Opredelenie kharaktera vzaimodeystviya bioaktivnykh ionov s fosfolipidnymi membranami metodami nelineynoy mikroskopii

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Исследование электростатических и химических взаимодействий и превращений на поверхности липидных мембранах имеет ключевое значение для оценки эффективности и токсичности различных лекарственных препаратов, а также механизмов их доставки. Описание этих взаимодействий на молекулярном уровне требует применения высокочувствительных неинвазивных методов. В данной работе представлены экспериментальные результаты, демонстрирующие потенциал микроскопии генерации второй гармоники при исследовании электрохимических процессов затрагивающих структуру узкого гидратного слоя (< 1 нм) модельных клеточных мембран. На примере биоактивных ионов калия и кальция различной концентрации показана уникальная чувствительность данного метода к изменению значения поверхностного потенциала мембран. Повышение ионной силы раствора выше 15 мМ в случае ионов кальция приводит к полной нейтрализации поверхности мембраны, в то время как ионы калия лишь частично экранируют поверхностный заряд мембраны. Показано, что изменение структуры и состава мембран приводит к возникновению стерических эффектов во взаимодействии головных групп липидов с молекулами воды в гидратном слое.

References

  1. Ю. С. Петронюк, Е. А. Храмцова, В. М. Левин, А. П. Бонарцев, В. В. Воинова, Г. А. Бонарцева, А. А. Мураев, Т. Ф. Асфаров, Н. А. Гусейнов, Известия Российской академии наук. Серия физическая 84(6), 799 (2020); https://doi.org/10.31857/S0367676520060204.
  2. В. О. Компанец, С. И. Кудряшов, Э. Р. Толордава, С. Н. Шелыгина, В. В. Соколова, И. Н. Сараева, М. С. Ковалев, А. А. Ионин, С. В. Чекалин, Письма в ЖЭТФ 113(6), 365 (2021); https://doi.org/10.31857/S1234567821060021.
  3. Д. Ю. Мартиросян, А. А. Осыченко, А. Д. Залесский, О. Т. Калинина, У. А. Точило, Ю. А. Федотов, М. С. Сырчина, В. А. Надточенко, Письма в ЖЭТФ 117(11), 876 (2023); https://doi.org/10.31857/S1234567823110125.
  4. N. V. Surovtsev, A. A. Dmitriev, and S. A. Dzuba, Phys. Rev. E 95(3), 032412 (2017); https://doi.org/10.1103/PhysRevE.95.032412.
  5. A. Zalygin, D. Solovyeva, I. Vaskan, S. Henry, M. Schaefer, P. Volynsky, A. Tuzikov, E. Korchagina, I. Ryzhov, A. Nizovtsev, K. Mochalov, R. Efremov, E. Shtykova, V. Oleinikov, and N. Bovin, ChemistryOpen 9(6), 641 (2020); https://doi.org/10.1002/open.201900276.
  6. M. E. Stepanov, S. A. Khorkina, A. I. Arzhanov, A. V. Karabulin, V. I. Matyushenko, and A. V. Naumov, Pis’ma v ZhETF 120(4), 231 (2024); https://doi.org/10.31857/S0370274X24080129.
  7. A. S. Chebotarev, V. S. Ledyaeva, O. I. Patsap, A. A. Ivanov, and A. B. Fedotov, J. Biophotonics 16e202300228 (2023); https://doi.org/10.1002/jbio.202300228.
  8. R. W. Boyd, Nonlinear Optics, 3rd ed., Academic Press, Rochester, N.Y. USA (2008).
  9. P. J. Campagnola and L. M. Loew, Nat. Biotechnol. 21(11), 1356 (2003); https://doi.org/10.1038/nbt894.
  10. X. Chen, O. Nadiarynkh, S. Plotnikov, and P. J. Campagnola, Nat. Protoc. 7(4), 654 (2012); https://doi.org/10.1038/nprot.2012.009.
  11. S. Brasselet, Adv. Opt. Photonics 3(3), 205 (2011); https://doi.org/10.1364/AOP.3.000205.
  12. E. Deplazes, B. D. Tafalla, C. G. Cranfield, and A. Garcia, J. Phys. Chem. Lett. 11(15), 6353 (2020); https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.0c01479.
  13. F. Ahmadpoor and P. Sharma, Nanoscale 7(40), 16555 (2015); https://doi.org/10.1039/C5NR04722F.
  14. S. Ray, A. Kassan, A. R. Busija, P. Rangamani, and H. H. Patel, Am. J. Physiol.-Cell Physiol. 310(3), C181 (2016); https://doi.org/10.1152/ajpcell.00087.2015.
  15. Y. A. Ermakov, Membranes 13(11), 883 (2023); https://doi.org/10.3390/membranes13110883.
  16. A. McLaughlin, C. Grathwohl, and S. McLaughlin, Biochim. Biophys. Acta BBA - Biomembr. 513(3), 338 (1978); https://doi.org/10.1016/0005-2736(78)90203-1.
  17. H. Binder and O. ZschOrnig, Chem. Phys. Lipids 115(1), 39 (2002); https://doi.org/10.1016/S0009-3084(02)00005-1.
