УДК 577.352.26
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ДИНАМИКА ФОСФОЛИПИДНЫХ МЕМБРАН: РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ИОНОВ ВБЛИЗИ ГРАНИЦЫ НЕЙТРАЛЬНОГО И ЗАРЯЖЕННОГО ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО БИСЛОЯ © 2012 г. А. М. Нестеренко1, 2*, Ю. А. Ермаков3
Научно-исследовательский институт физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, 119992, Москва, Ленинские горы, 1, стр. 40;
2Биологический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова,
119992, Москва, Ленинские горы, 1, стр. 12; *электронная почта: comcon1@erg.biophys.msu.ru 3Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН, 119071, Москва, Ленинский просп., 31, стр. 4 Поступила в редакцию 30.03.2012 г.
Методом молекулярной динамики изучено распределение электрического поля и ионов вблизи нейтрального и заряженного (DPPC + BeCl2 и DPPC/DPPS + KCl) липидного бислоя. Показано, что вклад молекул липида, воды и ионов в электрический потенциал в значительной степени взаимно компенсируется и оказывается близким к нулю в той области, где расположена диффузная часть двойного электрического слоя, а распределение ионов вблизи поверхности определяется не только энергией электростатического взаимодействия с окружением. Сопоставление полной энергии взаимодействия ионов и потенциала средней силы ионов демонстрирует разное влияние катионов и анионов на состояние воды вблизи поверхности. Положение "электрической" границы бислоя выбрано на удалении 10 А от Са атомов глицеринового основания полярных групп фосфолипи-дов в системе DPPC + BeCl2, поскольку в этой точке достигаются экстремальные значения концентрации Cl- и параметра порядка воды. Это же положение границы раздела было использовано при анализе потенциала средней силы ионов в системе DPPC/DPPS. Показано, что потенциал средней силы противоионов на этой границе дает хорошую оценку поверхностного потенциала, которая может быть использована для сравнения с экспериментальными данными. Найденные из МД значения поверхностного потенциала и плотности заряда в этой системе с различной концентрацией электролита и с содержанием DPPS в смеси 20, 40 и 60% хорошо согласуются с предсказаниями модели Гуи-Чепмена-Штерна при использовании параметров адсорбции ионов, близких к экспериментальным.
Ключевые слова: липидный бислой, молекулярная динамика, гидратация липидов, граничный потенциал, дипольный потенциал, поверхностный потенциал, двойной электрический слой, БРРС, БРРЯ.
Транспортные процессы в клеточных мембранах и функционирование мембранных белков во многом зависят от состава и физического состояния липидного матрикса, которое регулируется ионным окружением. В результате взаимодействия фосфолипидов с неорганическими ионами возникает электрическое поле на границах мембран, которое включает в себя падение потенциала во внешнем водном растворе и непосредственно в полярной области мембран. Изменение этих компонент граничного потенциала отражает как появление заряда на внешней поверхности мембран, так и изменения в самом липидном бислое, обусловленные наличием электрических диполей в структуре липидных молекул и связанных с ними молекул воды. Данные об адсорбции большинства биологически значимых ионов обычно
основаны на электрокинетических измерениях в суспензии липосом и опубликованы во многих обзорах и монографиях [1—4]. Эти исследования позволили убедиться, что распределение поля вблизи поверхности мембран с достаточной точностью описывается сравнительно простой теоретической моделью двойного электрического слоя (ДЭС) с учетом адсорбции ионов электролита (модель Гуи—Чепмена—Штерна, ГЧШ [2, 5—7]). Молекулярная динамика (МД) предлагает альтернативный подход к изучению связи электрических явлений с составом и структурой липид-ного бислоя. Этот метод дает возможность визуализировать взаимодействие ионного окружения с поверхностью липидного бислоя, произвести численную оценку энергетических, электростатических и ориентационных характеристик моле-
кул. Одна из основных задач такого анализа, возможное решение которой предлагается в данной работе, состоит в определении положения границы раздела мембрана—раствор, позволяющее выделить основные физические механизмы, участвующие в образовании дипольной и диффузной компонент граничного потенциала.
