Известия Саратовского университета.

Новая серия. Серия Физика

ISSN 1817-3020 (Print)
ISSN 2542-193X (Online)

Для цитирования:

Злочевский И. И., Завьялов Д. В. Сравнение крупнозернистой и полноатомной систем «мембрана-растворитель» как моделей мемконденсатора при воздействии переменного электрического поля // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2025. Т. 25, вып. 4. С. 449-459. DOI: 10.18500/1817-3020-2025-25-4-449-459, EDN: VRTKVY

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
28.11.2025
Полный текст в формате PDF(Ru):
скачать
(загрузок: 3)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Биофизика и медицинская физика
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
53.097
DOI: 
10.18500/1817-3020-2025-25-4-449-459
EDN: 
VRTKVY

Сравнение крупнозернистой и полноатомной систем «мембрана-растворитель» как моделей мемконденсатора при воздействии переменного электрического поля

Авторы: 
Злочевский Илья Игоревич, Волгоградский государственный технический университет
Завьялов Дмитрий Викторович, Волгоградский государственный технический университет
Аннотация: 

Целью исследования является сравнение крупнозернистой и полноатомной систем «мембрана-растворитель» как моделей мемконденсатора при воздействии переменного электрического поля. Исследуемая система состояла из липидной мембраны, погруженной в водный раствор KCl. Две количественно схожие системы состояли из 512 молекул липида типа дипальмитоилфосфатидилхолин (1,2-Dipalmitoyl-sn-Glycero-3-Phosphocholine), двух водных отсеков по 40 Å и 3 M соли. Моделирование молекулярной динамики было проведено с помощью пакета программ GROMACS. В работе было использовано два вида модельных силовых полей: полноатомное charmm36m и крупнозернистые martini22p, а также видоизмененное силовое поле v2.2refPOL+refION. К системам было приложено переменное электрическое поле с напряженностью в 0.5, 1.0 и 1.5 В/нм с частотой 1 ГГц. В работе представлены методы регистрации изменения концентрации ионов в водных отсеках с учетом различия между использованными силовыми полями. На основании представленных результатов были сделаны выводы, что каждая система проявляет себя как конденсатор, где накопление заряда происходит на одной из сторон мембраны, а графики распределения частиц указывают на различный характер расположения положительных и отрицательных ионов. При оценке зависимости суммарного заряда от значения напряженности поля, была выявлена нелинейная зависимость и существование эффекта гистерезиса. В связи с этим, представленные системы могут быть использованы для изучения мемемкостных свойств мембран.