  18. A. Melcrova, S. Pokorna, S. Pullanchery, M. Kohagen, P. Jurkiewicz, M. Hof, P. Jungwirth, P. S. Cremer, and L. Cwiklik, Sci. Rep. 6(1), 38035 (2016); https://doi.org/10.1038/srep38035.
  19. Y. A. Ermakov, K. Kamaraju, A. Dunina-Barkovskaya, K. S. Vishnyakova, Y. E. Yegorov, A. Anishkin, and S. Sukharev, Biochemistry 56(40), 5457 (2017); https://doi.org/10.1021/acs.biochem.7b00644.
  20. Y. A. Ermakov, Biochim. Biophys. Acta BBA -Biomembr. 1023(1), 91 (1990); https://doi.org/10.1016/0005-2736(90)90013-E.
  21. J. L. Richens, J. S. Lane, J. P. Bramble, and P. O’Shea, Biochim. Biophys. Acta BBA - Biomembr. 1848(9), 1828 (2015); https://doi.org/10.1016/j.bbamem.2015.03.017.
  22. Z. T. Graber, Z. Shi, and T. Baumgart, Phys. Chem. Chem. Phys. 19(23), 15285 (2017); https://doi.org/10.1039/C7CP00718C.
  23. S. A. Akimov, M. A. Polynkin, I. Jimenez-Mungu?a, K. V. Pavlov, and O. V. Batishchev, Int. J. Mol. Sci. 19(5), 1358 (2018); https://doi.org/10.3390/ijms19051358.
  24. O. B. Tarun, M. Yu. Eremchev, A. Radenovic, and S. Roke, Nano Lett. 19(11), 7608 (2019); https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b02024.
  25. R. Dimova and C. Marques, The Giant Vesicle Book, CRC Press, Boca Raton, USA (2019).
  26. X. Chen, W. Hua, Z. Huang, and H. C. Allen, J. Am. Chem. Soc. 132(32), 11336 (2010); https://doi.org/10.1021/ja1048237.
  27. K. B. Eisenthal, Chem. Rev. 96(4), 1343 (1996); https://doi.org/10.1021/cr9502211.
  28. T. T. Nguyen and J. C. Conboy, Anal. Chem. 83(15), 5979 (2011); https://doi.org/10.1021/ac2009614.
  29. L. Moreaux, O. Sandre, and J. Mertz, JOSA B 17(10), 1685 (2000); https://doi.org/10.1364/JOSAB.17.001685.
  30. C. Macias-Romero, I. Nahalka, H. I. Okur, and S. Roke, Science 357(6353), 784 (2017); https://doi.org/10.1126/science.aal4346.
  31. M. Eremchev, D. Roesel, P.-M. Dansette, A. Michailovas, and S. Roke, Biointerphases 18(3), 031202 (2023); https://doi.org/10.1116/6.0002640.
  32. C. Macias-Romero, M. E. P. Didier, P. Jourdain, P. Marquet, P. Magistretti, O. B. Tarun, V. Zubkovs, A. Radenovic, and S. Roke, Opt. Express 22(25), 31102 (2014); https://doi.org/10.1364/OE.22.031102.
  33. M. Yu. Eremchev, JETP Lett. 118(4), 288 (2023); https://doi.org/10.1134/S0021364023602245.
  34. D. Roesel, M. Eremchev, T. Schonfeldova, S. Lee, and S. Roke, Appl. Phys. Lett. 120(16), 160501 (2022); https://doi.org/10.1063/5.0085807.
  35. M. Eremchev, D. Roesel, C. S. Poojari, A. Roux, J. S. Hub, and S. Roke, Biophys. J. 122, 624 (2023); https://doi.org/10.1016/j.bpj.2023.01.018.
  36. D. Roesel, M. Eremchev, C. S. Poojari, J. S. Hub, and S. Roke, J. Am. Chem. Soc. 144(51), 23352 (2022); https://doi.org/10.1021/jacs.2c08543.
  37. A. Weinberger, F. C. Tsai, G. H. Koenderink, T. F. Schmidt, R. Itri, W. Meier, T. Schmatko, A. Schroder, and C. Marques, Biophys. J. 105(1), 154 (2013); https://doi.org/10.1016/j.bpj.2013.05.024.
  38. G. Gonella, C. Lutgebaucks, A. G. F. de Beer, and S. Roke, J. Phys. Chem. C 120(17), 9165 (2016); https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.5b12453.
  39. M. Eisenberg, T. Gresalfi, T. Riccio, and S. McLaughlin, Biochemistry 18(23), 5213 (1979); https://doi.org/10.1021/bi00590a028.
  40. J. Faraudo, and A. Travesset, Biophys. J. 92(8), 2806 (2007); https://doi.org/10.1529/biophysj.106.092015.
  41. R. Lehrmann and J. Seelig, Biochim. Biophys. Acta BBA - Biomembr. 1189(1), 89 (1994); https://doi.org/10.1016/0005-2736(94)90284-4.
  42. C. G. Sinn, M. Antonietti, and R. Dimova, Colloids Surf. Physicochem. Eng. Asp. 282—283, 410 (2006); https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2005.10.014.
  43. C. Lutgebaucks, C. Macias-Romero, and S. Roke, J. Chem. Phys. 146(4), 044701 (2017); https://doi.org/10.1063/1.4974084.
  44. O. B. Tarun, C. Hannesschluager, P. Pohl, and S. Roke, Proc. Natl. Acad. Sci. 115(16), 4081 (2018); https://doi.org/10.1073/pnas.1719347115.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Российская академия наук

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).