Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2021, № 10, стр. 14-17

ВВЕДЕНИЕ

Биологические мембраны – это основной структурный элемент живой клетки. Они отделяют ее содержимое от внешней среды, органеллы от цитоплазмы, образуют компартменты. Помимо структурной, мембраны выполняют ряд других функций: барьерную, матричную, рецепторную, ферментативную и др. Биологическая мембрана представляет собой липидный бислой с ассоциированными с ним белками [1]. Например, среди фосфолипидов внутренней мембраны митохондрий фосфатидилэтаноламины составляют 37% от общего количества липидов, фосфатидилхолины – 26.5%, кардиолипины – 25.4% и фосфатидилинози-толы – 4.5% [2].

Почти все фосфолипиды построены из трех фрагментов: полярной группы и неполярных ацильных или алкильных углеродных цепей, связанных через глицериновый (или другой полиоловый) или N-сфингоидный фрагмент [3]. Это приводит к тому, что в воде (как в полярном растворителе) происходит самосборка липидов [4] в устойчивые структуры, содержащие на своей поверхности полярные головки с обращенными внутрь жирнокислотными хвостами: мицеллы, бислои, липосомы. В процессе самоорганизации липидов формируются такие структуры, как везикулы, которые рассматриваются как предшественники клеток, появившиеся в добиологическую эру [5], и постоянно участвуют в живых клетках в процессе их метаболизма, в частности, при экзоцитозе и эндоцитозе [6].

Таким образом, способность к самоорганизации является одним из важнейших свойств липидов. В дальнейшем было бы интересно узнать, какие факторы влияют на этот процесс, так как очевидно, что самосборка фосфолипидов обеспечивает стабильность структуры биологических мембран, которая может временно нарушатся из-за физиологических или патологических процессов. В данной работе мы промоделировали процесс самосборки молекул дилинолеил фосфатидилэтаноламина (DLiPE) в воде.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для получения системы, содержащей 160 молекул липида, была использована программа Packmol [7]. Ячейка имела кубическую форму со стороной 150 Å. Липиды были упакованы таким образом, что расстояние между ними было не менее 4 Å. Топология системы была построена с использованием Amber tools [8]. Моделирование молекулярной динамики производилось с помощью программного пакета AMBER [9] с CUDA-версией pmemd [10]. В качестве силового поля использовалось поле Lipid 14 [11]. В качестве модели воды использовалась модель TIP3P. Для релаксации структуры проведена минимизация энергии системы. Выполнено две стадии уравновешивания по 5 и 100 пс в NVT и NPT-ансамблях с ограничением на подвижность липидов соответственно. В ходе первой стадии производилось нагревание от 0 до 100 K, в ходе второй – от 100 до 310 K. Для контроля давления и температуры использовались термостат Ланжевина [12] и баростат Берендсена [13]. Последовательно запущены 10 расчетов продуктивной молекулярной динамики, каждый по 2 нс с шагом 2 фс при температуре 310 K и давлении 1 атм. Далее было промоделировано еще 100 нс, контроль давления производился с помощью баростата Монте-Карло [14].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Была получена система, состоящая из воды и 160 молекул DLiPE, хаотично расположенных в ячейке размерами 150 × 150 × 150 Å так, что минимальное расстояние между атомами двух молекул составляло не менее 4 Å (рис. 1).

Рис. 1.

Исходная система, включающая 160 молекул дилинолеил фосфатидилэтаноламина с минимальным расстоянием между атомами двух молекул в 4 Å. Сторона ячейки – 150 Å. Цветовая маркировка атомов: черный – фосфор, темно-серый – азот, серый – кислород, светло-серый – углерод, белый – водород.

Основные группы молекул были сформированы в течение первых 3 нс (рис. 2а): видны 3 сформировавшиеся основные группы ассоциировавших липидных молекул. Далее происходила постепенная стабилизация системы, уплотнение и компактизация молекулярных групп, превращение их в устойчивые структуры.

Рис. 2.

Состояние системы в ходе молекулярно-динамического эксперимента на: а – на 3 наносекунде видны 3 сформировавшиеся основные группы ассоциировавших липидных молекул; б – на 12 наносекунде выделяются три компактные мицеллы, состоящие из 72, 23 и 14 липидных молекул; 10 ассоциаций по 3–6 молекул и 10 свободноплавающих молекул; в – на 100-й наносекунде система находится в устойчивом состоянии и содержит липидный бислой, включающий 120 молекул, 7 групп от 3 до 8 молекул дилинолеил фосфатадилэтаноламина и 6 свободноплавающих молекул. Цветовая маркировка атомов: черный – фосфор, темно-серый – азот, серый – кислород, светло-серый – углерод, белый – водород.

На 8-й нс сформировались следующие структуры: 3 мицеллы, содержащие 72, 23 и 14 молекул липидов, группы липидов по 3–6 молекул, 10 одиночных молекул DLiPE. На 12-й нс также выделяются три компактные мицеллы, состоящие из 72, 23 и 14 липидных молекул; 10 ассоциаций по 3–6 молекул и 10 свободноплавающих молекул (рис. 2б). В приблизительно таком же состоянии мицелла пребывала до 63-й нс.

На 63-й нс структуры сблизились, началось слияние мицелл, которое завершилось к 65-й нс. В течение еще 4 нс полученная структура компактизировалась. К 69-й нс система пришла в конечное состояние: 1 бислой (шириной в средней 40.3 Å и диаметром 80.1 Å), состоящий из 120 молекул DLiPE; 7 групп, включающих от 3 до 8 молекул липидов; 6 одиночных молекул. На 100 нс система находится в устойчивом состоянии и включает те же липидные структуры: бислой из 120 молекул, 7 групп от 3 до 8 молекул и 6 свободноплавающих липидов (рис. 2в). В данном состоянии система пребывала до конца молекулярно-динамического эксперимента.

Таким образом, на всем рассмотренном временнóм промежутке происходила группировка молекул фосфолипида, которая к 69 нс привела к образованию стабильной структуры, являющейся частным случаем фосфолипидного бислоя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Согласно полученным данным, агрегация липидов в водной фазе начинается уже в первые 10 нс, а в первые 100 нс практически завершается. Данная агрегация происходит в две стадии. Сначала липиды группируются в небольшие мицеллы. Данная стадия занимает около 10 нс. На второй стадии путем слияния мицелл происходит образование стабильной устойчивой структуры – частного случая липидного бислоя. Следует, однако, отметить, что 25% липидов не включаются в состав бислоя, а остаются либо в свободном состоянии, либо в виде небольших мицелл. Результаты исследования можно использовать для дальнейших исследований свойств биологических мембран, в частности, внутренней мембраны митохондрий.