Ключевые слова: 
липидная мембрана
молекулярная динамика
полноатомная модель
крупнозернистая модель
переменное электрическое поле
конденсатор
мемконденсатор
Список источников: 
  1. El-Beyrouthy J., Freeman E. Characterizing the structure and interactions of model lipid membranes using electrophysiology. Membranes, 2021, vol. 11, iss. 5, art. 319. https://doi.org/10.3390/membranes11050319
  2. Taylor G. J., Venkatesan G. A., Collier C. P., Sarles S. A. Direct in situ measurement of specific capacitance, monolayer tension, and bilayer tension in a droplet interface bilayer. Soft Matter., 2015, vol. 11, iss. 38, pp. 7592–7605. https://doi.org/10.1039/c5sm01005e
  3. El-Beyrouthy J., Makhoul-Mansour M. M., Taylor G., Sarles S. A., Freeman E. C. A new approach for investigating the response of lipid membranes to electrocompression by coupling droplet mechanics and membrane biophysics. J. of the Royal Society Interface, 2019, vol. 16, iss. 161, art. 20190652. https://doi.org/10.1098/rsif.2019.0652
  4. Gross L. C. M., Heron J. R., Baca S. C., Wallace M. I. Determining membrane capacitance by dynamic control of droplet interface bilayer area. Langmuir, 2011, vol. 27, iss. 23, pp. 14335–14342. https://doi.org/10.1021/la203081v
  5. Najem J. S., Hasan M. S., Williams R. S., Weiss R. J., Rose G. S., Taylor G. J., Sarles S. A., Collier C. P. Dynamical nonlinear memory capacitance in biomimetic membranes. Nature Communications, 2019, vol. 10, iss. 1, art. 3239. https://doi.org/10.1038/s41467-019-11223-8
  6. Smirnova E. Y., Anosov A. A. Bilayer lipid membrane as memcapacitance: Capacitance-voltage pinched hysteresis and negative insertion conductance. Membranes, 2023, vol. 13, iss. 1, art. 97. https://doi.org/10.3390/membranes13010097
  7. Di Ventra M., Pershin Y. V. On the physical properties of memristive, memcapacitive and meminductive systems. Nanotechnology, 2013, vol. 24, no. 25, art. 255201. https://doi.org/10.1088/0957-4484/24/25/255201
  8. Yin Z. Y., Tian H., Chen G. H., Chua L. O. What are memristor, memcapacitor and meminductor? IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, 2015, vol. 62, iss. 4, pp. 402–406. https://doi.org/10.1109/TCSII.2014.2387653
  9. Pershin Y. V., Di Ventra M. Memcapacitive neural networks. Electronics Letters, 2014, vol. 50, iss. 3, pp. 141–143. https://doi.org/10.1049/el.2013.2463
  10. Hsieh M. K., Yu Y., Klauda J. B. All-atom modeling of complex cellular membranes. Langmuir, 2021, vol. 38, iss. 1, pp. 3–17. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.1c02084
  11. Sharma P., Desikan R., Ayappa K. G. Evaluating coarsegrained MARTINI force-fields for capturing the ripple phase of lipid membranes. J. Phys. Chem. B, 2021, vol. 125, iss. 24, pp. 6587–6599. https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.1c03277
  12. Guo J., Bao Y., Li M., Li S., Xi L., Xin P., Wu L., Liu H., Mu Y. Application of computational approaches in biomembranes: From structure to function. Wiley Interdisciplinary Reviews: Computational Molecular Science, 2023, vol. 13, iss. 6, art. e1679. https://doi.org/10.1002/wcms.1679
  13. Periole X., Marrink S. J. The Martini coarse-grained force field. Biomolecular Simulations: Methods and Protocols, 2012, pp. 533–565. https://doi.org/10.1007/978-1-62703-017-5_20
  14. Polak A., Bonhenry D., Dehez F., Kramar P., Miklavčič D., Tarek M. On the electroporation thresholds of lipid bilayers: Molecular dynamics simulation investigations. J. of Membrane Biology, 2013, vol. 246, no. 11, pp. 843–850. https://doi.org/10.1007/s00232-013-9570-7
  15. S. A. Kirsch, R. A. Böckmann. Membrane pore formation in atomistic and coarse-grained simulations. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Biomembranes, 2016, vol. 1858, no. 10, pp. 2266–2277. https://doi.org/10.1016/j.bbamem.2015.12.031
  16. Lavrentovich M. O., Carrillo J. M. Y., Collier C. P., Katsaras J., Bolmatov D. Curvature memory in electrically stimulated lipid membranes. Langmuir, 2025, vol. 41, iss. 5, pp. 3157–3165. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.4c03799