Описаны по крайней мере два способа определения границы мембраны: по положению плоскости адсорбции ионов [8] и по состоянию гид-ратных оболочек этих ионов [9]. Для сравнения полученного результата с экспериментальными данными требуется установить границы ДЭС и применимости модели ГЧШ. Наилучшего согласия результатов МД и модели удалось достичь в работе [8] для бислоя диолеоилфосфатидилгли-церина (DOPG). Однако при выборе электрической границы бислоя авторы были вынуждены принять различное положение этой границы для анионов и катионов, как если бы ДЭС для ионов разного знака оказывался несколько смещенным. Мы полагаем, что адекватное сравнение данных вычислительного и реального экспериментов с предсказаниями модели ГЧШ подразумевает, что положение границы диффузного слоя не зависит от типа и концентрации ионов раствора. Чтобы убедиться в этом желательно изучить поведение бислоя, состоящего из смеси нейтральных и анионных липидов в различных соотношениях, например, используя комбинацию молекул дипаль-митоилфосфатидилсерина ^РР8) и дипальмито-илфосфатидилхолина ^РРС). Моделирование такого бислоя уже производилось ранее [9]. Граница слоя Штерна в этой работе принималась в той плоскости, где катионы теряют половину гид-ратной оболочки, и оказывалась по этой причине в глубине полярной области бислоя. Заряд в этой плоскости вычислялся из данных МД с учетом адсорбции и использовался для расчета поверхностного потенциала по уравнениям ГЧ. Заметим, что положение границы диффузного слоя на некоторой глубине в полярной области мембраны не согласуется с общепринятым представлением о структуре ДЭС. При молекулярном моделировании выбор положения границы липидного би-слоя не является очевидным и может основываться на распределении ионов в полярной области, на распределении и организации молекул поверхностной воды, распределении электрического потенциала и т.п. В данной работе на различных липидных модельных системах мы рассмотрим несколько вариантов оценки электрических характеристик мембран и предложим достаточно универсальный способ определения положения электрической границы бислоя.
В предыдущей работе мы исследовали молеку-лярно-динамическую модель бислоя, состоящую из молекул DPPC, поверхностный заряд которого создан адсорбированными на его поверхности ка-
тионами бериллия [10]. Анализ этой системы показал, что адсорбированные катионы изменяют количество и ориентацию молекул воды, связанных с полярными группами липида, и таким образом оказывают влияние на дипольный потенциал. В настоящей работе мы дополнили этот результат, рассчитывая распределение электрического поля и вклад в него отдельных структурных компонент. Кроме того, мы построили и изучили систему, состоящую из смеси фосфолипидов, заряд которых зависит от присутствия анионного липида DPPS в составе бислоя и ионного равновесия вблизи поверхности.
МЕТОДЫ
Основным методом исследования является стохастическая динамика в полноатомном силовом поле OPLS-AA [11] с явной ("explicit") водой. Начальные структуры липидных монослоев формировались из гексагонально упакованных молекул DPPC и DPPS. Использовался шаг интегрирования 0.5 фс, среднее время продуктивного расчета составляло 100 нс. Методика формирования системы и протоколы расчета достаточно подробно описаны в предыдущей работе [10], однако в настоящем исследовании модель была дополнена. Ранее мы анализировали систему, состоящую из 50 молекул липида и 1700 молекул воды, малый размер которой оказывал заметное влияние на результат. В новых расчетах для достижения электронейтральности вдали от заряженной поверхности система была увеличена до 90 молекул липидов в каждом монослое и не менее 17000 молекул воды. Топология липидов была построена по методике, описанной нами в работе [10], и дополнена потенциалом двугранного угла углеводородной цепи для лучшего соответствия общепринятому потенциалу Бергера [12]. Эта модификация топологии позволила снизить поверхностное натяжение в моделируемых системах с небольшой водной прослойкой (около 3 нм) с 40 до 10 дин/см, а в системах с большой водной прослойкой (около 12 нм) — до 20 дин/см. Однако в этом отношении силовое поле в нашей схеме эксперимента все еще не является идеальным, поскольку мембрана в ненапряженной конфигурации должна иметь нулевое поверхностное натяжение [13]. Уравновешивание недостатков силового поля искусственным поверхностным натяжением мы считаем вполне приемлемым, поскольку в данной работе поведение бислоев при различных давлениях не исследуется.
Следует отметить, что метод МД рассматривает процесс (де)протонирования как изменение топологии системы, что лишает возможности моделировать динамику этого процесса. Известно, что в эксперименте протонное равновесие оказывает влияние на обе компоненты граничного по-
тенциала в подобных системах, однако при рН 7 и значении р^ = 2—3 более 90% молекул фосфати-дилсерина имеют отрицательный заряд [14], поэтому вполне допустимо считать все молекулы ЭРР8 отрицательно заряженными. Понятно, что количество свободных протонов на много порядков меньше, чем других ионов. Для выполнения условия электронейтральности в систему введен небольшой избыток катионов, равный количеству молекул ЭРР8.
Анализ траекторий производился с помощью алгоритмов (скриптов), усредняющих распределение измеряемых величин в относительных координатах, где за начало координат принималось среднее положение Са атома глицерина полярных групп липидов, которое использовалось при построении приведенных ниже графиков. Электрический потенциал вычислялся путем двойного интегрирования зарядовой плотности. Подробности анализа траекторий описаны в работе [10].
Параметр порядка воды (ПП) вычислялся по формуле:
S. =/'3со820 - 1 г \ 2 2
(1)
I
где 0 — угол наклона диполя воды к нормали к пов
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.