Model of lipid diffusion in cytoplasmic membranes

封面

如何引用文章

全文:

开放存取 开放存取
受限制的访问 ##reader.subscriptionAccessGranted##
受限制的访问 订阅存取

详细

An analytical model of lateral lipid diffusion in heterogeneous native cytoplasmic membranes is presented. The Fourier transform method was used to solve the diffusion equation for the coordinate distribution function of lipids in a periodically inhomogeneous membrane, in which the diffusion coefficient is described by a harmonic function of the coordinates. It is shown that advection and diffusion are present in membrane. The model explains different types of lipid diffusion in membrane observed previously in experiments as a result of structural transitions of periodically located fixed protein-lipid domains associated with the spectrin-actin-ankyrin network. If these domains are the same, then super- and subdiffusion can be seen in experiments, when the mean square displacement of lipids depends non-linearly on time, and their average displacement is zero. Drift during advection was less than the chaotic Brownian displacement of lipids, advection was not observed in the experiment. When not all membrane proteins associated with the spectrin-actin-ankyrin network undergo conformational change in the same way upon ligand binding, two periodic sublattices of inhomogeneities arise in the membrane from fixed protein-lipid domains around membrane proteins associated with the cytoskeleton and nested in one another. In this case, hop diffusion can be found in experiments, when periods of nonlinear diffusion of molecules are replaced by periods of advection-diffusion, in which the average displacement of molecules is not zero. Advection is local in nature and occurs near individual protein-lipid domains. In the presented work, criteria are analytically obtained under which hop diffusion is experimentally observed in a periodically inhomogeneous membrane.

作者简介

P. Mokrushnikov

Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering (SIBSTRIN)

Email: pavel.mokrushnikov@bk.ru
Novosibirsk, Russia

V. Rudyak

Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering (SIBSTRIN);Kutateladze Institute of Thermophysics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences;Novosibirsk State University