  17. Scott H. L., Bolmatov D., Premadasa U. I., Doughty B., Carrillo J. M. Y., Sacci R. L., Lavrentovich M., Collier C. P. Cations control lipid bilayer memcapacitance associated with long-term potentiation. ACS Applied Materials & Interfaces, 2023, vol. 15, iss. 37, pp. 44533–44540. https://doi.org/10.1021/acsami.3c09056
  18. Zlochevskiy I. I., Zav’yalov D. V. The effect of an alternating electric field on the DPPC membrane system in an aqueous NaCl solution. Math. Phys. Comp. Sim., 2023, vol. 26, no. 3, pp. 105–114. https://doi.org/10.15688/mpcm.jvolsu.2023.3.8
  19. Klauda J. B., Venable R. M., Freites J. A., O’Connor J. W., Tobias D. J., Mondragon-Ramirez C., Vorobyov I., MacKerell Jr. A. D., Pastor R. W. Update of the CHARMM all-atom additive force field for lipids: Validation on six lipid types. J. Phys. Chem. B, 2010, vol. 114, iss. 23, pp. 7830–7843. https://doi.org/10.1021/jp101759q
  20. Marrink S. J., De Vries A. H., Mark A. E. Coarse grained model for semiquantitative lipid simulations. J. Phys. Chem. B, 2004, vol. 108, iss. 2, pp. 750–760. https://doi.org/10.1021/jp036508g
  21. Marrink S. J., Risselada H. J., Yefimov S., Tieleman D. P., de Vries A. H. The MARTINI force field: Coarse grained model for biomolecular simulations. J. Phys. Chem. B, 2007, vol. 111, iss. 27, pp. 7812–7824. https://doi.org/10.1021/jp071097f
  22. Wassenaar T. A., Ingolfsson H. I., Bockmann R. A., Tieleman D. P., Marrink S. J. Computational lipidomics with insane: A versatile tool for generating custom membranes for molecular simulations. J. of Chemical Theory and Computation, 2015, vol. 11, iss. 5, pp. 2144–2155. https://doi.org/10.1021/acs.jctc.5b00209
  23. Michalowsky J., Michalowsky J., Schafer L. V., Holm C., Smiatek J. A refined polarizable water model for the coarse-grained MARTINI force field with long-range electrostatic interactions. J. Chem. Phys., 2017, vol. 146, iss. 5, art. 054501. https://doi.org/10.1063/1.4974833
  24. Michalowsky J., Zeman J., Holm C., Smiatek J. A polarizable MARTINI model for monovalent ions in aqueous solution. J. Chem. Phys., 2018, vol. 149, iss. 16, art. 163319. https://doi.org/10.1063/1.5028354
  25. Souza P. C. T., Alessandri R., Barnoud J., Thallmair S., Faustino I., Grünewald F., Patmanidis I., Abdizadeh H., Bruininks B. M. H., Wassenaar T. A., Kroon P. C., Melcr J., Nieto V., Corradi V., Khan H. M., Domański J., Javanainen M., Martinez-Seara H., Reuter N., Best R. B., Vattulainen I., Monticelli L., Periole X., Tieleman D. P., de Vries A. H., Marrink S. J. Martini 3: A general purpose force field for coarse-grained molecular dynamics. Nature Methods, 2021, vol. 18, pp. 382–388. https://doi.org/10.1038/s41592-021-01098-3
  26. Miyazaki Y., Okazaki S., Shinoda W. PSPICA: A coarse-grained force field for lipid membranes based on a polar water model. J. of Chemical Theory and Computation, 2020, vol. 16, iss. 1, pp. 782–793. https://doi.org/10.1021/acs.jctc.9b00946A
  27. Pastor R. W., MacKerell A. D. Development of the CHARMM force field for lipids. J. Phys. Chem. Lett., 2011, vol. 2, iss. 13, pp. 1526–1532. https://doi.org/10.1021/jz200167q
  28. Basdevant N., Dessaux D., Ramirez R. Ionic transport through a protein nanopore: A Coarse-Grained Molecular Dynamics Study. Scientific Reports, 2019, vol. 9, iss. 1, art. 15740. https://doi.org/10.1038/s41598-019-51942-y
  29. Jo S., Kim T., Iyer V. G., Im W. CHARMM-GUI: A web-based graphical user interface for CHARMM. J. Comp. Chem., 2008, vol. 29, iss. 11, pp. 1859–1865. https://doi.org/10.1002/jcc.20945
  30. Patra M., Karttunen M., Hyvönen M. T., Falck E., Lindqvist P., Vattulainen I. Molecular dynamics simulations of lipid bilayers: Major artifacts due to truncating electrostatic interactions. Biophysical Journal, 2003, vol. 84, iss. 6, pp. 3636–3645. https://doi.org/10.1016/S0006-3495(03)75094-2
Поступила в редакцию: 
07.06.2025
Принята к публикации: 
10.07.2025
Опубликована: 
28.11.2025
  • 76 просмотров