Быстрый перенос фотовысвобождаемых протонов из воды в липидную мембрану

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Перенос протонов между границей мембраны и водой может быть затруднен из-за наличия высокого потенциального барьера, что влияет на их транспорт через мембрану мембранными белками. Для оценки скорости переноса протонов через этот барьер используют фотоактивируемые соединения, молекулы которых могут адсорбироваться на границе мембраны и освобождать протоны при возбуждении. Нами изучалось такое соединение – 2-метокси-5-нитрофенилсульфат натрия (MNPS). Его молекула способна адсорбироваться на бислойной липидной мембране (БЛМ) в виде аниона и при возбуждении УФ светом освобождать сульфат и протон, превращаясь в электронейтральный продукт. При освещении БЛМ, с одной стороны которой были адсорбированы анионы MNPS, наблюдались изменения электростатического потенциала на границе мембраны с водой. Медленные изменения потенциала измеряли методом компенсации внутримембранного поля, быстрые – с помощью электрометрического усилителя. При включении света происходило быстрое возрастание потенциала, при выключении – его медленный возврат к первоначальному значению. Скорость быстрого возрастания потенциала зависела от липидного состава БЛМ, концентрации буфера и рН среды. Зависимость этой скорости от рН была различной для БЛМ, сформированных из фосфатидилхолина и его смеси с фосфатидилсерином. При увеличении концентрации буфера скорость уменьшалась в десятки раз. Полученные результаты свидетельствуют о том, что реакция выделения протонов, образовавшихся при возбуждении молекул MNPS, происходит как на поверхности мембраны, так и в воде около нее. Протоны, образующиеся в воде и связавшиеся на БЛМ, дают основной вклад в изменение электростатического потенциала на границе мембраны, значительно превышающий вклад анионов MNPS, уходящих с мембраны в раствор.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. Ю. Ташкин

Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН

Email: sokolovvs@mail.ru
Россия, Москва, 119071

Д. Д. Зыкова

Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН; Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)

Email: sokolovvs@mail.ru
Россия, Москва, 119071; Московская обл., г. Долгопрудный, 141700

Л. Е. Поздеева

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: sokolovvs@mail.ru
Россия, Москва, 119991

В. С. Соколов

Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: sokolovvs@mail.ru
Россия, Москва, 119071

