Электростатические потенциалы при адсорбции и фотохимических реакциях пиранина на бислойных липидных мембранах

Обложка

Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

Изучены адсорбция и фотохимические реакции пиранина на бислойной липидной мембране (БЛМ) с помощью измерения электростатических потенциалов на границе мембраны с водой. Зависимость электростатических потенциалов, возникающих из-за адсорбции пиранина, от его концентрации в растворе описывается теорией Гуи–Чепмена в предположении, что на мембране адсорбируются анионы с тремя заряженными группами. При освещении БЛМ с адсорбированным на ней пиранином существенных изменений граничного потенциала не обнаружено. Значительные изменения потенциала наблюдались, если на БЛМ помимо пиранина были адсорбированы молекулы стириловых красителей di-4-ANEPPS или RH-421. Знак и величина этих изменений соответствуют исчезновению дипольного потенциала, создаваемого молекулами стириловых красителей на БЛМ. Скорость исчезновения потенциала была пропорциональна концентрации пиранина и интенсивности освещения. Исчезновение потенциала может быть вызвано как связыванием протонов, освободившихся из молекулы пиранина, с молекулами красителей с их последующей десорбцией с БЛМ, так и их разрушением. Молекулы пиранина и стириловых красителей могут образовывать комплексы на границе БЛМ. Об этом говорят эксперименты, в которых сумма изменений потенциала, вызванных их адсорбцией по отдельности, значительно отличалась от изменения граничного потенциала при их одновременной адсорбции. Кинетика исчезновения дипольного потенциала БЛМ со стириловыми красителями при возбуждении пиранина оказалась аналогичной наблюдавшейся ранее с другим соединением – 2-метокси-5-нитрофенилсульфатом натрия, освобождающим протоны на границе мембраны при освещении. Это позволяет предположить, что она связана с десорбцией с мембраны молекул красителя, из-за связывания с ними протонов, освободившихся из возбужденных молекул пиранина.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. С. Соколов

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

Автор, ответственный за переписку.
Email: sokolov.valerij@gmail.com
Россия, Москва, 119071

В. Ю. Ташкин

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

Email: sokolov.valerij@gmail.com
Россия, Москва, 119071

Д. Д. Зыкова

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

Email: sokolov.valerij@gmail.com
Россия, Москва, 119071; Московская обл., г. Долгопрудный, 141700

Л. Е. Поздеева

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: sokolov.valerij@gmail.com
Россия, Москва, 119991

