КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 23-24-00571

НазваниеЭлектростатические потенциалы при обмене протонов между поверхностью липидной мембраны и водным раствором

РуководительСоколов Валерий Сергеевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

2023 г. - 2024 г.

Конкурс№78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни, 04-204 - Биофизика

Ключевые словаПоверхностные протоны, электростатический потенциал, бислойная липидная мембрана, Caged-H+

Код ГРНТИ34.17.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Исследования последних лет указывают, что мембрана может выступать как «антенна», собирающая протоны и осуществляющая перенос протонов вдоль своей поверхности, что играет важную роль в биоэнергетических процессах и функционировании протонных каналов. Подобный транспорт предполагает особое состояние протонов на границе мембраны, где он может оставаться на временах до секунд, при этом свободно перемещаясь вдоль ее поверхности. Это может быть следствием высокого потенциального барьера для обмена протонов между поверхностью мембраны и водой. Задачей, на решение которой направлен данный проект, является выяснение механизма такого поведения протонов на поверхности мембраны. Будет изучена кинетика обмена протонов между поверхностью бислойной липидной мембраны (БЛМ) и водным раствором с помощью измерений электростатического скачка потенциала на границе мембраны с водой и емкости мембраны. Обмен будет инициирован быстрым выбросом протонов на поверхности мембраны благодаря применению фотоактивируемого соединения – Caged-H+, в качестве которого будет использован 2-метокси-5-нитросульфат (MNPS). Измерения будут проводиться с помощью оригинальных методов, разработанных ранее участниками проекта. Будет разработана методика количественного определения константы скорости обмена протонов между мембраной и водой, основанная на теоретической модели и тестовых экспериментах, в которых будет изучено влияние на эту скорость интенсивности света, концентрации MNPS, рН и буферной емкости раствора. Разработанная методика будет использована для изучения влияния на скорость протонного обмена между мембраной и водой титруемых групп на поверхности БЛМ, расположенных либо на фосфолипидах, либо на нелипидных молекулах, встроенных в мембрану. Предполагается исследовать как медленную кинетику релаксации протонов, выделенных на поверхности мембраны, к состоянию равновесия, так и быструю кинетику протонирования мембраны при фотолизе MNPS. Медленная кинетика будет изучаться с помощью оригинального метода компенсации внутримембранного поля, разработанного участниками проекта, быстрая - с помощью электрометрического усилителя. После того, как будут проведены количественные оценки константы скорости обмена протонов между липидной мембраной и водой, будет измерена температурная зависимости константы скорости обмена протонов между мембраной и водой и оценена высота барьера на границе мембраны.

Ожидаемые результаты
В результате исследований будет количественно изучена кинетика обмена протонов между липидной мембраной и водой, определены константы скорости процесса и проведена оценка высоты барьера для протонов на границе липидной мембраны. Полученные результаты позволят проверить существующие теоретические модели, описывающие состояние протонов на поверхности мембраны, получить информацию о структуре молекул связанной воды и распределения электрического поля на границе липидной мембраны. Полученная информация позволит уточнить существующие представления о механизме функционирования белков, транспортирующих через мембрану протоны

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Изучена кинетика обмена протонов между поверхностью бислойной липидной мембраны (БЛМ) и водным раствором c помощью измерения скачка потенциала на границе мембраны с водой. Процесс был инициирован освобождением протонов из молекул 2-метокси-5-нитрофенилсульфата натрия (MNPS) при их возбуждении УФ светом. Кинетику медленных изменений потенциала при освещении постоянным светом регистрировали методом компенсации внутримембранного поля (КВП), разработанным ранее сотрудниками лаборатории. Это позволило количественно охарактеризовать процессы фотолиза MNPS и переноса протонов между мембраной и раствором. Метод КВП позволил также оценить концентрацию MNPS на поверхности мембраны на основе измерений граничных потенциалов, вызванных адсорбцией анионов MNPS на БЛМ. При освещении БЛМ с адсорбированными на ней анионами MNPS наблюдались обратимые изменения граничного потенциала и емкости мембраны. Изменение потенциала происходит как вследствие уменьшения количества анионов на поверхности мембраны, так и вследствие появления на ней протонов. Кинетика изменения потенциала при освещении и его восстановления в темноте удовлетворительно описывалась теоретической моделью, которая учитывает разрушение MNPS на поверхности мембраны, сопряженное с освобождением протонов, а также обмен молекул MNPS и протонов между поверхностью мембраны и водным раствором. Она позволила определить вклад протонов в изменение потенциала. Он подавлялся при увеличении концентрации буфера в растворе, был пропорционален концентрации MNPS на поверхности мембраны и интенсивности освещения, возрастал при увеличении рН раствора. Увеличение концентрации протонов, выброшенных при фотолизе MNPS на границе мембраны, оказалось пропорциональным изменению их концентрации в неперемешиваемом слое воды около мембраны, которое определяли с помощью независимых измерений потенциала разомкнутой цепи на БЛМ с пентахлорфенолом, селективно проницаемой по протонам. Это указывает, что в медленных процессах, вызванных освещением постоянным светом, освобождаемые в результате фотолиза MNPS протоны на границе мембраны и в прилегающем к ней слое воды находятся в равновесии, а кинетика протонирования липидной мембраны определяется изменением рН в неперемешиваемом слое. Изменения граничного потенциала, вызванные связыванием протонов на БЛМ, определялись равновесной зависимостью поверхностного заряда мембраны от рН. Для БЛМ из PC наиболее сильная зависимость наблюдалась в области рН от 7 до 9. Вызванные протонами изменения потенциала возрастали, если в БЛМ встраивали фосфолипиды PE или PS, заряд которых зависит от рН. Полученные результаты указывают, что за перемещение протонов между границей мембраны и раствором отвечает более быстрая стадия. Для поиска этой быстрой стадии проведены быстрые изменения потенциала с помощью электрометрического операционного усилителя, в которых освещение мембраны проводили вспышкой УФ света. Предварительные измерения этим методом показали, что фотоиндуцированное изменение потенциала происходит с характерным временем 1-2 мс.

Публикации

1. Соколов В.С., Ташкин В.Ю., Зыкова Д.Д., Харитонова Ю.В., Галимзянов Т.Р., Батищев О.В. 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, Т13, стр.722 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/membranes13080722

2. В.С. Соколов, В.Ю. Ташкин, Д.Д. Зыкова, Ю.В. Харитонова, А.Н. Константинова Электростатические потенциалы при быстром фотоиндуцированном выделении протонов на поверхности мембраны Электрохимия 2023: всероссийская конференция по электрохимии с международным участием, 23 - 27 октября, 2023, Москва, Россия. Сборник тезисов докладов, Сборник тезисов докладов, стр.153-154 (год публикации - 2023)

3. В.С. Соколов, В.Ю. Ташкин, Д.Д. Зыкова, Ю.В. Харитонова, Т.Р. Галимзянов Адсорбция и кинетика функционирования фоточувствительного соединения, освобождающего протоны на поверхности липидной мембраны X Съезд Российского фотобиологического общества. Конференция «Современные проблемы фотобиологии». Материалы съезда. Пущино: ФИЦ ПНЦБИ РАН, 2023. – 300 с., Материалы съезда, стр.193-194 (год публикации - 2023)

4. Соколов В.С., Ташкин В.Ю., Харитонова Ю.В., Зыкова Д.Д., Галимзянов Т.Р. Slow changes of electrostatic potentials caused by photoinduced release of protons on the surface of lipid membrane Biophysical Reviews, Т15, № 5,1524-1525 с. (год публикации - 2023)