работ, авторы которых так или иначе попытались оценить поверхностныйпотенциал [1, 63, 64].
Очевидно, измерение поверхностного потенциала in silicoпредставляет определенную трудность, в то же время такого рода информация крайневостребована экспериментаторами. Один из способов такой оценки — аппроксимирование профилей концентрации ко- и противоионов, полученных в расчете молекулярнойдинамики, при помощи уравнений ГЧ [1].
В работе исследовалась мембрана из DOPGпри температуре 300 K и при объемных концентрациях электролита — 310, 160 и90 мМ. Авторы не задались целью вычислить поверхностный потенциал и значенияпотенциалов, использовавшиеся для фитирования кривых в работе не приводятся.Из приведенных рассчитанных профилей концентраций, мы, решив обратную задачу,можем получить следующие значения: 64 мВ, 79 мВ и 91 мВ. Экспериментальноезначение поверхностного потенциала в такой системе при объемной концентрации100 мВ соответствует -85 мВ [33], то есть такой подход дает хорошее согла-– 36 –сие с экспериментом6 .
Поверхностный потенциал системы DPPC:NaCl при температуре323 К из расчета МД оценивали напрямую [63], по потенциалу, рассчитанному методом двойного интегрирования усредненной зарядовой плотности (2.3.4). Полученноезначение, порядка 25 мВ, не соответствует экспериментальным данным, утверждающих, что в пристутствии Na+ и K+ мембраны из фосфатидилхолинов обычно незаряжены [11, 21, 23].Еще один способ оценки поверхностного потенциала — через уравнения теории ГЧШ, используя вычислительный эксперимент в качестве источника информациитолько об адсорбции ионов на мембране [64].
В работе рассматривалась мембранаиз смеси DPPC:DPPS в соотношении 5:1 при температуре 350 К и объемной концентрации электролита от 100 мМ. Поверхностный заряд авторы оценивали из расчетаМД, считая адсорбированными катионы, потерявшие половину гидратной оболочки.Причину выбора такого критерия авторы работы не указывали. Внешняя плоскостьГельмгольца, таким образом, находилась глубоко внутри полярной области мембраны. Как мы полагаем, такое определение положения плоскости Гельмгольца сильнорасходится с критериями, предъявляемой для этой плоскости стандартной моделью(см. “Классическая модель распределения электрического поля..”).
Из полученногоповерхностного заряда авторами находился поверхностный потенциал по линеаризованному уравнению ГЧ и составил 20 и 5 мВ для объемных концентраций 100 и200 мМ соответственно. К сожалению, экспериментальные данные по таким смесямотсутствуют, и эти значения не могут быть проверены.1.3.4. Техники вычислительного эксперимента для исследования межфазнойграницы липидного бислояМетод МД хорошо подходит для детализации молекулярной картины двойногоэлектрического слоя на поверхности липидных мембран. Большое количество силовыхполей и протоколов расчета использовалось в литературе для решения самых разныхзадач.
С другой стороны, работ, исследующих структуру двойного слоя в такихмодельных системах чрезвычайно мало и почти все являются дискуссионными, какс точки зрения используемых подходов, так и с точки зрения полученных результатов. Это побуждает нас с одной стороны к разработке технологий проведениявычислительных экспериментов, имитирующих реальные биоэлектрохимические опыты.
С другой стороны, актуальным является развитие представлений, позволяющихизвлекать макроскопическую информацию из детальной молекулярной картины.Вопрос о положении внешней плоскости Гельмгольца на границе липидный бис6Сами авторы сравнивают с экспериментом только полученную константу адсорбции Na+ .– 37 –лой–вода, обсуждаемый выше, не находит в литературе убедительного ответа. В тоже время, знание этого положения принципиально для интерпретации многих данных,как вычислительного, так и реального эксперимента.Роль гидратной воды в структуре межфазной границы и распределении электрического поля широко обсуждается в литературе в самых разных аспектах. Какпоказано выше, в работах по молекулярному моделированию липидных бислоев состояние гидратации исследуется очень подробно.
Использованные в этих работахподходы целесообразно применять и в нашем исследовании для выяснения роли водыв дипольных эффектах адсорбирующихся катионов.– 38 –1.4. Цели и задачи исследованияЦелью настоящей работы является выяснение молекулярных механизмов заряжения межфазных границ липидных мембран с электролитами разного ионного составапо результатам вычислительных экспериментов, проведенных методами молекулярнодинамического моделирования. При этом требуется внести поправки к силовому полюлипидов и ионов, которые необходимы для воспроизведения известных характеристиклипидного бислоя и диффузной части ДЭС. Поставленная в работе цель с учетом специфики используемых методов и подходов предполагает выполнение следующих задачисследования:1.
Сформировать молекулярно-динамические модели мембранных систем на основесилового поля (OPLS-AA) с использованием липидов, различающихся типом углеводородных цепей и полярных групп, а также ионов различной валентности,определяя недостающие параметры силового поля.2.
Провести серию вычислительных экспериментов, и сопоставить полученные результаты с данными реальных измерений и существующими представлениями остроении ДЭС. На основе данных МД описать распределение электрического полявнутри полярной области бислоя и в пределах диффузной части ДЭС.3. ОпределитьположениевнешнейплоскостиГельмгольцанаграницеразделамембрана-электролит, применимое ко всем исследованным системам. Оценитьспособность различных ионов проникать в полярную область бислоя и установить молекулярную природу адсорбционных мест, а также вызванные ионамиизменения состояния гидратации полярных групп фосфолипидов.4.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
