Влияние катионов на структурные и электрические свойства липидного бислоя. Молекулярно-динамическое исследование

• Автор: Нестеренко, Алексей Михайлович
• Шифр специальности: 02.00.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 119 с. : ил.

Содержание

Список сокращений

Введение

1 Обзор литературы

1.1. Распределение электрического поля в двойном электрическом слое

1.1.1.Классическая модель распределения электрического поля и ионов вблизи поверхности

1.1.2.Адсорбция ионов на поверхности

1.1.3.Развитие моделей ДЭС

1.2.Экспериментальные подходы в изучении границы раздела мембрана-вода

1.2.1.Граничный потенциал бислоя и его компоненты

1.2.2. Регистрация электростатических эффектов на поверхности липидных мембран

1.2.3.Регистрация и анализ неэкранируемой компоненты граничного потенциала бислоя
1.2.4. Природа дипольного потенциала липидного бислоя
1.2.5.Биологические эффекты катионов и изменения дипольного потенциала .
1.2.6. Суммирование основных экспериментальных явлений, требующих молекулярной интерпретации
1.3.Вычислительная химия в моделирование мембран
1.3.1. Моделирование липидных бислоев
1.3.2. Технические аспекты молекулярной динамики
1.3.3. Известные подходы к описанию детальной молекулярной картины липидного бислоя . .,
1.3.4.Техники вычислительного эксперимента для исследования межфазной границы липидного бислоя
1.4.Цели и задачи исследования
2 Методы постановки и анализа вычислительных экспериментов
2.1.Конструирование молекулярных моделей липидного бислоя
2.1.1. Начальная геометрия системы липидный бислой-вода
2.1.2. Расчет и подбор параметров силового поля
2.2.Техника молекулярно-динамического моделирования липидных бислоев
2.3.Методы обработки траекторий
2.3.1. Привязка к относительным координатам
2.3.2. Вычисление коэффициентов диффузии
2.3.3. Вычисление электростатического потенциала

2.3.4.Расчет различных параметров молекулярной структуры растворителя и
липидного бислоя
2.4.Теоретические оценки
2.4.1.Решение уравнения Пуассона-Больцмана в периодической системе в отсутствие КОНОНОВ
2.4.2.Оценка параметров адсорбции ионов
2.4.3.Модель Гуи-Чепмена-Штерна в системе с двумя типами одновалентных катионов
’ 2.5.Использованные программные пакеты
3 Результаты вычислительных экспериментов с липидным бислоем и их
анализ
3.1. Основные характеристики молекулярно-динамической картины липидного бислоя
3.1.1.Сопоставление структуры липидного бислоя по данным рентгеноструктурного анализа и МД-расчетов
3.1.2.Важные детали структурной организации липидного бислоя
3. 2.Структура ДЭС на границе липидный бислой-вода
3 . 2 .1. Условная электрическая граница бислоя
3.2.2.Параметры связывания одновалентных катионов в вычислительном эксперименте
3.2 .3. Локализация одновалентных катионов внутри бислоя
3.2.4.Структурная модель ДЭС липидного бислоя в сравнении с классической моделью
3.3 . Гидратация межфазной границы и природа дипольного потенциала
3.3.1. Граница бислой-вода с учетом эффектов гидратации
3.3.2.Дипольный потенциал как объект исследования
3.3.3.Дипольный потенциал с учетом эффектов гидратации бислоя
3.3.4.Связывание лизина с отрицательно заряженной БЛМ
3.3.5.Структурная модель влияния ионов на дипольный потенциал бислоя ,
3.4. Адсорбция многовалентных катионов и механические свойства бислоя
3.4.1.Механические характеристики бислоя и монослоя
3.4.2.Изменение дипольного потенциала при латеральной конденсации липидов 92 3.4.3.Особенности связывания многовалентных катионов

Заключение
Основные результаты, выносимые на защиту
Благодарности
Список литературы
Приложение
А.1.Распределение концентрации ионов в диффузной части ДЭС в вычислительном
эксперименте и моделях ГЧ И ГС
А.2. Энергия ионов в диффузном слое с учетом эффектов гидратации
А.3.Взаимодействие квадрупольного момента гидратной оболочки катиона с
электрическим полем

липид. Как правило таковой считаются молекулы, находящиеся в первой гидратной оболочке гидрофильных групп, а количество этих молекул оценивается путем интегрирования радиальных функций распределения. Ориентирующее влияние поверхности может вызывать эффект диэлектрического насыщения, когда локальная диэлектрическая проницаемость оказывается меньшей вблизи гидрофильных групп. При помощи атомно-силовой микроскопии понижение эффективной диэлектрической константы был косвенно продемонстрировано вблизи поверхности заряженной слюды [68]. В работе наблюдалось отклонение с на расстоянии до 10 нм, что находится далеко за пределами ориентирующих сил, поэтому результаты работы вызывают сомнения и вопрос о диэлектрическом насыщении вблизи заряженной поверхности остается открытым.
Диффузия воды вдоль и перпендикулярно поверхности мембраны является важной характеристикой, описывающей влияние поверхности, в работе [4], обсуждаемой выше в связи с ПП2, оценивалась диффузия отдельно в слоях «В-», «В+» и «F». Было показано достоверное затормаживание молекул воды в более глубоких слоях. Однако авторы также совершенно справедливо указывают на сложности в разделении латеральной и нормальной компонент диффузии при численном анализе траекторий МД.
Расчет граничного потенциала липидного бислоя in silico. Падение электрического потенциала между водной и гидрофобной фазами (граничный потенциал липидного бислоя) было вычислено для молекулярно-динамических систем различными авторами [63, 69-73]. Значение граничного потенциала, как и в эксперименте, получается положительным, однако абсолютное значение может варьировать для похожих систем в зависимости от силового поля, ионной силы и граничных условий расчета. Так например, в работе [74] показано, что в зависимости от типа учета электростатических взаимодействий, граничный потенциал бислоя из DPPC может составлять порядка 600 мВ (PME), 700 мВ (cut-off) и 800 мВ (RF). Зависимость от выбранного ансамбля (граничных условий расчета) анализировалась в работе [5] и было показано, что NoT и NpT ансамбли дают различные величины граничного потенциала. Степень гидратации также может оказывать влияние, однако эффект проявляется только когда воды остается меньше, чем 20 молекул на липид [75], что вряд ли возможно в реальных ламеллярных системах и в условиях живой клетки. Эффект адсорбции ионов на граничный потенциал был продемонстрирован на DPPC, окруженной раствором NaCl с одной стороны и КС1 с другой [44]. Различие граничных потенциалов приводило в данной модельной системе к появлению небольшого трансмембранного потенциала. В нашей работе [76] продемонстрирована чувствительность граничного потенциала