Concentration Dependent Effects of Ca2+ and Mg2+ on the Phosphatidylethanolamine-Phosphatidylglycerol Bilayer

Tao ZHANG Yunguang QIU Qichao LUO Xi CHENG Lifen ZHAO Xin YAN Bo PENG Hualiang JIANG Huaiyu YANG

Citation:  ZHANG Tao, QIU Yunguang, LUO Qichao, CHENG Xi, ZHAO Lifen, YAN Xin, PENG Bo, JIANG Hualiang, YANG Huaiyu. Concentration Dependent Effects of Ca2+ and Mg2+ on the Phosphatidylethanolamine-Phosphatidylglycerol Bilayer[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2019, 35(8): 840-849. doi: 10.3866/PKU.WHXB201811016 shu

钙离子和镁离子浓度变化对磷脂酰乙醇胺-磷脂酰甘油双分子层膜的影响

    通讯作者: 蒋华良, hljiang@simm.ac.cn
    阳怀宇, hyyang@simm.ac.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 21422208

    国家自然科学基金(21422208),国家自然科学基金委-广东省政府联合基金(第三期)超级计算科学应用研究专项(U1501501)

    国家自然科学基金委-广东省政府联合基金(第三期)超级计算科学应用研究专项 U1501501

摘要: 钙离子和镁离子是生物细胞中重要的二价阳离子,对生物膜结构保持和功能行使发挥重要作用。但至今,对两种阳离子在不同浓度下与大肠杆菌内膜相互作用的认识仍存在局限。本文采用动态光散射(DLS)、zeta电势实验、全原子分子动力学模拟(AA-MD),定量研究了不同浓度的钙离子和镁离子对混合磷脂双分子层膜(1-棕榈酰基-2-油酰基-sn-丙三基-3-磷酸乙醇胺(POPE) : 1-棕榈酰基-2-油酰基-sn-丙三基-3-磷酸甘油(POPG)的摩尔比为3 : 1)模拟的大肠杆菌内膜的影响。DLS结果表明,在0和1 mmol∙L-1钙离子或镁离子溶液中,POPE/POPG脂质体为均匀的单分散体系。当两种离子浓度分别提高到5-100 mmol∙L-1范围时,单室脂质体间发生脂分子聚集或脂质体融合事件。Zeta电势数据表明,钙离子或镁离子对电负性的POPE/POPG脂质体均有电荷反转效果。AA-MD模拟计算结果表明,当模拟时间超过100 ns时,各浓度的钙离子稳定地吸附在磷脂双分子层膜上,而镁离子动态地吸附/解吸附于磷脂膜,这些结果与DLS和zeta电势实验基本吻合。同时,通过计算径向分布函数,分析了0、5、100 mmol∙L-1浓度溶液中POPE和POPG的磷酸、羰基和羟基基团氧原子的第一配位壳层中的钙离子或镁离子的平均配位数目,结果表明两种离子主要结合在POPE和POPG电负性的磷酸基团上,因此可以解释DLS实验中钙离子或镁离子对POPE/POPG脂质体的电荷反转现象。另外,随着离子浓度的增高,钙离子减小了磷脂双分子层膜的单个磷脂面积,同时使膜的厚度增大,而镁离子对膜的两种参数影响较小。同时,相同浓度条件下两种离子对膜中磷脂分子的取向影响不同。这些模拟结果可在原子水平上解释DLS和zeta电势实验中钙离子和镁离子对POPE/POPG脂质体的不同影响。本文的实验和分子动力学模拟结果可以解释一些与二价阳离子调控相关的生物学过程,例如,膜融合。

English

    1. [1]

      Edidin, M. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2003, 4, 414. doi: 10.1038/nrm1102

    2. [2]

      Clifton, L. A.; Holt, S. A.; Hughes, A. V.; Daulton, E. L.; Arunmanee, W.; Heinrich, F.; Khalid, S.; Jefferies, D.; Charlton, T. R.; Webster, J. R.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 11952. doi: 10.1002/anie.201504287

    3. [3]

      Brown, L.; Wolf, J. M.; Prados-Rosales, R.; Casadevall, A. Nat. Rev. Microbiol. 2015, 13, 620. doi: 10.1038/nrmicro3480

    4. [4]