Список литературы

  1. 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
  2. Sokolov V.S., Tashkin V.Yu., Zykova D.F., 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, 722. doi: 10.3390/membranes13080722
  3. 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
  4. Abbruzzetti S., Sottini S., Viappiani C., Corrie J.E. 2006. Acid-induced unfolding of myoglobin triggered by a laser pH jump method. Photochem.Photobiol.Sci. 5(6), 621–628. doi: 10.1039/b516533d
  5. Fibich A., Apell H.J. 2011. Kinetics of luminal proton binding to the SR Ca-ATPase. Biophys.J. 101(8), 1896–1904. doi: 10.1016/j.bpj.2011.09.014
  6. Ташкин В.Ю., Щербаков А.А., Апель Х.-Ю., Соколов В.С. 2013. Конкурентный транспорт ионов натрия и протонов в цитоплазматическом канале Na + , K + -ATP-азы. Биол. мембраны. 30 (2), 105–114.
  7. 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
  8. 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
  9. Weichselbaum E., Osterbauer M., Knyazev D.G., Batishchev O.V., Akimov S.A., Hai N.T., Zhang C., Knor G., Agmon N., Carloni P., Pohl P. 2017. Origin of proton affinity to membrane/water interfaces. Sci.Rep. 7, 4553. doi: 10.1038/s41598-017-04675-9
  10. Weichselbaum E., Galimzyanov T., Batishchev O.V., Akimov S.A., Pohl P. 2023. Proton Migration on Top of Charged Membranes. Biomolecules. 13 (2), 352. doi: 10.3390/biom13020352
  11. 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.USA. 109(25), 9744–9749. doi: 10.1073/pnas.1121227109
  12. Heberle J., Riesle J., Thiedemann G., Oesterhelt D., Dencher N.A. 1994. Proton migration along the membrane surface and retarded surface to bulk transfer. Nature. 370 (6488), 379–382. doi: 10.1038/370379a0
  13. Malkov D.Y., Sokolov V.S. 1996. Fluorescent styryl dyes of the RH series affect a potential drop on the membrane/solution boundary. Biochem.Biophys.Acta. 1278, 197–204. doi: 10.1016/0005-2736(95)00197-2
  14. Gross D., Loew L.M. 1989. Fluorescent indicators of membrane potential: microspectrofluorometry and imaging. Methods Cell Biol. 30, 193–218. doi: 10.1016/S0091-679X(08)60980-2
  15. Clarke R.J., Kane D.J. 1997. Optical detection of membrane dipole potential: avoidance of fluidity and dye-induced effects. Biochim.Biophys.Acta. 1323 (2), 223–239. doi: 10.1016/s0005-2736(96)00188-5
  16. Sokolov V.S., Gavrilchik A.N., Kulagina A.O., Meshkov I.N., Pohl P., Gorbunova Y.G. 2016. Voltage-sensitive styryl dyes as singlet oxygen targets on the surface of bilayer lipid membrane. J. Photochem. Photobiol.B. 161, 162–169. doi: 10.1016/j.jphotobiol.2016.05.016
  17. Константинова А.Н., Харитонова Ю.В., Ташкин В.Ю., Соколов В.С. 2021. Стириловые красители di-4-ANEPPS и RH-421 как датчики протонов на поверхности липидных мембран. Биол. мембраны. 38 (2), 123–128. doi: 10.31857/S0233475521020079
  18. Gutman M. 1986. Application of the laser-induced proton pulse for measuring the protonation rate constants of specific sites on proteins and membranes. Methods Enzymol. 127, 522–538. doi: 10.1016/0076-6879(86)27042-1
  19. Gutman M. 1984. The pH jump: probing of macromolecules and solutions by a laser-induced, ultrashort proton pulse--theory and applications in biochemistry. Methods Biochem.Anal. 30, 1–103. doi: 10.1002/9780470110515.ch1
  20. Nandi R., Amdursky N.A. 2022. The dual use of the pyranine (HPTS) fluorescent probe: A ground-state pH indicator and an excited-state proton transfer probe. Acc.Chem.Res. 55, 2728–2739. doi: 10.1021/acs.accounts.2c00458
  21. Gutman M., Nachliel E., Gershon E., Giniger R. 1983. Kinetic analysis of the protonation of a surface group of a macromolecule. Eur.J.Biochem. 134 (1), 63–69. doi: 10.1111/j.1432-1033.1983.tb07531.x
  22. 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.
  23. Ermakov Yu.A., Sokolov V.S. 2003. Planar Lipid Bilayers (BLMs) and their applications.Ed. Tien H.T., Ottova-Leitmannova A. Amsterdam etc: Elsevier, p. 109–141.
  24. Sokolov V.S., Mirsky V.M. 2004. Ultrathin electrochemical chemo- and biosensors: Technology and performance. Ed. Mirsky V.M. Heidelberg: Springer-Verlag, P. 255–291.
  25. McLaughlin, S. 1977. Electrostatic potentials at membrane-solution interfaces. In: Current topics in membranes and transport. Eds. Bronner F., Kleinzeller A. New York, San Francosco, London: Acad. Press. V. 9, p. 71–144. https://doi.org/10.1016/S0070-2161(08)60677-2.
  26. 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.
  27. 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
  28. Knyazev D.G., Silverstein T.P., Brescia S., Maznichenko A., Pohl P. 2023. A new theory about interfacial proton diffusion revisited: the commonly accepted laws of electrostatics and diffusion prevail. Biomolecules. 13 (11), 1641. doi: 10.3390/biom13111641

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Зависимость разности граничных потенциалов БЛМ ∆φb от концентрации пиранина C в растворе с одной стороны от мембраны. БЛМ сформирована в растворе 20 мМ KCl, 2 мМ Tris, HEPES и цитрат, pH 6.0. Прямая проведена по уравнению (1) при z = 3.

Скачать (33KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Кинетика изменения разности граничных потенциалов БЛМ при добавлении в в раствор с одной стороны от мембраны di-4-ANEPPS в концентрации 6 мкМ (а) или RH-421 в концентрации 7.5 мкМ (б) и пиранина в концентрации 100 мкМ, а также при последующем включении (L) и выключении света (D). БЛМ сформирована в растворе 20 мМ KCl, 0.2 мМ Tris, HEPES и цитрат, pH 7. Моменты добавления di-4-ANEPPS, RH-421 и пиранина, а также включения и выключения света показаны стрелками.

Скачать (101KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость скорости уменьшения дипольного потенциала, вызванного адсорбцией di-4-ANEPPS, от концентрации пиранина С (а, мощность освещения 0.4 Вт), и от мощности освещения Р (б, концентрация пиранина 10 мкM). БЛМ сформирована в растворе 20 мМ KCl, 0.2 мМ Tris, HEPES и цитрат, pH 7.0.

Скачать (75KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимость изменения граничного потенциала БЛМ, вызванного адсорбцией пиранина, от его концентрации в растворе, в котором также присутствует 5 мкМ di-4-ANEPPS (белые кружки), и в отсутствие di-4-ANEPPS (черные кружки). БЛМ сформирована в растворе 20 мМ KCl, 2 мМ Tris, HEPES и цитрат, pH 7.0.

Скачать (37KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость скорости исчезновения потенциала при освещении от концентрации HEPES в растворе. БЛМ сформирована в растворе 20 мМ KCl, 0.2 мМ Tris, HEPES и цитрат, pH 7.0. Концентрация пиранина 10 мкМ, мощность освещения 0.2 Вт.

Скачать (36KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025