Механика липидного бислоя - Lipid bilayer mechanics

Механика липидного бислоя это изучение физических свойств материала липидные бислои, классифицируя двухслойное поведение с стресс и напряжение а не биохимические взаимодействия. Локальные точечные деформации, такие как взаимодействия мембранных белков, обычно моделируются с помощью сложной теории биологические жидкие кристаллы но механические свойства гомогенного бислоя часто характеризуются только тремя механическими модули упругости: модуль расширения площади K_а, модуль изгиба K_б и крайняя энергия ${displaystyle Lambda }$. Для жидких бислоев модуль сдвига по определению равен нулю, поскольку свободная перегруппировка молекул внутри плоскости означает, что структура не будет выдерживать напряжения сдвига. Эти механические свойства влияют на несколько биологических процессов, опосредованных мембранами. В частности, значения K_а и K_б повлиять на способность белки и небольшие молекулы для вставки в бислой.^[1][2] Также было показано, что двухслойные механические свойства изменяют функцию механически активируемых ионные каналы.^[3]

Модуль расширения площади

Дальнейшая информация: Эластичность клеточных мембран

Смотрите также: Модуль упругости

Поскольку липидные бислои по существу представляют собой двумерную структуру, K_а обычно определяется только внутри плоскости. Интуитивно можно было ожидать, что этот модуль будет линейно изменяться в зависимости от толщины бислоя, как это было бы для тонкой пластины из изотропного материала. На самом деле это не так, и K_а слабо зависит от толщины бислоя. Причина этого в том, что липиды в жидком бислое легко перестраиваются, в отличие от объемного материала, где сопротивление расширению исходит от межмолекулярные связи, сопротивление расширению в бислое является результатом дополнительного гидрофобный область, подверженная воздействию воды при разрыве липидов.^[4] Основываясь на этом понимании, хорошее первое приближение K_а для монослоя 2γ, где гамма поверхностное натяжение границы раздела вода-липид. Обычно гамма находится в диапазоне 20-50 мДж / м².^[5] Для расчета K_а для бислоя необходимо умножить значение монослоя на два, так как бислой состоит из двух листочков монослоя. На основе этого расчета оценка K_а для липидного бислоя должно быть 80-200 мН / м (примечание: Н / м эквивалентно Дж / м²). При таком понимании задействованных сил неудивительно, что исследования показали, что K_а сильно меняется в зависимости от условий решения^[6] но слабо с длиной хвоста и ненасыщенностью.^[7]

Модуль сжатия трудно измерить экспериментально из-за тонкой, хрупкой природы бислоев и, как следствие, малых сил. Один из используемых методов заключался в изучении того, как везикулы набухают в ответ на осмотический стресс. Однако этот метод является непрямым, и измерения могут быть нарушены полидисперсностью размера везикул.^[6] Более прямой метод измерения K_а это метод аспирации пипеткой, при котором один гигантский однослойный пузырек (GUV) удерживается и растягивается с помощью микропипетка.^[8] Совсем недавно атомно-силовая микроскопия (АСМ) была использована для исследования механических свойств подвешенных двухслойных мембран,^[9] но этот метод все еще находится в стадии разработки.

Одной из проблем всех этих методов является то, что, поскольку бислой представляет собой такую ​​гибкую структуру, в мембране существуют значительные тепловые флуктуации на многих масштабах длины, вплоть до субмикроскопических. Таким образом, силы, первоначально приложенные к ненапряженной мембране, на самом деле не изменяют липидную упаковку, а скорее «сглаживают» эти неровности, что приводит к ошибочным значениям механических свойств.^[7] Это может быть серьезным источником ошибок. Без термической коррекции типичные значения Ka составляют 100-150 мН / м, а с термической коррекцией это значение изменится до 220-270 мН / м.

Модуль изгиба

Смотрите также: Балка (конструкция)

Модуль изгиба определяется как энергия, необходимая для деформации мембраны от ее естественной кривизны до некоторой другой кривизны. Для идеального бислоя собственная кривизна равна нулю, поэтому это выражение несколько упрощено. Модуль изгиба, модуль сжатия и толщина бислоя связаны соотношением ${displaystyle K_{b}=K_{a}t^{2}}$ так что, если известны два из этих параметров, другой может быть вычислен. Это соотношение проистекает из того факта, что для изгиба внутренняя поверхность должна быть сжата, а внешняя - растянута.^[4] Чем толще мембрана, тем сильнее должна деформироваться каждая грань, чтобы приспособиться к заданной кривизне (см. изгибающий момент ). Многие значения K_а в литературе фактически были рассчитаны из экспериментально измеренных значений K_б и т. Это соотношение справедливо только для небольших деформаций, но это обычно хорошее приближение, поскольку большинство липидных бислоев могут выдерживать лишь несколько процентов деформации перед разрывом.^[10]

Поперечный разрез структур, которые могут быть образованы фосфолипидами в водных растворах.