      Zgurskaya, H. I.; Lopez, C. A.; Gnanakaran, S. ACS Infect. Dis. 2015, 1, 512. doi: 10.1021/acsinfecdis.5b00097

    5. [5]

      Travers, T.; Wang, K. J.; Lopez, C. A.; Gnanakaran, S. Res. Microbiol. 2018, 169, 414. doi: 10.1016/j.resmic.2018.01.002

    6. [6]

      Parkin, J.; Chavent, M.; Khalid, S. Biophys. J. 2015, 109, 461. doi: 10.1016/j.bpj.2015.06.050

    7. [7]

      Jones, H. E.; Holland, I. B.; Campbell, A. K. Cell Calcium 2002, 32, 183. doi: 10.1016/s0143416002001537

    8. [8]

      Naseem, R.; Wann, K. T.; Holland, I. B.; Campbell, A. K. J. Mol. Biol. 2009, 391, 42. doi: 10.1016/j.jmb.2009.05.064

    9. [9]

      Saier, M. H., Jr. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 2000, 64, 354. doi: 10.1128/mmbr.64.2.354-411.2000

    10. [10]

      Shi, X.; Bi, Y.; Yang, W.; Guo, X.; Jiang, Y.; Wan, C.; Li, L.; Bai, Y.; Guo, J.; Wang, Y.; et al. Nature 2013, 493, 111. doi: 10.1038/nature11699

    11. [11]

      Boettcher, J. M.; Davis-Harrison, R. L.; Clay, M. C.; Nieuwkoop, A. J.; Ohkubo, Y. Z.; Tajkhorshid, E.; Morrissey, J. H.; Rienstra, C. M. Biochemistry 2011, 50, 2264. doi: 10.1021/bi1013694

    12. [12]

      Akutsu, H.; Seelig, J. Biochemistry 1981, 20, 7366. doi: 10.1021/bi00529a007

    13. [13]

      Martens, S.; McMahon, H. T. Nat. Rev. Mol. Cell. Biol. 2008, 9, 543. doi: 10.1038/nrm2417

    14. [14]

      Ortiz, A.; Killian, J. A.; Verkleij, A. J.; Wilschut, J. Biophys. J. 1999, 77, 2003. doi: 10.1016/s0006-3495(99)77041-4

    15. [15]

      Friel, D. D.; Chiel, H. J. Trends Neurosci. 2008, 31, 8. doi: 10.1016/j.tins.2007.11.004

    16. [16]

      Romani, A. M.; Scarpa, A. Front Biosci. 2000, 5, D720. doi: 10.2741/Romani

    17. [17]

      Clifton, L. A.; Skoda, M. W. A.; Le Brun, A. P.; Ciesielski, F.; Kuzmenko, I.; Holt, S. A.; Lakey, J. H. Langmuir 2015, 31, 404. doi: 10.1021/la504407v

    18. [18]

      Montero, M.; Eydallin, G.; Viale, A. M.; Almagro, G.; Munoz, F. J.; Rahimpour, M.; Sesma, M. T.; Baroja-Fernandez, E.; Pozueta-Romero, J. Biochem. J. 2009, 424, 129. doi: 10.1042/bj20090980

    19. [19]

      Balsera, M.; Goetze, T. A.; Kovacs-Bogdan, E.; Schurmann, P.; Wagner, R.; Buchanan, B. B.; Soll, J.; Bolter, B. J. Biol. Chem. 2009, 284, 2603. doi: 10.1074/jbc.m807134200

    20. [20]

      Kanipes, M. I.; Lin, S.; Cotter, R. J.; Raetz, C. R. J. Biol. Chem. 2001, 276, 1156. doi: 10.1074/jbc.m009019200

    21. [21]

      Gangola, P.; Rosen, B. P. J. Biol. Chem. 1987, 262, 12570.

    22. [22]

      Dominguez, D. C. Mol. Microbiol. 2004, 54, 291. doi: 10.1111/j.1365-2958.2004.04276.x

    23. [23]

      Chaigne-Delalande, B.; Lenardo, M. J. Trends Immunol. 2014, 35, 332. doi: 10.1016/j.it.2014.05.001

    24. [24]

      Groisman, E. A.; Hollands, K.; Kriner, M. A.; Lee, E. J.; Park, S. Y.; Pontes, M. H. Annu. Rev. Genet. 2013, 47, 625. doi: 10.1146/annurev-genet-051313-051025

    25. [25]

      Suarez-Germa, C.; Domenech, O.; Montero, M. T.; Hernandez-Borrell, J. Biochim. Biophys. Acta-Biomembr. 2014, 1838, 842. doi: 10.1016/j.bbamem.2013.11.015

    26. [26]

      Tu, Y.; Lv, M.; Xiu, P.; Huynh, T.; Zhang, M.; Castelli, M.; Liu, Z.; Huang, Q.; Fan, C.; Fang, H.; Zhou, R. Nat. Nanotechnol. 2013, 8, 594. doi: 10.1038/nnano.2013.125

    27. [27]

      Picas, L.; Carretero-Genevrier, A.; Montero, M. T.; Vazquez-Ibar, J. L.; Seantier, B.; Milhiet, P. E.; Hernandez-Borrell, J. Biochim. Biophys. Acta-Biomembr. 2010, 1798, 1014. doi: 10.1016/j.bbamem.2010.01.008

    28. [28]

      Mao, Y.; Du, Y.; Cang, X.; Wang, J.; Chen, Z.; Yang, H.; Jiang, H. J. Phys. Chem. B 2013, 117, 850. doi: 10.1021/jp310163z

    29. [29]

      Tsai, H. H. G.; Lai, W. X.; Lin, H. D.; Lee, J. B.; Juang, W. F.; Tseng, W. H. Biochim. Biophys. Acta-Biomembr. 2012, 1818, 2742. doi: 10.1016/j.bbamem.2012.05.029

    30. [30]

      陈文琼, 关永吉, 张晓萍, 邓友全.物理化学学报, 2018, 34, 912. doi: 10.3866/PKU.WHXB201801091Chen, W. Q.; Guan, Y. J.; Zhang, X. P.; Deng, Y. Q. Acta Phys. -Chim. Sin. 2018, 34, 912. doi: 10.3866/PKU.WHXB201801091

    31. [31]

      Mao, L.; Yang, L.; Zhang, Q.; Jiang, H.; Yang, H. Biochem. Biophys. Res. Commun. 2015, 468, 125. doi: 10.1016/j.bbrc.2015.10.149

    32. [32]

      刘夫锋, 范玉波, 刘珍, 白姝.物理化学学报, 2017, 33, 1905. doi: 10.3866/PKU.WHXB201704274Liu, F. F.; Fan, Y. B.; Liu, Z.; Bai, S. Acta Phys. -Chim. Sin. 2017, 33, 1905. doi: 10.3866/PKU.WHXB201704274

    33. [33]

      刘夫锋, 董晓燕, 孙彦.物理化学学报, 2010, 26, 1643. doi: 10.3866/PKU.WHXB20100613Liu, F. F.; Dong, X. Y.; Sun, Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2010, 26, 1643. doi: 10.3866/PKU.WHXB20100613

    34. [34]

      赵勇山, 郑清川, 张红星, 楚慧郢, 孙家钟.物理化学学报, 2009, 25, 417. doi: 10.3866/PKU.WHXB20090304Zhao, Y. S.; Zheng, Q. C.; Zhang, H. X.; Chu, H. Y.; Sun, J. Z. Acta Phys. -Chim. Sin. 2009, 25, 417. doi: 10.3866/PKU.WHXB20090304

    35. [35]

      Melcrova, A.; Pokorna, S.; Pullanchery, S.; Kohagen, M.; Jurkiewicz, P.; Hof, M.; Jungwirth, P.; Cremer, P. S.; Cwiklik, L. Sci. Rep. 2016, 6, 38035. doi: 10.1038/srep38035

    36. [36]

      Domingues, M. M.; Inacio, R. G.; Raimundo, J. M.; Martins, M.; Castanho, M. A.; Santos, N. C. Biopolymers 2012, 98, 338. doi: 10.1002/bip.22095

    37. [37]

      罗思琪, 王美娜, 赵微微, 王毅琳.物理化学学报, 2019, 35, 766. doi: 10.3866/PKU.WHXB201809038Luo, S. Q.; Wang, M. N.; Zhao, W. W.; Wang, Y. L. Acta Phys. -Chim. Sin. 2019, 35, 766. doi: 10.3866/PKU.WHXB201809038

    38. [38]

