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Effect of Divalent Cations on Polarity and Hydration at the Lipid/Water Interface Probed by 4-Aminophthalimide-Based Dyes

化学 二价 荧光 极性(国际关系) 烷基 脂质双层 离子 分子动力学 结晶学 膜 有机化学 计算化学 生物化学 细胞 量子力学 物理
作者
Parvez Alam,Pramod Kumar,Harsh Sahu,Deepika Sardana,Pronab Kundu,Ajay Kumar Chand,Sobhan Sen
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry B [American Chemical Society]
卷期号:129 (3): 930-941
标识
DOI:10.1021/acs.jpcb.4c05404
摘要

The ion binding to the lipid/water interface can substantially influence the structural, functional, and dynamic properties of the cell membrane. Despite extensive research on ion-lipid interactions, the specific effects of ion binding on the polarity and hydration at the lipid/water interface remain poorly understood. This study explores the influence of three biologically relevant divalent cations─Mg2+, Ca2+, and Zn2+─on the depth-dependent interfacial polarity and hydration of zwitterionic DPPC lipid in its gel phase at room temperature. To measure these depth-dependent properties, we use a series of solvatochromic fluorescent probes synthesized based on 4-aminophthalimide with varying alkyl chain lengths (4AP-Cn; n = 5, 7, and 9). Employing steady-state fluorescence experiments and all-atom molecular dynamics (MD) simulations, we quantify changes in interfacial polarity and hydration induced by the cations binding to the lipid/water interface. Our results reveal that Zn2+ induces a significant blue shift in the fluorescence spectra of all 4AP-Cn dyes, indicating a marked decrease in local polarity (ETN ≤ 0.05) at the lipid/water interface compared to Mg2+ and Ca2+, which results in a higher polarity (ETN ≥ 0.2). The depth-dependent fluorescence spectra of dyes at the interface in the presence of Mg2+ and Ca2+ remain similar to those in the absence of cations, with only a minor red shift observed for Mg2+, implying a slight hydration effect. MD simulations show that cations primarily bind to the headgroup and glycerol regions of lipid. Simulations also reveal that Zn2+ causes substantial dehydration at the lipid/water interface, as detected by the 4AP-Cn dyes, while Mg2+ and Ca2+ have less pronounced effects, with only slight hydration induced by Mg2+. This study highlights the distinct positional effects of cations probed by 4AP-Cn probes at the lipid-water interface, underscoring the potential of 4AP-Cn dyes for monitoring depth-dependent changes in membrane properties induced by external agents or environmental conditions.
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