Кривизна

Только определенные классы липидов могут образовывать бислои. Два фактора в первую очередь определяют, будет ли липид образовывать бислой или нет: растворимость и форма. Для образования самоорганизующейся структуры, такой как бислой, липид должен иметь низкую растворимость в воде, которую также можно описать как низкую. критическая концентрация мицелл (CMC).^[5] Выше CMC молекулы будут агрегироваться и образовывать более крупные структуры, такие как бислои, мицеллы или инвертированные мицеллы.

Основным фактором, определяющим структуру данного липида, является его форма (то есть его собственная кривизна).^[4] Собственная кривизна определяется отношением диаметра головной группы к диаметру хвостовой группы. Для двустороннего ПК липидов, это соотношение почти равно единице, так что собственная кривизна почти равна нулю. Другие головные группы, такие как PS и PE меньше, и полученные диацильные (двусторонние) липиды, таким образом, имеют отрицательную внутреннюю кривизну. Лизолипиды, как правило, имеют положительную спонтанную кривизну, потому что они имеют один, а не два алкил цепочки в хвостовой части. Если конкретный липид имеет слишком большое отклонение от нулевой собственной кривизны, он не будет образовывать бислой.

Edge Energy

Схема, показывающая две возможные конформации липидов на краю поры. На верхнем изображении липиды не перегруппировались, поэтому стенка поры гидрофобна. На нижнем изображении некоторые из липидных головок наклонены, поэтому стенка поры гидрофильна.

Краевая энергия - это энергия на единицу длины свободного края, контактирующего с водой. Это можно рассматривать как работу, необходимую для создания дыры в бислое единичной длины L. Источником этой энергии является тот факт, что создание такой границы раздела приводит к тому, что некоторые липидные хвосты подвергаются воздействию воды, что неблагоприятно. ${displaystyle Lambda }$ также является важным параметром в биологических явлениях, поскольку он регулирует свойства самовосстановления бислоя после электропорации или механической перфорации клеточной мембраны.^[8] К сожалению, это свойство сложно одновременно измерить экспериментально и рассчитать. Одна из основных трудностей при расчетах заключается в том, что структурные свойства этой кромки неизвестны. Простейшей моделью было бы отсутствие изменения ориентации бислоя, при котором видна вся длина хвоста. Это высокоэнергетическая конформация, и для стабилизации этого края вполне вероятно, что некоторые липиды перестраивают свои головные группы, чтобы указать на изогнутую границу.^{[нужна цитата ]} Степень, в которой это происходит, в настоящее время неизвестна, и есть некоторые свидетельства того, что как гидрофобные (хвосты прямые), так и гидрофильные (головы изогнуты вокруг) могут сосуществовать.^[11]

использованная литература

1. Гарсия М. Л. "Ионные каналы: ожидания ворот". Природа. 430. (2004) 153-155.
2. Макинтош Т. Дж. И Саймон С. А. "Роль свойств двухслойного материала в функции и распределении мембранных белков". Анну. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 35. (2006) 177–198.
3. Т. М. Сучина, С. Е. Лента, Р. Е. Коппе, О. С. Андерсен, Ф. Сакс и П. А. Готтлиб. «Двухслойное ингибирование механочувствительных каналов нейроактивными пептидными энантиомерами». Природа. 6996. (2004) 235-240.
4. Д. Боал, "Механика клетки". 2002, Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета.
5. Исраэлачвили Дж., Межмолекулярные и поверхностные силы. 2-е изд. 2002: Academic Press.
6. Рутковски К. А., Уильямс Л. М., Хейнс Т. Х. и Камминс Х. З. «Эластичность синтетических фосфолипидных везикул, полученных с помощью фотонной корреляционной спектроскопии». Биохимия. 30. (1991) 5688-5696.
7. W. Rawicz, K. C. Olbrich, T. McIntosh, D. Needham и E. Evans. "Влияние длины цепи и ненасыщенности на эластичность липидных бислоев". Биофизический журнал. 79. (2000) 328-39.
8. Эванс, В. Генрих, Ф. Людвиг и В. Равич «Спектроскопия динамического напряжения и прочность биомембран». Биофизический журнал. 85. (2003) 2342-2350.
9. С. Стелтенкамп, М. М. Мюллер, М. Дезерно, К. Хеннесталь, К. Стейнем и А. Яншофф «Механические свойства пронизывающих поры липидных бислоев, исследованные с помощью атомно-силовой микроскопии». Биофизический журнал. 91. (2006) 217-226.
10. Ф. Р. Халлет, Дж. Марш, Б. Г. Никель и Дж. М. Вуд. "Механические свойства везикул: II Модель осмотического набухания и лизиса". Биофизический журнал. 64. (1993) 435-442.
11. Уивер Дж., Чизмаджев Ю. А. "Теория электропорации: обзор" Биохимия и биоэнергетика. 41. (1996) 135-160.