Список литературы

  1. Cherepanov D.A., Feniouk B.A., Junge W., Mulkidjanian A.Y. 2003. Low dielectric permittivity of water at the membrane interface: Effect on the energy coupling mechanism in biological membranes. Biophys. J. 85 (2), 1307–1316. doi: 10.1016/S0006-3495(03)74565-2.
  2. Georgievskii Yu., Medvedev E.S., Stuchebrukhov A.A. 2002. Proton transport via the membrane surface. Biophys. J. 82, 2833–2846. doi: 10.1016/S0006-3495(02)75626-9.
  3. Agmon N., Bakker H.J., Campen R.K., Henchman R.H., Pohl P., Roke S., Thamer M., Hassanali A. 2016. Protons and hydroxide ions in aqueous systems. Chem. Rev. 116 (13), 7642–7672. doi: 10.1021/acs.chemrev.5b00736.
  4. Zhang C., Knyazev D.G., Vereshaga Y.A., Ippoliti E., Nguyen T.H., Carloni P., Pohl P. 2012. Water at hydrophobic interfaces delays proton surface-to-bulk transfer and provides a pathway for lateral proton diffusion. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 109 (25), 9744–9749. doi: 10.1073/pnas.1121227109
  5. Weichselbaum E., Osterbauer M., Knyazev D.G., Batishchev O.V., Akimov S.A., Hai N.T., Zhang C., Knor G., Agmon N., Carloni P. 2017. Origin of proton affinity to membrane/water interfaces. Sci. Rep. 7, 4553. doi: 10.1038/s41598-017-04675-9
  6. Serowy S., Saparov S.M., Antonenko Y.N., Kozlovsky W., Hagen V., Pohl P. 2003. Structural proton diffusion along lipid bilayers. Biophys. J. 84 (2 Pt 1), 1031–1037. doi: 10.1016/S0006-3495(03)74919-4
  7. Springer A., Hagen V., Cherepanov D.A., Antonenko Y.N., Pohl P. 2011. Protons migrate along interfacial water without significant contributions from jumps between ionizable groups on the membrane surface. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 108 (35), 14461–14466. doi: 10.1073/pnas.1107476108
  8. Cherepanov D.A., Junge W., Mulkidjanian A.Y. 2004. Proton transfer dynamics at the membrane/water interface: Dependence on the fixed and mobile pH buffers, on the size and form of membrane particles, and on the interfacial potential barrier. Biophys. J. 86 (2), 665–680. doi: 10.1016/S0006-3495(04)74146-6
  9. Yamashita T., Voth G.A. 2010. Properties of hydrated excess protons near phospholipid bilayers. J. Phys. Chem. B. 114 (1), 592–603. doi: 10.1021/jp908768c
  10. Nguyen T.H., Zhang C., Weichselbaum E., Knyazev D.G., Pohl P., Carloni P. 2018. Interfacial water molecules at biological membranes: Structural features and role for lateral proton diffusion. PLoS. One. 13 (2), e0193454. doi: 10.1371/journal.pone.0193454
  11. Gutman M., Nachliel E., Bamberg E., Christensen B. 1987. Time-resolved protonation dynamics of a black lipid membrane monitored by capacitative currents. Biochim. Biophys. Acta. 905 (2), 390–398. doi: 10.1016/0005-2736(87)90468-8
  12. Fibich A., Janko K., Apell H.J. 2007. Kinetics of proton binding to the sarcoplasmic reticulum Ca-ATPase in the E1 state. Biophys. J. 93 (9), 3092–3104. doi: 10.1529/biophysj.107.110791
  13. Geissler D., Antonenko Y.N., Schmidt R., Keller S., Krylova O.O., Wiesner B., Bendig J., Pohl P., Hagen V. 2005. (Coumarin-4-yl)methyl esters as highly efficient, ultrafast phototriggers for protons and their application to acidifying membrane surfaces. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 44 (8), 1195–1198. doi: 10.1002/anie.200461567
  14. Вишнякова В.Е., Ташкин В.Ю., Терентьев А.О., Апель Х.-Ю., Соколов В.С. 2018. Связывание ионов калия в канале доступа с цитоплазматической стороны Na,K,ATP-азы. Биол. мембраны. 35 (5), 376–383. doi: 10.1134/S0233475518040199
  15. Ташкин В.Ю., Вишнякова В.Е., Щербаков А.А., Финогенова О.А., Ермаков Ю.А., Соколов В.С. 2019. Изменение емкости и граничного потенциала бислойной липидной мембраны при быстром освобождении протонов на ее поверхности . Биол. мембраны. 36 (2), 101–108. doi: 10.1134/S0233475519020075
  16. Sokolov V.S., Tashkin V.Yu., Zykova D.D., Kharitonova Yu.V., Galimzyanov T.R., Batishchev O.V. 2023. Electrostatic potentials caused by the release of protons from photoactivated compound sodium 2-methoxy-5-nitrophenyl sulfate at the surface of bilayer lipid membrane. Membranes. 13 (8), 722. doi: 10.3390/membranes13080722
  17. Mueller P., Rudin D.O., Tien H.T., Wescott W.C. 1963. Methods for the formation of single bimolecular lipid membranes in aqueous solution. J. Phys. Chem. 67, 534–535. doi: 10.1021/j100796a529
  18. MacDonald R.C., Bangham A.D. 1972. Comparison of double layer potentials in lipid monolayers and lipid bilayers membranes. J. Membrane Biol. 7, 29–53. doi: 10.1007/BF01867908
  19. Ermakov Yu.A., Sokolov V.S. Planar Lipid Bilayers (BLMs) and their applications. Eds. H.T.Tien, A.Ottova-Leitmannova. Amsterdam. Boston, London, New York, Oxford, Paris, Dan Diego, San Francisco, Singapore, Sidney, Tokio: Elsevier, 2003. p. 109–141.
  20. Sokolov V.S., Mirsky V.M. Ultrathin Electrochemical Chemo- and Biosensors: Technology and Performance. Ed. Mirsky V.M. Heidelberg: Springer-Verlag, 2004. p. 255–291.
  21. Cherny V.V., Sokolov V.S., Abidor I.G. 1980. Determination of surface charge of bilayer lipid membranes. Bioelectrochem. Bioenerg. 7, 413–420. doi: 10.1016/0302-4598(80)80002-X
  22. Denieva Z.G., Sokolov V.S., Batishchev O.V. 2024. HIV-1 Gag polyprotein affinity to the lipid membrane is independent of its surface charge. Biomolecules. 14 (9), 1086. doi: 10.3390/biom14091086
  23. Bangham A.D. 1968. Membrane models with phospholipids. Prog. Biophys. Mol. Biol. 18, 29–95. doi: 10.1016/0079-6107(68)90019-9
  24. Ермаков Ю.А., Авербах А.З., Арбузова А.Б., Сухарев С.И. 1998. Липидные и клеточные мембраны в присутствии гадолиния и других ионов с высоким сродством к липидам. 2. Дипольная компонента граничного потенциала мембран с разным поверхностным зарядом. Биол. мембраны. 15 (3), 330–341.
  25. Mitkova D., Marukovich N., Ermakov Yu.A., Vitkova V. 2014. Bending rigidity of phosphatidylserine-containing lipid bilayers inacidic aqueous solutions. Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects. 460, 71–78. doi: 10.1016/j.colsurfa.2013.12.059

