Модель диффузии липидов в цитоплазматических мембранах

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Представлена аналитическая модель латеральной диффузии липидов в неоднородных нативных цитоплазматических мембранах. Методом Фурье-преобразования решено уравнение диффузии для функции распределения липидов по координатам в периодически-неоднородной мембране, в которой коэффициент диффузии описывается гармонической функцией от координат. Показано, что в мембране существует адвекция-диффузия. Модель объясняет наблюдавшиеся ранее экспериментально различные виды диффузии липидов появлением в мембране в результате структурных переходов периодически расположенных неподвижных белок-липидных доменов, связанных со спектрин-актин-анкириновой сетью. Если эти домены одинаковые, то в экспериментах можно наблюдать супер- и субдиффузию, когда среднеквадратичное смещение липидов нелинейно зависит от времени, а их среднее смещение равно нулю. Дрейфовый снос при адвекции меньше хаотического броуновского перемещения липидов, адвекция в эксперименте не наблюдается. В случае, когда не все мембранные белки, связанные со спектрин-актин-анкириновой сетью, одинаково меняют свою конформацию при взаимодействии с лигандами, в мембране возникают две периодические подрешетки неоднородностей из неподвижных белок-липидных доменов вокруг мембранных белков, связанных с цитоскелетом и вложенных одна в другую. В этом случае в экспериментах может наблюдаться хмелевая диффузия, когда периоды нелинейной диффузии молекул сменяются периодами адвекции-диффузии, при которой среднее смещение молекул не равно нулю. Адвекция носит локальный характер и возникает около отдельных белок-липидных доменов. В работе аналитически получены критерии, при которых в периодически-неоднородной мембране экспериментально наблюдается хмелевая диффузия.

Об авторах

П. В Мокрушников

Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин)

Email: pavel.mokrushnikov@bk.ru
Новосибирск, Россия

В. Я Рудяк

Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин);Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН;Новосибирский государственный университет

Новосибирск, Россия

Список литературы

  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).

© Российская академия наук, 2023

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах