The electrostatics of solvent and lipid bilayer interfaces are investigated with the aim of understanding the interaction of ions and charged peptides with biological membranes. We overcome the lacking dielectric response of hydrocarbon by carrying out atomistic molecular dynamics simulations using a polarizable model. For air-solvent or solvent-solvent interfaces, the effect of polarizability itself is small, yet changes in the fixed atomic charge distribution are responsible for substantial changes in the potential. However, when electrostatics is probed by finite solutes, a cancellation of dominant quadrupolar terms from the macroscopic and microscopic (solute-solvent) interfaces eliminates this dependence and leads to small net contributions to partitioning thermodynamics. In contrast, the membrane dipole potential exhibits considerable dependence on lipid electronic polarizability, due to its dominant dipolar contribution. We report the dipole potential for a polarizable lipid hydrocarbon membrane model of 480–610 mV, in better accord with experimental measurements.

1.
A.
Radzicka
and
R.
Wolfenden
,
Biochemistry
27
,
1664
(
1988
);
R.
Wolfenden
,
J. Gen. Physiol.
129
,
357
(
2007
).
[PubMed]
2.
A.
Parsegian
,
Nature (London)
221
,
844
(
1969
).
3.
R. F.
Flewelling
and
W. L.
Hubbell
,
Biophys. J.
49
,
541
(
1986
).
4.
S.
Paula
,
A. G.
Volkov
, and
D. W.
Deamer
,
Biophys. J.
74
,
319
(
1998
).
5.
A. G.
Volkov
,
S.
Paula
, and
D. W.
Deamer
,
Bioelectrochem. Bioenerg.
42
,
153
(
1997
).
6.
L. R.
Pratt
and
A.
Pohorille
,
Chem. Rev. (Washington, D.C.)
102
,
2671
(
2002
).
7.
R.
Parsons
, in
Modern Aspects of Electrochemistry
, edited by
J. O. M.
Bockris
and
B. E.
Conway
(
Butterworths
,
London
,
1954
), Vol.
1
, p.
103
.
8.
D.
Walz
and
S. R.
Caplan
,
Bioelectrochem. Bioenerg.
28
,
5
(
1992
).
9.
W. R.
Fawcett
,
Liquids, Solutions, and Interfaces: From Classical Macroscopic Descriptions to Modern Microscopic Details
(
Oxford University Press
,
New York
,
2004
).
10.
V. S.
Markin
and
A. G.
Volkov
,
Adv. Colloid Interface Sci.
31
,
111
(
1990
).
11.
A. G.
Volkov
,
D. W.
Deamer
,
D. L.
Tanelian
, and
V. S.
Markin
,
Prog. Surf. Sci.
53
,
1
(
1996
).
12.
M.
Paluch
,
Adv. Colloid Interface Sci.
84
,
27
(
2000
);
[PubMed]
V. I.
Parfenyuk
,
Colloid J.
64
,
588
(
2002
).
13.
C. G.
Barraclough
,
P. T.
Mctigue
, and
Y. L.
Ng
,
J. Electroanal. Chem.
329
,
9
(
1992
);
M.
Matsumoto
and
Y.
Kataoka
,
J. Chem. Phys.
88
,
3233
(
1988
).
14.
S. A.
Patel
and
C. L.
Brooks
,
J. Chem. Phys.
124
,
204706
(
2006
).
15.
CRC Handbook Chemistry and Physics
, edited by
D. R.
Lide
(
CRC
,
Boca Raton, FL
,
2003
).
16.
F. H.
Stillinger
and
A.
Ben-Naim
,
J. Chem. Phys.
47
,
4431
(
1967
);
L. R.
Pratt
,
J. Phys. Chem.
96
,
25
(
1992
).
17.
M. A.
Wilson
,
A.
Pohorille
, and
L. R.
Pratt
,
J. Chem. Phys.
90
,
5211
(
1989
).
18.
E.
Harder
and
B.
Roux
,
J. Chem. Phys.
129
,
234706
(
2008
).
19.
V. P.
Sokhan
and
D. J.
Tildesley
,
Mol. Phys.
92
,
625
(
1997
).
20.
J. W.
Caldwell
and
P. A.
Kollman
,
J. Phys. Chem.
99
,
6208
(
1995
);
P. E. M.
Lopes
,
G.
Lamoureux
,
B.
Roux
, and
A. D.
MacKerell
,
J. Phys. Chem. B
111
,
2873
(
2007
).
[PubMed]
21.
H. S.
Ashbaugh
,
J. Phys. Chem. B
104
,
7235
(
2000
).
22.
S.
Rajamani
,
T.
Ghosh
, and
S.
Garde
,
J. Chem. Phys.
120
,
4457
(
2004
).
23.
I.
Vorobyov
,
L. B.
Li
, and
T. W.
Allen
,
J. Phys. Chem. B
112
,
9588
(
2008
).
24.
S. M.
Kathmann
,
I. F. W.
Kuo
, and
C. J.
Mundy
,
J. Am. Chem. Soc.
131
,
17522
(
2009
).
25.
K.
Leung
,
J. Phys. Chem. Lett.
1
,
496
(
2010
).
26.
G.
Lamoureux
and
B.
Roux
,
J. Phys. Chem. B
110
,
3308
(
2006
).
27.
M. A.
Wilson
,
A.
Pohorille
, and
L. R.
Pratt
,
J. Chem. Phys.
88
,
3281
(
1988
).
28.
Z.
Koczorowski
,
I.
Zagorska
, and
A.
Kalinska
,
Electrochim. Acta
34
,
1857
(
1989
).
29.
L. I.
Krishtalik
,
N. M.
Alpatova
, and
E. V.
Ovsyannikova
,
J. Electroanal. Chem.
329
,
1
(
1992
).
30.
V. I.
Parfenyuk
,
Russ. Chem. Bull.
56
,
1
(
2007
).
31.
A.
Grossfield
,
P. Y.
Ren
, and
J. W.
Ponder
,
J. Am. Chem. Soc.
125
,
15671
(
2003
);
[PubMed]
T. W.
Whitfield
,
S.
Varma
,
E.
Harder
,
G.
Lamoureux
,
S. B.
Rempe
, and
B.
Roux
,
J. Chem. Theory Comput.
3
,
2068
(
2007
);
[PubMed]
H.
Yu
,
T. W.
Whitfield
,
E.
Harder
,
G.
Lamoureux
,
I.
Vorobyov
,
V. M.
Anisimov
,
A. D.
MacKerell
, and
B.
Roux
,
J. Chem. Theory Comput.
6
,
774
(
2010
).
[PubMed]
32.
A. D.
Pickar
and
R.
Benz
,
J. Membr. Biol.
44
,
353
(
1978
);
K.
Gawrisch
,
D.
Ruston
,
J.
Zimmerberg
,
V. A.
Parsegian
,
R. P.
Rand
, and
N.
Fuller
,
Biophys. J.
61
,
1213
(
1992
).
[PubMed]
33.
J.
Schamberger
and
R. J.
Clarke
,
Biophys. J.
82
,
3081
(
2002
).
34.
L. G.
Wang
,
P. S.
Bose
, and
F. J.
Sigworth
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
103
,
18528
(
2006
).
35.
R. J.
Clarke
,
Adv. Colloid Interface Sci.
89–90
,
263
(
2001
).
36.
Y.
Yang
,
K. M.
Mayer
,
N. S.
Wickremasinghe
, and
J. H.
Hafner
,
Biophys. J.
95
,
5193
(
2008
).
37.
A. P.
Demchenko
and
S. O.
Yesylevskyy
,
Chem. Phys. Lipids
160
,
63
(
2009
);
[PubMed]
T.
Starke-Peterkovic
and
R. J.
Clarke
,
Eur. Biophys. J.
39
,
103
(
2009
).
[PubMed]
38.
R. J.
Mashl
,
H. L.
Scott
,
S.
Subramaniam
, and
E.
Jakobsson
,
Biophys. J.
81
,
3005
(
2001
);
[PubMed]
M. A.
Villarreal
,
S. B.
Diaz
,
E. A.
Disalvo
, and
G. G.
Montich
,
Langmuir
20
,
7844
(
2004
);
[PubMed]
K.
Shinoda
,
W.
Shinoda
,
T.
Baba
, and
M.
Mikami
,
J. Chem. Phys.
121
,
9648
(
2004
).
[PubMed]
39.
J. B.
Klauda
,
R. M.
Venable
,
A. D.
MacKerell
, and
R. W.
Pastor
,
Computational Modeling Of Membrane Bilayers
(
Elsevier
,
New York
,
2008
), Vol.
60
, p.
1
.
40.
J. E.
Davis
and
S.
Patel
,
J. Phys. Chem. B
113
,
9183
(
2009
).
41.
J. E.
Davis
,
O.
Rahaman
, and
S.
Patel
,
Biophys. J.
96
,
385
(
2009
).
42.
B. R.
Brooks
,
R. E.
Bruccoleri
,
B. D.
Olafson
,
D. J.
States
,
S.
Swaminathan
, and
M.
Karplus
,
J. Comput. Chem.
4
,
187
(
1983
);
B. R.
Brooks
,
C. L.
Brooks
 III
,
A. D.
Mackerell
, Jr.
,
L.
Nilsson
,
R. J.
Petrella
,
B.
Roux
,
Y.
Won
,
G.
Archontis
,
C.
Bartels
,
S.
Boresch
,
A.
Caflisch
,
L.
Caves
,
Q.
Cui
,
A. R.
Dinner
,
M.
Feig
,
S.
Fischer
,
J.
Gao
,
M.
Hodoscek
,
W.
Im
,
K.
Kuczera
,
T.
Lazaridis
,
J.
Ma
,
V.
Ovchinnikov
,
E.
Paci
,
R. W.
Pastor
,
C. B.
Post
,
J. Z.
Pu
,
M.
Schaefer
,
B.
Tidor
,
R. M.
Venable
,
H. L.
Woodcock
,
X.
Wu
,
W.
Yang
,
D. M.
York
, and
M.
Karplus
,
J. Comput. Chem.
30
,
1545
(
2009
).
[PubMed]
43.
W.
Humphrey
,
A.
Dalke
, and
K.
Schulten
,
J. Mol. Graph.
14
,
33
(
1996
).
44.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.3402125 for detailed simulation methods and additional tables and figures.
45.
46.
S. E.
Feller
and
A. D.
MacKerell
,
J. Phys. Chem. B
104
,
7510
(
2000
).
47.
I.
Vorobyov
,
V. M.
Anisimov
,
S.
Greene
,
R. M.
Venable
,
A.
Moser
,
R. W.
Pastor
, and
A. D.
MacKerell
,
J. Chem. Theory Comput.
3
,
1120
(
2007
).
48.
J. B.
Klauda
,
B. R.
Brooks
,
A. D.
MacKerell
, Jr.
,
R. M.
Venable
, and
R. W.
Pastor
,
J. Phys. Chem. B
109
,
5300
(
2005
).
49.
A. D.
MacKerell
,
D.
Bashford
,
M.
Bellott
,
R. L.
Dunbrack
,
J. D.
Evanseck
,
M. J.
Field
,
S.
Fischer
,
J.
Gao
,
H.
Guo
,
S.
Ha
,
D.
Joseph-McCarthy
,
L.
Kuchnir
,
K.
Kuczera
,
F. T. K.
Lau
,
C.
Mattos
,
S.
Michnick
,
T.
Ngo
,
D. T.
Nguyen
,
B.
Prodhom
,
W. E.
Reiher
,
B.
Roux
,
M.
Schlenkrich
,
J. C.
Smith
,
R.
Stote
,
J.
Straub
,
M.
Watanabe
,
J.
Wiorkiewicz-Kuczera
,
D.
Yin
, and
M.
Karplus
,
J. Phys. Chem. B
102
,
3586
(
1998
).
50.
W. L.
Jorgensen
,
J.
Chandrasekhar
,
J. D.
Madura
,
R. W.
Impey
, and
M. L.
Klein
,
J. Chem. Phys.
79
,
926
(
1983
).
51.
D.
Beglov
and
B.
Roux
,
J. Chem. Phys.
100
,
9050
(
1994
).
52.
V. M.
Anisimov
,
G.
Lamoureux
,
I. V.
Vorobyov
,
N.
Huang
,
B.
Roux
, and
A. D.
MacKerell
,
J. Chem. Theory Comput.
1
,
153
(
2005
);
[PubMed]
G.
Lamoureux
and
B.
Roux
,
J. Chem. Phys.
119
,
3025
(
2003
).