      刘恒昌, 冯玉军.物理化学学报, 2019, 35, 408. doi: 10.3866/PKU.WHXB201803051Liu, H. C.; Feng, Y. J. Acta Phys. -Chim. Sin. 2019, 35, 408. doi: 10.3866/PKU.WHXB201803051

    39. [39]

      韦邦帜, 郭志勇, 王帆, 黄爱民, 马林.物理化学学报, 2018, 34, 185. doi: 10.3866/PKU.WHXB201707175Wei, B. Z.; Guo, Z. Y.; Wang, F.; Huang, A. M.; Ma, L. Acta Phys. -Chim. Sin. 2018, 34, 185. doi: 10.3866/PKU.WHXB201707175

    40. [40]

      Hendrich, A. B.; Malon, R.; Pola, A.; Shirataki, Y.; Motohashi, N.; Michalak, K. Eur. J. Pharm. Sci. 2002, 16, 201. doi: 10.1016/s0928-0987(02)00106-9

    41. [41]

      Wu, E. L.; Cheng, X.; Jo, S.; Rui, H.; Song, K. C.; Davila-Contreras, E. M.; Qi, Y.; Lee, J.; Monje-Galvan, V.; Venable, R. M.; et al. J. Comput. Chem. 2014, 35, 1997. doi: 10.1002/jcc.23702

    42. [42]

      Abraham, M. J.; Murtola, T.; Schulz, R.; Páll, S.; Smith, J. C.; Hess, B.; Lindahl, E. SoftwareX 2015, 1-2, 19. doi: 10.1016/j.softx.2015.06.001

    43. [43]

      MacKerell, A. D.; Bashford, D.; Bellott, M.; Dunbrack, R. L.; Evanseck, J. D.; Field, M. J.; Fischer, S.; Gao, J.; Guo, H.; Ha, S.; et al. J. Phys. Chem. B 1998, 102, 3586. doi: 10.1021/jp973084f

    44. [44]

      Bussi, G.; Donadio, D.; Parrinello, M. J. Chem. Phys. 2007, 126, 014101. doi: 10.1063/1.2408420

    45. [45]

      Nosé, S. J. Chem. Phys. 1984, 81, 511. doi: 10.1063/1.447334

    46. [46]

      Nosé, S.; Klein, M. L. Mol. Phys. 1983, 50, 1055. doi: 10.1080/00268978300102851

    47. [47]

      Miyamoto, S.; Kollman, P. A. J. Comput. Chem. 1992, 13, 952. doi: 10.1002/jcc.540130805

    48. [48]

      Hess, B.; Bekker, H.; Berendsen, H. J. C.; Fraaije, J. G. E. M. J. Comput. Chem. 1997, 18, 1463. doi: 10.1002/(sici)1096-987x(199709)18:12<1463::aid-jcc4>3.0.co;2-h

    49. [49]

      Darden, T.; York, D.; Pedersen, L. J. Chem. Phys. 1993, 98, 10089. doi: 10.1063/1.464397

    50. [50]

      Guixa-Gonzalez, R.; Rodriguez-Espigares, I.; Ramirez-Anguita, J. M.; Carrio-Gaspar, P.; Martinez-Seara, H.; Giorgino, T.; Selent, J. Bioinformatics 2014, 30, 1478. doi: 10.1093/bioinformatics/btu037

    51. [51]

      Martin-Molina, A.; Rodriguez-Beas, C.; Faraudo, J. Biophys. J. 2012, 102, 2095. doi: 10.1016/j.bpj.2012.03.009

    52. [52]

      Bockmann, R. A.; Grubmuller, H. Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 1021. doi: 10.1002/anie.200352784

    53. [53]

      Rand, R. P.; Fuller, N.; Parsegian, V. A.; Rau, D. C. Biochemistry 1988, 27, 7711. doi: 10.1021/bi00420a021

    54. [54]

      Yang, H.; Xu, Y.; Gao, Z.; Mao, Y.; Du, Y.; Jiang, H. J. Phys. Chem B 2010, 114, 16978. doi: 10.1021/jp1091569

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  • 发布日期:  2019-08-15
  • 收稿日期:  2018-11-12
  • 接受日期:  2018-12-31
  • 修回日期:  2018-12-28
  • 网络出版日期:  2019-08-03
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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