Распределение электрического потенциала на границах липидных мембран

• Автор: Ермаков, Юрий Александрович
• Шифр специальности: 03.00.02
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 289 с. : ил.

1.1. Равновесие ионов вблизи мембран модели и факты

1.1.1.Распределение потенциала на границах мембраны.

1.1.2. Основные соотношения модели ГуиЧепмена.

1.2. Дипольный потенциал связь со структурой липидных мембран.

1.2.1. Электрическое поле и молекулярная структура мембран.

1.2.2. Дипольный скачок экспериментальные факты.

1.2.3. Гидрофобные и амфифильные ионы.

1.3. Цель, задачи и объекты исследования.

1.4. Методы регистрации граничного потенциала плоских бислоев.

1.4.1. Электрострикция и вязкоупругие свойства БЛМ

1.4.2. Метод компенсации внутримембранного поля.

1.5. Измерение электрокинетической подвижности и размеров липосом и субклеточных частиц.
1.5.1. Принцип регистрации и анализа автокорреляционной функции светорассеяния.
1.5.2. Метод кумулянтов и распределение частиц по размерам.
1.5.3. Регистрация микроэлектрофореза в суспензии липосом.
1.6. Неэлектрические методы.
1.7. Материалы и методы ГЛАВА 2. Определение параметров равновесия ионов вблизи
поверхности мембран.
2.1. Эмпирический подход в оценке параметров диффузной части
электрического двойного слоя
2.1.1. Асимптотическое поведение поверхностного потенциала в смешанном индифферентном электролите.
2.1.2. Распределение потенциала вблизи поверхности, точное
решение и приближенные формулы
2.1.3. Положение плоскости скольжения, литературные данные
и состояние проблемы.
2.2. Методы определения степени ионизации поверхности мембран в
присутствии одновалентных ионов.
2.2.1. Изотерма связывания ионов в асимптотическом приближении.
2.2.2. Метод независимого определения параметров связывания.
2.2.3. Ионизация полярных групп фосфатидилсерина, литературные
и собственные данные
2.3. Параметры связывания двухвалентных катионов и оценка положения
плоскости скольжения
2.3.1. Взаимодействие двухвалентных катионов с цвитерионными
и заряженными липидами, модельные представления и факты.
2.3.2. Мембраны из фосфатидилсерина, точка нулевого заряда.
2.3.3. Адсорбция бериллия и других двухвалентных катионов на мембранах
из фосфатидилхолина.
2.3.4. Экспериментальная оценка положения плоскости скольжения.
2.3.5. Стехиометрия связывания, предположения и точность эксперимента.
2.4. Катионы с высоким сродством к фосфолипидам условие
материального баланса.
2.4.1. Взаимодействие бериллия и 3валентных металлов с мембранами биологическое значение, факты, проблемы.
2.4.2. Условие материалоного баланса в системе с сильно
развитой поверхностью.
2.4.3. Эффект накопления индифферентных ионов разной валентности
вблизи поверхности.
2.4.4. Определение констант связывания 3валентных катионов.
пример гадолиния.
ГЛАВА 3. Влияние неорганических ионов и амфифильных молекул на
дипольную компоненту граничного потенциала
3.1. Не экранируемый граничный потенциал и компенсационный эффект
при адсорбции амфифильных молекул.
3.1.1. Адсорбция АНС
3.1.2. Компенсационный эффект.
3.1.3. Модель КозловаМаркина.
3.1.4. Лекарственные препараты.
3.2. Сравнение граничного и дзета потенциалов в присутствии одно
и двухвалентных ионов.
3.2.1. Применение перфузии
3.2.2.Граничный и дзета потенциалы при фазовом переходе.
3.2.3 Электрокинетический изотопный эффект.
3.3. Скачок дипольного потенциала при адсорбции гадолиния.
3.3.1. Учет обеднения растворов гадолиния в опытах с суспензией липосом
и плоскими БЛМ.
3.3.2. Связь дипольного потенциала с числом адсорбированных катионов.
3.3.3. Влияние состава мембран и электролита.
3.3.4. Роль фосфатидилсерина. 0 ГЛАВА 4. Влияние ионов на межмолекулярные взаимодействия липидов
в бислое.
4.1. Анионы с разными хаотропными свойствами в липидных мультислоях.
4.1.1. Гидратация ионов и ряды Гофмейстера
4.1.2.Расклинивающее давление в липидных мультислоях.
4.1.3.Адсорбция ионов и период повторяемости мультислоев
поданным рассеяния нейтронов
4.2. Влияние катионов на латеральное разделение фаз в бислое.
4.2.1. Температура основного фазового перехода и изотопный
эффект. Литературные данные.
4.2.2. Липосомы из фосфатидилхолина в присутствии двухвалентных катионов.
4.2.3. Влияние ионов с высоким сродством на гетерогенность суспензии.
4.2.4. Термодинамические характеристики гидратированных катионов
4.3. Сжимаемость и Вольта потенциалы липидных монослоев
4.3.1. Сравнение липидных монослоев и бислоев, литературные факты.
4.3.2. Диаграммы сжатия и Вольта потенциалы монослоев в
присутствии гадолиния. Влияние липидного состава.
4.3.3. Взаимодействие голов и хвостов фосфолипидов
эмпирические уравнения состояния.
4.3.4. Свободная энергия заряженного монослоя. Теория и эксперимент.
4.3.5. Монослои фосфатидилхолина и фосфатидилсерина качественный анализ данных.
4.4. Влияние ионов на поверхностное натяжение и сжимаемость липидных
бислоев.
4.4.1. Измерение поверхностного натяжения плоских БЛМ в присутствии гадолиния.
4.4.2. Блокирование механочувствительных каналов и липидный матрикс.
ГЛАВА 5. Влияние полиэлектролитов на электрические и термодинамические свойства липидных мембран.
Введение