Novosibirsk, Russia

参考

  1. K. Suzuki, K. Ritchie, E. Kajikawa, et al., Biophys. J., 88 (5), 3659 (2005).
  2. R. G. Parton and M. A. del Pozo, Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 14 (2), 98 (2013).
  3. P.G. Saffman, M. Delbrück, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 72, 3111 (1975).
  4. E. P. Petrov and P. Schwille, Biophys. J., 94 (5), 45 (2008).
  5. П. В. Мокрушников, Л. Е. Панин, В. Е. Панин и др., Структурные переходы в мембранах эритроцитов (экспериментальные и теоретические модели) (НГАСУ, Новосибирск, 2019).
  6. T. Fujiwara, K. Ritchie, H. Murakoshi, et al., J. Cell Biol., 157 (6), 1071 (2002).
  7. T. K. Fujiwara, K. Iwasawa, Z. Kalay, et al., Mol. Biol. Cell, 27 (7), 1101 (2016).
  8. P. F. Lenne, L. Wawrezinieck, F. Conchonaud, et al., EMBO J., 25 (14), 3245 (2006).
  9. A. Honigmann, S. Sadeghi, J. Keller, et al., Elife, 3, e01671 (2014).
  10. M. Renner, Y. Domanov, F. Sandrin, et al., PLoS One, 6 (9), e25731 (2011).
  11. A. Einstein, Annal. Der Physik, 322(8), 549 (1905).
  12. K. Ayscough, Methods Enzymol., 298,18 (1998).
  13. G. I. Mashanov, T. A. Nenasheva, A. Mashanova, et al., Faraday Discuss., 232, 358 (2021).
  14. M. N. Costa, K. Radhakrishnan, and J. S. Edwards, J. Biotechnol., 151 (3), 261 (2011).
  15. Y. A. Domanov, S. Aimon, G. E. S. Toombes, et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 108 (31), 12605 (2011).
  16. O. A. Dvoretskaya and P. S. Kondratenko, J. Exp. Theor. Physics, 116, 698 (2013).
  17. P. S. Kondratenko and A. L. Matveev, J. Exp. Theor. Physics, 157 (4), 703 (2020).
  18. G. J. Wang and N. G. Hadjiconstantinou, Langmure, 34 (23), 6976 (2018).
  19. V. Andryushchenko and V. Rudyak, Defect and Diffusion Forum 312-315, 417 (2011).
  20. V. A. Andryushchenko and V. Ya. Rudyak, Reports of the Academy of Sciences of the Higher School of the Russian Federation, 2 (15), 6 (2010).
  21. В. Я. Рудяк, Статистическая аэрогидромеханика гомогенных и гетерогенных сред. Т. 2. Гидромеханика (НГАСУ. Новосибирск, 2005).
  22. S. J. Singer and G. L. Nicolson, Science, 175, 720 (1972).
  23. G. L. Nicolson, Biochim. Biophys. Acta, 457 (1), 57 (1976).
  24. P. V. Mokrushnikov, in Lipid Bilayers: Properties, Behavior and Interactions, Ed. by M. Ashrafuzzaman (Nova Science Publishers, NY, 2019), pp. 43-91.
  25. J. Morel, S. Claverol, S. Mongrand, et al, Mol. Cell Proteomics, 5 (8), 1396 (2006).
  26. S.-C. Liu, L. H. Derick, J. Palek, Journal of cell biology 104, 527 (1987).
  27. L. E. Panin, P. V. Mokrushnikov, V. G. Kunitsyn, and B. N. Zaitsev, J. Phys. Chem. B, 114, 9462 (2010).
  28. L. E. Panin, P. V. Mokrushnikov, V. G. Kunitsyn, and B. N. Zaitsev, J. Phys. Chem. B, 115, 14969 (2011).
  29. V. Yа. Rudyak and A. A. Belkin, Doklady Physics, 59, 604 (2014).
  30. V. Yа. Rudyak and A. A. Belkin, Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics 6 (3), 366 (2015).
  31. V. Yа. Rudyak and A. A. Belkin, Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics 9 (3), 349 (2018).
  32. Л. Е. Панин, П. В. Мокрушников, Вестн. Новосибирского гос. пед. ун-та, 5 (15), 101 (2013).
  33. P. V. Mokrushnikov, A. N. Dudarev, T. A. Tkachenko, et al., Biochemistry (Moscow). Suppl. Ser. A: Membrane and Cell Biology, 11 (1), 48 (2017).
  34. L. E. Panin, P. V. Mokrushnikov, V. G. Kunitsyn, et al., Phys. Mesomechanics, 14 (3-4), 167 (2011).
  35. P. V. Mokrushnikov, L. E. Panin, N. S. Doronin, et al., Biophysics, 56 (6), 1074 (2011).
  36. P. V. Mokrushnikov, Biophysics, 65 (1), 65 (2020).
  37. A. I. Kozelskaya, A. V. Panin, I. A. Khlusov, et al, Toxicol. in Vitro, 37, 34 (2016).
  38. P. V. Mokrushnikov, J. Physics: Conf. Ser. The Conf. Proc. STS35 (Kutateladze Institute of Thermophysics, Sib. Branch of the RAS), 012161 (2019).
  39. P. V. Mokrushnikov, E. V. Lezhnev, and V. Ya. Rudyak, AIP Conf. Proc., 2351, 040054 (2021).
  40. P. V. Mokrushnikov, V. Ya. Rudyak, and E. V. Lezhnev, Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics, 12 (1), 22 (2021).
  41. L. E. Panin and P. V. Mokrushnikov, Biophysics, 59 (1), 127 (2014).
  42. P. V. Mokrushnikov, L. E. Panin, and B. N. Zaitsev, Gen. Physiol. Biophys., 34 (3), 311 (2015).
  43. P. V. Mokrushnikov, Biophysics, 62 (2), 256 (2017).
  44. Л. Е. Панин, П. В. Мокрушников, Р. А. Князев и др., Атеросклероз, 6, 12 (2012).
  45. В. Г. Куницын, П. В. Мокрушников, Л. Е. Панин, Бюл. Сибирского отделения РАМН, 5 (127), 28 (2007).
  46. П. В. Мокрушников, Бюл. Сибирского отделения РАМН, 1 (147), 38 (2010).
  47. О. Н. Потеряева, Г. С. Русских, П. В. Мокрушников. Вестн. Уральской мед. акад. науки, 48 (2), 149 (2014).
  48. П. В. Мокрушников, Л. П. Осипова, Т. В. Гольцова и А. А. Розуменко, Якутский мед. журн. 54 (2), 15 (2016).

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载

版权所有 © Russian Academy of Sciences, 2023

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».