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Кинетика изменения граничного потенциала при адсорбции MNPS на БЛМ и последующем освещении. Измерения проводились на одной и той же мембране методом КВП (а, б) или с помощью электрометрического усилителя (в). б – Изменение потенциала при освещении, полученное из графика (a) с помощью сдвига и растяжения по шкале времени. Стрелками с соответствующими надписями показаны моменты добавления MNPS (MNPS), включения (L) и выключения (D) света. БЛМ сформирована из PC. Раствор содержал 20 мМ KCl, 0.2 мМ Tris, HEPES и цитрат, рН 8.0. MNPS добавляли в дальний по отношению к источнику света отсек ячейки в концентрации 600 мкМ, освещение проводилось светодиодом (365 нм, электрическая мощность 0.12 Вт).

Скачать (95KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Зависимость скорости изменения граничного потенциала в момент начала освещения от электрической мощности освещения. Условия эксперимента аналогичны указанным в подписи к рис. 1. a – Кинетики измеренного электрометром изменения потенциала при включении (L) и выключении (D) света с различной мощностью, указанной в надписях на рисунке. Пунктирная прямая демонстрирует способ определения параметра R для мощности освещения 0,34 Вт как наклона касательной к синей кривой в точке, соответствующей нулевому моменту времени. б – Зависимость параметра R от мощности освещения Р. Измерения проведены методом КВП (черные кружки) и электрометром (пустые кружки).

Скачать (157KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость скорости изменения граничного потенциала R, измеренного электрометром, в момент начала освещения от рН раствора (a) и концентрации буфера C (б). Раствор содержал 20 мМ KCl, 0.2 мМ Tris, MES и цитрат. MNPS добавляли в дальний по отношению к источнику света отсек ячейки в концентрации 600 мкМ. Освещение проводилось с мощностью 0.03–0.4 Вт. Концентрацию буфера при рН 8 варьировали, добавляя в растворы по обе стороны от мембраны Tris, при рН 6 – MES. Значения R на графике a нормировали на мощность освещения, на графике б – на величину R, измеренную до увеличения концентрации буфера в растворе.

Скачать (150KB)
Метаданные
5. Рис. 4. a – Зависимость разности граничных потенциалов БЛМ, сформированной из PC+PS, от концентрации KCl с одной стороны БЛМ. Исходный раствор содержал 10 мМ KCl и 1 мМ HEPES, pH 7.0. Кривая проведена по уравнению Гуи–Чепмена для поверхностного заряда –58 мкКл/см2. б – Зависимость изменения граничного потенциала БЛМ, вызванного адсорбцией MNPS, добавленного в раствор с одной стороны БЛМ, от его концентрации в этом растворе. Раствор содержал 20 мМ KCl, 2 мМ HEPES, pH 7.0. БЛМ сформирована либо из PC (пустые кружки, данные взяты из [15]), либо из PС+PS (черные кружки).

Скачать (101KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость изменения граничного потенциала от рН в растворе с одной стороны БЛМ, сформированной из PC или из PC+PS. Мембрана сформирована в растворе 20 мМ KCl, 2 мМ цитрат, HEPES и Tris. Значение рН в растворе с обратной стороны от мембраны было 7 для БЛМ из PC и 8.5 для БЛМ из PC+PS. Значения потенциала для БЛМ из PC смещены на величину z-потенциала, значение которого при pH 7 составляли около –10 мВ, а для БЛМ из PC+PS – на величину поверхностного потенциала (–62 мВ), рассчитанного из зависимости изменения граничного потенциала от концентрации KCl в растворе с одной стороны от мембраны на рис. 3a. Данные для БЛМ из PC взяты из [16].

Скачать (69KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Схема фотохимических процессов при возбуждении MNPS на поверхности мембраны и в растворе около нее. Серый прямоугольник в центре – БЛМ, в круге и овалах указаны участвующие в реакциях протоны и анионы MNPS. Красная линия показывает сдвиг граничного потенциала при освещении.

Скачать (140KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025