53.
I. V.
Vorobyov
,
V. M.
Anisimov
, and
A. D.
MacKerell
,
J. Phys. Chem. B
109
,
18988
(
2005
).
54.
G.
Lamoureux
,
E.
Harder
,
I. V.
Vorobyov
,
B.
Roux
, and
A. D.
MacKerell
,
Chem. Phys. Lett.
418
,
245
(
2006
).
55.
T.
Simonson
, in
Computational Biochemistry and Biophysics
, edited by
O. M.
Becker
,
A. D.
MacKerell
, Jr.
,
B.
Roux
, and
M.
Watanabe
(
Dekker
,
New York
,
2001
), p.
169
.
56.
Y. Q.
Deng
and
B.
Roux
,
J. Phys. Chem. B
108
,
16567
(
2004
).
57.
M. A.
Wilson
and
A.
Pohorille
,
J. Am. Chem. Soc.
116
,
1490
(
1994
).
58.
M. A.
Kastenholz
and
P. H.
Hunenberger
,
J. Chem. Phys.
124
,
124106
(
2006
).
59.
B.
Yang
,
D. E.
Sullivan
,
B.
Tjiptomargo
, and
C. G.
Gray
,
J. Phys.: Condens. Matter
3
,
F109
(
1991
).
60.
B. A.
Pethica
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
9
,
6253
(
2007
).
61.
A.
Aksimentiev
and
K.
Schulten
,
Biophys. J.
88
,
3745
(
2005
).
63.
J. B.
Foresman
,
T. A.
Keith
,
K. B.
Wiberg
,
J.
Snoonian
, and
M. J.
Frisch
,
J. Phys. Chem.
100
,
16098
(
1996
).
64.
I. E.
Craven
,
M. R.
Hesling
,
D. R.
Laver
,
P. B.
Lukins
,
G. L. D.
Ritchie
, and
J.
Vrbancich
,
J. Phys. Chem.
93
,
627
(
1989
).
65.
D. S.
Cerutti
,
N. A.
Baker
, and
J. A.
McCammon
,
J. Chem. Phys.
127
,
155101
(
2007
);
[PubMed]
M. A.
Kastenholz
and
P. H.
Hunenberger
,
J. Chem. Phys.
124
,
224501
(
2006
).
[PubMed]
66.
S. M.
Kathmann
,
I. F. W.
Kuo
, and
C. J.
Mundy
,
J. Am. Chem. Soc.
130
,
16556
(
2008
).
67.
M. A.
Wilson
and
A.
Pohorille
,
J. Chem. Phys.
95
,
6005
(
1991
);
[PubMed]
D. P.
Tieleman
,
K. M.
Robertson
,
J. L.
Maccallum
, and
L.
Monticelli
,
Int. J. Quantum Chem.
100
,
1071
(
2004
);
A.
Pohorille
and
M. A.
Wilson
,
Cell. Mol. Biol. Lett.
6
,
369
(
2001
).
68.
I. V.
Khavrutskii
,
A. A.
Gorfe
,
B. Z.
Lu
, and
J. A.
McCammon
,
J. Am. Chem. Soc.
131
,
1706
(
2009
).
69.
I. V.
Vorobyov
,
B.
Bekker
, and
T. W.
Allen
, “
The electrostatics of deformable lipid membranes
,”
Biophys. J.
(in press).
70.
E.
Harder
,
A. D.
MacKerell
, and
B.
Roux
,
J. Am. Chem. Soc.
131
,
2760
(
2009
).
71.
S. W. I.
Siu
,
R.
Vacha
,
P.
Jungwirth
, and
R. A.
Bockmann
,
J. Chem. Phys.
128
,
125103
(
2008
).
72.
S.
Dorairaj
and
T. W.
Allen
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
104
,
4943
(
2007
).
73.
G. L.
Warren
and
S.
Patel
,
J. Phys. Chem. C
112
,
7455
(
2008
).
74.
L. B.
Li
,
I.
Vorobyov
, and
T. W.
Allen
,
J. Phys. Chem. B
112
,
9574
(
2008
);
[PubMed]
M. A.
Wilson
and
A.
Pohorille
,
J. Am. Chem. Soc.
118
,
6580
(
1996
).
[PubMed]

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.