106

УДК 541.64:539.199
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ДИНАМИКА БИСЛОЕВ НЕНАСЫЩЕННЫХ
ФОСФАТИДИЛХОЛИНОВ
Рабинович А.Л., Рипатти П.О., Балабаев Н.К.*
Институт биологии Карельского научного центра РАН, Петрозаводск
*
Институт математических проблем биологии РАН, Пущино
Одна из фундаментальных проблем физики макромолекул, молекулярной
физики, биофизики – установление молекулярных основ функционирования
мембран, изучение структуры, равновесных и динамических физико-химических свойств различных молекул мембранных систем [1, 2]. В настоящей работе
методом молекулярной динамики (МД) проведено исследование свойств гомогенных гидратированных бислоев, состоящих из молекул фосфатидилхолинов
(ФХ) с углеводородными цепями 18:0/18:1ω9cis, 18:0/18:2ω6cis, 18:0/18:3ω3cis,
18:0/20:4ω6cis и 18:0/22:6ω3cis (рис. 1). Расчетная ячейка каждого бислоя ФХ
содержала 96 липидных молекул данного вида и 2304 молекулы воды; наибольшее количество атомов в расчетной ячейке МД-экспериментов с бислоями
ФХ составило 20544 (рис. 2). Математическая модель описана в [2, 3].
Рис.1. Химическая структура молекулы 18:0/18:1ω9cis ФХ.
Двойная связь ненасыщенной цепи расположена между 9-м и 10-м атомами углерода. Представлены парциальные заряды на атомах в
единицах заряда электрона;
использован набор [4] с учетом данных для ненасыщенных липидов [5]. Штрихпунктирными линиями выделены группы атомов, суммарный заряд которых положен равным нулю. Представлена также объемная
модель молекулы.
Использованы периодические граничные условия по всем трем направлениям
X, Y, Z. Шаг интегрирования уравнений движения 0.001 пс, температура термостата T = 303 К. Давления PX, PY, PZ были постоянными (1 атм.). Построены
траектории ~1 нс, средние значения площади на одну липидную молекулу по
траектории составляли 0.6134 нм2 для бислоя 18:0/18:1ω9cis ФХ, 0.6242 нм2
для 18:0/18:2ω6cis ФХ, 0.6170 нм2 для 18:0/18:3ω3cis ФХ, 0.6525 нм2 для
18:0/20:4ω6cis ФХ и 0.6624 нм2 для бислоя 18:0/22:6ω3cis ФХ.
Рис.2. Типичные конформации бислоя 18:0/18:1ω9cis ФХ – вода (A) и бислоя 18:0/22:6ω3cis
ФХ – вода (B) в процессе построения МД-траекторий.
Вычислены профили параметров порядка связей C-C и C-H в углеводородных цепях липидов, распределения плотности и заряда атомов и групп атомов относительно нормали к поверхности бислоя (атомов C, O, N, P, глицерина, воды, групп C=O и т.д.), величины среднеквадратичных флуктуаций всех
атомов молекул липидов относительно их средних положений. Профили
плотности ряда групп атомов для всех бислоев представлены на рис. 3.
Отметим, что молекулы воды проникают в бислои достаточно глубоко, вплоть
до областей локализации групп C=O ацилов. Профили суммарной плотности
имеют 2 максимума, отвечающих положениям фосфатных групп, и минимум
(или плато) в центре бислоя. Положение центра бислоя вдоль нормали (Z=0)
вычисляли в каждой точке траектории как середину между средним Zрасстоянием между всеми P-N векторами 1-го и 2-го монослоя (а центры
векторов P-N – это середины расстояний между атомами P и N). Средние
расстояния между векторами P-N вдоль нормалей оказались равными 4.39 нм
для бислоя 18:0/18:1ω9cis ФХ, 4.27 нм для 18:0/18:2ω6cis ФХ, 4.28 нм для
18:0/18:3ω3cis ФХ, 4.26 нм для 18:0/20:4ω6cis ФХ и 4.28 нм для бислоя
18:0/22:6ω3cis ФХ. Средние расстояния между атомами фосфора (dPP) вдоль
нормалей равны, соответственно, 4.27, 4.18, 4.19, 4.14 и 4.18 нм. Распределение
плотности атома N шире, чем таковое для атома P, распределения головных
групп Полученные
и глицерина результаты
слабо перекрываются.
коррелируют с экспериментальными данными и
результатами других компьютерных экспериментов. Так, согласно данным по
рентгеновскому рассеянию, dPP = 4.05 нм (±0.1 нм) для бислоя 18:0/18:0 ФХ
при T = 333 K [6] и dPP = 4.04 нм для бислоя 18:1/18:1 ФХ [7]. Согласно МДэкспериментам для бислоя 16:0/18:2 ФХ при T = 321 K (площадь на липидную
2
молекулу 0.7056 нм2) расстояние dPP = 4.16 нм [8], а для бислоя 18:1/18:1 ФХ
при T = 296 K (площадь на молекулу 0.593 нм2) расстояние dPP = 4.25 нм [5].
