Molecular Mechanism of Cell Membrane Protection by Sugars: A Study of Interfacial H-Bond Networks

化学 分子动力学 生物分子 脂质双层 生物物理学 化学物理 计算化学 有机化学 生物化学 生物
作者
Xiao You,Euihyun Lee,Cong Xu,Carlos R. Baiz
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
卷期号:12 (39): 9602-9607 被引量:30
标识
DOI:10.1021/acs.jpclett.1c02451
摘要

Sugars function as bioprotectants by stabilizing biomolecules during dehydration, thermal stress, and freeze-thaw cycles. A buildup of sugars occurs in many organisms upon their exposure to extreme conditions. Understanding sugar's bioprotective effects on membranes is achieved by characterizing the H-bond networks at the lipid-water interface. Here, we report the headgroup H-bond populations, structures, and dynamics of 1,2-dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphocholine vesicles in concentrated glucose solutions using ultrafast two-dimensional infrared spectroscopy in conjunction with molecular dynamics simulations. H-Bond populations and dynamics at the ester carbonyl positions are largely unaffected even at very high, 600 mg/mL, sugar concentrations. In addition, dynamics exhibit a slight nonmonotonic dependence on sugar concentration. Simulations, which are in near-quantitative agreement with measured dynamics, show that the H-bond structure remains largely intact by the existence of sugar. This study shows that the bioprotection of sugar is realized through stable lipid-saccharide-water H-bond networks at the membrane interface that mimic the H-bond networks in pure water.
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