Локальное разделение зарядов в мембране при адсорбции и ионном транспорте

• Автор: Соколов, Валерий Сергеевич
• Шифр специальности: 03.01.02
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 215 с. : ил.

Оглавление
Введение

Глава 1. Обзор литературы

1.1. Электростатика мембран

1.1.1. Структура липидов и липидные бислои

1.1.2. Электростатические граничные потенциалы

1.1.3. Распределение электрического поля в мембране

1.2. Методы измерения граничных потенциалов

1.2.1. Электрофоретическая подвижность и ^-потенциал

1.2.2. Поверхностный потенциал монослоев

1.2.3. Зонды и проводимость БЛМ в присутствии ионофоров

1.2.4. Нестационарный мембранный потенциал на БЛМ
1.2.5. Методы компенсации внутримембранного поля
1.3. Пассивный ионный транспорт
1.3.1. Ионофоры и гидрофобные ионы
1.3.2. Антибиотики нигерициновой группы
1.3.3. Влияние электростатических потенциалов на ионный транспорт
1.4. Активный транспорт. Транспортные АТР-азы Р-типа
1.4.1. Модель транспорта. Цикл Альберса-Поста
1.4.2. Структура Ыа,К, АТР-азы и Са,АТР-азы 3
1.4.3. Исследование кинетики функционирования №,К-АТР-азы
1.4.4. Изучение электрогенного транспорта, осуществляемого Иа,К,АТР-азой
а) Общие принципы
б) Экспериментальные исследования на клетках
в) Экспериментальные исследования на модельных мембранах
1.4.5. Физическая модель электрогенного транспорта: итоги и проблемы
Глава 2. Методы исследования
2.1. Измерение потенциала
2.2. Измерение разности граничных потенциалов
2.3. Нестационарный транспорт - гидрофобные ионы
2.4. Нестационарный транспорт - Ка,К,АТР-аза
Глава 3. Электростатические потенциалы при связывании нейтральных и заряженных молекул на поверхности мембраны
3.1. Заряженные липиды и неорганические ионы
3.2. Амфифильные органические ионы
3.2.1. Теоретические модели адсорбции
амфифильных и гидрофобных ионов
3.2.2. Распределение потенциала на границе мембраны
3.2.3. Электронейтральный транспорт амфифильных ионов
через мембраны
3.3. Нейтральные молекулы и дипольные потенциалы
3.3.1. Связывание на БЛМ аналогов флоретина и стириловых красителей
3.3.2. Распределение потенциала и глубина адсорбции дипольных молекул
3.3.3. Влияние дипольного потенциала на электрическое поле в белках
3.4. Фотодинамические реакции и транспорт синглетного кислорода
через мембрану
3.4.1. Воздействие продуктов цикла зрительного родопсина
3.4.2. Действие на БЛМ фотосенсибилизаторов
а) Адсорбция фотосенсибилизаторов

б) Моделирование фотодинамических реакций на поверхности БЛМ 119 Глава 4. Электростатические потенциалы и пассивный транспорт через мембрану
4.1. Пассивный обменный транспорт (нигерицин)
4.1.1. Аномальные мембранные потенциалы при электрогенном обменном транспорте
4.1.2. Механизм переноса заряда через мембрану
Глава 5. Нестационарный электрогенный транспорт ионов натрия, осуществляемый Na,Ky4 ТР-азой
5.1. Электрические поля при адсорбции мембранных фрагментов на БЛМ
5.1.1. Теория
5.1.2. Экспериментальное исследование
5.2. Нестационарный транспорт ионов натрия Ыа,К,АТР-азой
5.2.1. Теоретическая модель
5.2.2.Экспериментальные измерения
Список литературы