c
1.2
ρ
a
Bilayer 18:0/18:1 PC
Bilayer 18:0/18:3 PC
1.2
ρ
g/cmі
g/cmі
7
0.8
1
0.8
1
3
7
3
6
6
0.4
-3
ρ
g/cmі
0.8
2
4
5
-2
0
1.2
0.4
2
4
b
5
0
-1
0
Z (nm)
1
2
Bilayer 18:0/18:2 PC
1.2
ρ
d
g/cmі
7
3
-2
-3
3
0.4
4
5
-2
3
2
3
2
3
2
4
2
-3
2
6
6
0
1
7
1
1
0.4
0
Z (nm)
Bilayer 18:0/20:4 PC
3
0.8
-1
5
0
-1
0
Z (nm)
1
2
1.2
ρ
e
0
Z (nm)
1
Bilayer 18:0/22:6 PC
g/cmі
0.8
-1
-2
-3
3
1
3
7
6
0.4
2
0
-3
4
5
-2
-1
0
Z (nm)
1
Рис.3. Распределения плотности ρ (г/см3) групп атомов вдоль нормалей Z (нм) к поверхностям гидратированных бислоев 18:0/18:1ω9cis ФХ (a), 18:0/18:2ω6cis ФХ (b),
18:0/18:3ω3cis ФХ (c), 18:0/20:4ω6cis ФХ (d) и 18:0/22:6ω3cis ФХ (e). Представлены
данные для атомов головных групп - ФХ (1), 4-х атомов кислорода фосфатных групп
PO4 (2), воды (3), атомов фосфора P (4), атомов азота N (5), атомов глицерина и двух
групп O-C=O ацилов (6), суммарной плотности системы – атомов липидных молекул
и воды (7). Штриховые линии соответствуют данным, симметризованным по обоим
монослоям.
Далее оказалось, что средние Z-положения центров одного – трех концевых атомов C насыщенных (sn-1) цепей противоположных монослоев, изученных в настоящей работе бислоев могут перекрываться, тогда как аналогичного
перекрывания для ненасыщенных (sn-2) цепей не отмечено. Величина области
перекрывания и количество таких атомов C зависят от степени ненасыщенности и длины sn-2 цепей: перекрываются 1-2 концевых углеродных атома sn-13
цепей в бислое 18:0/18:1ω9cis ФХ, 3 атома в бислое 18:0/18:2ω6cis ФХ, 1 атом в
бислое 18:0/18:3ω3cis ФХ, 2-3 атома в бислое 18:0/20:4ω6cis ФХ, 1 атом в бислое 18:0/22:6ω3cis ФХ. Зависимость эта немонотонна, подобно известной немонотонности зависимостей (от степени ненасыщенности и длины цепи) других характеристик: площади, приходящейся на молекулу липида [9, 10], плотности упаковки углеводородных цепей между собой [11], температуры плавления липидов [12-14]. Липидные бислои, в которых углеводородные цепи противоположных монослоев перекрываются, изучали экспериментально [15]. С
другой стороны, представляется разумным предположение [12, 16] о том, что
стабильность бислоя зависит от взаимодействия Ван-дер-Ваальса между цепями липидов (см. также [17]). Это утверждение можно отнести как к цепям одного монослоя, так и противоположных. Таким образом, степень ненасыщенности sn-2 цепей липидов в бислойной системе, помимо других функций [1],
может являться средством регулирования степени взаимопроникновения насыщенных sn-1 цепей липидов противоположных монослоев, сцепления последних.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (проекты 00-03-33181, 01-04-48050).
ЛИТЕРАТУРА
1. Рабинович А.Л., Рипатти П.О. // Успехи совр. биологии, 1994. – Т. 114.–
Вып.5.– С.581-594.
2. Rabinovich A.L., Ripatti P.O., Balabaev N.K., Leermakers F.A.M. // Phys. Review, in press.
3. Rabinovich A.L., Ripatti P.O., Balabaev N.K., Leermakers F.A.M. // Proc.
SPIE, 2002, in press.
4. Stouch T.R., Ward K.B., Altieri A., Hagler A.T. // J. Comput. Chem., 1991. –
V.12.– P. 1033-1046.
5. Feller S.E., Yin D., Pastor R.W., Mackerell A.D. // Biophys. J., 1997. –V.73. N.
5.– P. 2269-2279.
6. Lewis B.A., Engelman D.M. // J. Mol. Biol., 1983.– V. 166. – Pp. 211-217.
7. Wiener M.C., White S.H. // Biophys. J., 1992.– V.61. No. 2.– Pp. 434-447.
8. Hyvönen M.T., Rantala T.T., Ala-Korpela M. // Biophys. J., 1997.– V.73, No.6.
– P. 2907-2923.
9. Evans R.W., Tinoco J. // Chem. Phys. Lipids, 1978.– V. 22.– P. 207-220.
10. Evans R.W., Williams M.A., Tinoco J. // Biochem. J., 1987.– V.245. – P. 455462.
11. Applegate К.R., Glomset J.A. // J. Lipid Res., 1991. – V. 32, No. 10. – Pp.
1645-1655.
12. Coolbear К.P., Berde С.В., Keough К.М.W. // Biochemistry, 1983. – V. 22,
No. 6.– P. 1466-1473.
13. Keough K.M.W., Giffin B., Kariel N. // Biochim. Biophys. Acta, 1987.– V.
902, No.1.– P. 1-10.
14. Keough K.M.W., Kariel N. // Biochim. Biophys. Acta, 1987.– V. 902, No.1. –
P. 11-18.
4
15. O’Leary T.J., Levin I.W.// Biochim. Biophys. Acta, 1984. –V. 776, No. 2. – P.
185-189.
16. Litman B.J., Lewis E.N., Levin I.W.// Biochemistry, 1991.–V.30.–P. 313-319.
5