Данные ЯМР указывают на преимущественную ориентацию дипольного момента, соответствующего этим группам, вдоль поверхности мембраны. Их заряды противоположны по знаку и в обычных условиях молекула фосфатидилхолина является цвиттерионом, а поверхность лецитиновых мембран нейтральна. Отличительной оособенностью молекул фосфатидилсерина является присутствие карбоксильной группы, которая в обычных услоявих также диссоциирована и ее отрицательный заряд вносит основной вклад в заряжение поверхности мембран. Ориентация собственного дипольного момента этой группы может зависеть от состояния ионизации и адсорбции катионов. В отличие от фосфатидилхолина наличие аминогруппы дает возможность молекулам фосфатидилсерина образовывать водородные межмолекулярные связи. Влияние конформации молекул фосфолипидов. В качестве примера на рис. Меуег,1. А. в лаборатории известного специалиста в области коллоидных свойств полимеров и. Потенциал мембран из и , рассчитанный в работе i, методами самосогласованного поля и молекулярной динамики для отдельных сегментов молекулы липида, расположенных на разном удалении от границы с электролитом. Для расчета конформации молекул липида и полярных головокмбыли использованы методы самосогласованного поля i i, , разработанные в этой лаборатории для вычисления конформации звеньев длинной полимерной цепи. В качестве отдельного звена здесь рассматривались сегменты СН2 углеводородной цепи и близкие по размерам участки полярных головок. Применение метода существенно ускорило процедуру вычислений по сравнению с традиционными методами молекулярной динамики. Это обстоятельство сделало возможным вычисление среднего электрического поля в каждом сегменте молекулы и провести более детальный, анализ конформации полярных головок в том числе и в присутствии ионов различной валентности. Мы не видим необходимости вдаваться здесь в детали подобных вычислений, результаты которых с достаточной достоверностью согласуются с имеющимися в литературе экспериментальными фактами. Автор получил интересный результат, указывающий на существование двух положений полярной головки холина, расположенных под разными углами к плоскости бислоя, причем. Этот результат в целом согласуется с выводами экспериментаторов ,. В случае бислоя из молекул фосфатидилсерина, как и следовало ожидать, на поверхности бислоя, обращенной в водную среду имеется более отрицательное значение потенциала. В целом распределение потенциала оказывается более сложным и не может быть сведено к грубой модели нескольких конденсаторов. В случае молекул лецитина хорошо виден минимум потенциала в области тех сегментов, которые близки к положению фосфатной группы. Понятно, что именно в этой области должна располагаться и условная плоскость адсорбции катионов. В случае фосфатидилсерина столь же явно выраженный минимум расположен ближе к поверхности мембраны в районе карбоксильной группы. Что также выглядит весьма правдоподобно в свете известных экспериментальных данных, в частности относительно значений рК. Однако для обоих липидов расчеты приводят к одинаковому потенциалу, близкому к нулю в глубине гидрофобной фазы. Этот результат противоречил экспериментальным данными, согласно которым значение потенциала в этой области по отношению к объему электролита положительно и составляет более 0 мВ. Объяснений этому авторы не дают. Мы приводим здесь результаты данной работы не только потому, что в ней произведен расчет потенциалов в интересной нам системе, но и для иллюстрации достаточно общего вывода, который, как нам кажется, следует из подобных работ. Количество явных и неявных допущений при таких расчетах столь велико, что в большинстве случаев их ценность сводится по существу к проверке самого метода вычислений исходя из качественного правдоподобия полученных с его помощью результатов. В известной степени аналогичная ситуация складывается и при попытках сопоставить экспериментальные данные спектральных, локальных по своей сути методов регистрации спектры поглощения красителей, флуоресцентных зондов, ЯМР и пр.