Введение
В настоящее время бурно развивается направление, которое называют молекулярной биологией клетки, важным разделом которого является биофизика мембран. Важность этого направления обусловлена тем, что мембранные структуры, широко представленные в клетке, выполняют множество функций: барьерную, информационную, обеспечивая генерацию и передачу нервного импульса, и энергетическую, осуществляя синтез АТР. Все эти функции реализуются в ходе пассивного и активного транспорта заряженных частиц через мембраны, за который ответственны белковые молекулярные машины. Плазматическая мембрана, благодаря барьерным свойствам и транспортным белкам -обеспечивает уникальный ионный состав клетки, отличающийся от состава внешней среды, что обеспечивает возможность поддержания жизни клетки в неравновесных условиях. Функционирование мембранных белков можно изучать с помощью различных (например, оптических) зондов. Однако такой подход не позволяет установить механизм функционирования мембранных молекулярных машин, таких как ионные каналы и насосы. Это позволяют сделать модели, максимально приближенные к биологическим мембранам. К таким моделям относятся бислойные липидные мембраны.
Мембранный транспорт включает в себя три основные стадии: диффузию в водном растворе, адсорбцию на границе раздела мембраны с водой и собственно перенос через мембрану. Предметом наших исследований является изучение всех перечисленных стадий, включая как адсорбцию различных молекул на поверхности мембраны, так и собственно транспорт через липидный бислой, как пассивный, реализуемый антибиотиком нигерицином, так и активный, реализуемый Ыа,К,АТР-азой. Скорость каждой из стадий определяется скачком электрического потенциала на соответствующем участке пути. Это потребовало разработки как новых экспериментальных методов измерения граничных и внутримембранных скачков потенциала, так и оригинальных подходов к изучению механизма ионного транспорта, в частности, регистрации токов смещения при функционировании №,К,АТР-азы.
Актуальность
Актуальность данного исследования определяется тем, что ионный транспорт необходим для поддержания жизнедеятельности клетки, и изучение функционирования молекулярных машин, осуществляющих этот транспорт, является одной из основных задач клеточной биологии. Исследование механизмов ионного транспорта невозможно без создания новых экспериментальных методов. Один из оригинальных методов, разработанных в настоящей работе, открыл новое направление, в котором с помощью регистрации электрических полей на границе мембраны с раствором исследуются
Помимо дипольных модификаторов, потенциал в приповерхностной области БЛМ могут изменять и гидрофобные ионы. Величина электростатического потенциала на границе раздела БЛМ с водой зависит от количества гидрофобных ионов в мембране, и поэтому электростатический эффект обнаруживают по изменению наклона зависимости проводимости от концентрации этих ионов в воде. Так, было показано, что наклон зависимости проводимости БЛМ от концентрации динитрофенола уменьшается при увеличении его концентрации. Если эту зависимость скорректировать, учтя изменение граничного потенциала, вызванного анионами динитрофенола в мембране, то она становится квадратичной, что позволило сделать вывод о том, что ток через мембрану переносят отрицательно заряженные димеры динитрофенола [62]. В случае гидрофобных анионов тетрафенилбората или дипикриламина с помощью метода релаксации тока удалось определить поверхностную плотность ионов на границе мембраны. Ее зависимость от концентрации ионов в растворе имеет излом в билогарифмических координатах, который удалось объяснить тем, что при высоких концентрациях ионы создают граничный потенциал. Зависимость этого потенциала от ионной силы раствора не удается объяснить теорией Гуи-Чепмена, и поэтому было высказано предположение, что это либо дипольный потенциал, либо на границе мембраны уменьшается диэлектрическая проницаемость вследствие диэлектрического насыщения воды [26], либо плоскость адсорбции ионов погружена на некоторой глубине внутри липидной мембраны, из-за чего возникает скачок потенциала, который не зависит от ионной силы электролита [110].
Каналы
Влияние граничных потенциалов на характеристики ионных каналов оказывается более сложным, поскольку каналы представляют из себя неоднородные по диэлектрическим характеристикам структуры, само формирование которых связано с функционированием сложных молекулярных механизмов. Влияние элктростатических потенциалов на функционирование канала может происходить по двух различным механизмам: либо они влияют на проводимость открытого канала, либо они влияют на воротный механизм канала.
Влияние граничных потенциалов на проводимость канала в значительной степени определяется тем, насколько электрическое поле, создаваемое в фосфолипидном окружении, проникает внутрь канала. Сама структура канала устроена таким образом, чтобы облегчить перенос через мембрану полностью или частично гидратированных ионов. Кроме того, канал обычно содержит некоторое количество молекул воды. Поэтому диэлектрическая проницаемость внутренней полости канала оказывается выше, чем