Модель диффузии липидов в цитоплазматических мембранах
- Авторы: Мокрушников П.В1, Рудяк В.Я1,2,3
-
Учреждения:
- Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин)
- Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН
- Новосибирский государственный университет
- Выпуск: Том 68, № 1 (2023)
- Страницы: 41-56
- Раздел: Статьи
- URL: https://journals.rcsi.science/0006-3029/article/view/144403
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0006302923010052
- EDN: https://elibrary.ru/NZMXGY
- ID: 144403
Цитировать
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 университетНовосибирск, Россия
Список литературы
- K. Suzuki, K. Ritchie, E. Kajikawa, et al., Biophys. J., 88 (5), 3659 (2005).
- R. G. Parton and M. A. del Pozo, Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 14 (2), 98 (2013).
- P.G. Saffman, M. Delbrück, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 72, 3111 (1975).
- E. P. Petrov and P. Schwille, Biophys. J., 94 (5), 45 (2008).
- П. В. Мокрушников, Л. Е. Панин, В. Е. Панин и др., Структурные переходы в мембранах эритроцитов (экспериментальные и теоретические модели) (НГАСУ, Новосибирск, 2019).
- T. Fujiwara, K. Ritchie, H. Murakoshi, et al., J. Cell Biol., 157 (6), 1071 (2002).
- T. K. Fujiwara, K. Iwasawa, Z. Kalay, et al., Mol. Biol. Cell, 27 (7), 1101 (2016).
- P. F. Lenne, L. Wawrezinieck, F. Conchonaud, et al., EMBO J., 25 (14), 3245 (2006).
- A. Honigmann, S. Sadeghi, J. Keller, et al., Elife, 3, e01671 (2014).
- M. Renner, Y. Domanov, F. Sandrin, et al., PLoS One, 6 (9), e25731 (2011).
- A. Einstein, Annal. Der Physik, 322(8), 549 (1905).
- K. Ayscough, Methods Enzymol., 298,18 (1998).
- G. I. Mashanov, T. A. Nenasheva, A. Mashanova, et al., Faraday Discuss., 232, 358 (2021).
- M. N. Costa, K. Radhakrishnan, and J. S. Edwards, J. Biotechnol., 151 (3), 261 (2011).
- Y. A. Domanov, S. Aimon, G. E. S. Toombes, et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 108 (31), 12605 (2011).
- O. A. Dvoretskaya and P. S. Kondratenko, J. Exp. Theor. Physics, 116, 698 (2013).
- P. S. Kondratenko and A. L. Matveev, J. Exp. Theor. Physics, 157 (4), 703 (2020).
- G. J. Wang and N. G. Hadjiconstantinou, Langmure, 34 (23), 6976 (2018).
- V. Andryushchenko and V. Rudyak, Defect and Diffusion Forum 312-315, 417 (2011).
- 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).
- В. Я. Рудяк, Статистическая аэрогидромеханика гомогенных и гетерогенных сред. Т. 2. Гидромеханика (НГАСУ. Новосибирск, 2005).
- S. J. Singer and G. L. Nicolson, Science, 175, 720 (1972).
- G. L. Nicolson, Biochim. Biophys. Acta, 457 (1), 57 (1976).
- P. V. Mokrushnikov, in Lipid Bilayers: Properties, Behavior and Interactions, Ed. by M. Ashrafuzzaman (Nova Science Publishers, NY, 2019), pp. 43-91.
- J. Morel, S. Claverol, S. Mongrand, et al, Mol. Cell Proteomics, 5 (8), 1396 (2006).
- S.-C. Liu, L. H. Derick, J. Palek, Journal of cell biology 104, 527 (1987).
- L. E. Panin, P. V. Mokrushnikov, V. G. Kunitsyn, and B. N. Zaitsev, J. Phys. Chem. B, 114, 9462 (2010).
- L. E. Panin, P. V. Mokrushnikov, V. G. Kunitsyn, and B. N. Zaitsev, J. Phys. Chem. B, 115, 14969 (2011).
- V. Yа. Rudyak and A. A. Belkin, Doklady Physics, 59, 604 (2014).
- V. Yа. Rudyak and A. A. Belkin, Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics 6 (3), 366 (2015).
- V. Yа. Rudyak and A. A. Belkin, Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics 9 (3), 349 (2018).
- Л. Е. Панин, П. В. Мокрушников, Вестн. Новосибирского гос. пед. ун-та, 5 (15), 101 (2013).
- P. V. Mokrushnikov, A. N. Dudarev, T. A. Tkachenko, et al., Biochemistry (Moscow). Suppl. Ser. A: Membrane and Cell Biology, 11 (1), 48 (2017).
- L. E. Panin, P. V. Mokrushnikov, V. G. Kunitsyn, et al., Phys. Mesomechanics, 14 (3-4), 167 (2011).
- P. V. Mokrushnikov, L. E. Panin, N. S. Doronin, et al., Biophysics, 56 (6), 1074 (2011).
- P. V. Mokrushnikov, Biophysics, 65 (1), 65 (2020).
- A. I. Kozelskaya, A. V. Panin, I. A. Khlusov, et al, Toxicol. in Vitro, 37, 34 (2016).
- P. V. Mokrushnikov, J. Physics: Conf. Ser. The Conf. Proc. STS35 (Kutateladze Institute of Thermophysics, Sib. Branch of the RAS), 012161 (2019).
- P. V. Mokrushnikov, E. V. Lezhnev, and V. Ya. Rudyak, AIP Conf. Proc., 2351, 040054 (2021).
- P. V. Mokrushnikov, V. Ya. Rudyak, and E. V. Lezhnev, Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics, 12 (1), 22 (2021).
- L. E. Panin and P. V. Mokrushnikov, Biophysics, 59 (1), 127 (2014).
- P. V. Mokrushnikov, L. E. Panin, and B. N. Zaitsev, Gen. Physiol. Biophys., 34 (3), 311 (2015).
- P. V. Mokrushnikov, Biophysics, 62 (2), 256 (2017).
- Л. Е. Панин, П. В. Мокрушников, Р. А. Князев и др., Атеросклероз, 6, 12 (2012).
- В. Г. Куницын, П. В. Мокрушников, Л. Е. Панин, Бюл. Сибирского отделения РАМН, 5 (127), 28 (2007).
- П. В. Мокрушников, Бюл. Сибирского отделения РАМН, 1 (147), 38 (2010).
- О. Н. Потеряева, Г. С. Русских, П. В. Мокрушников. Вестн. Уральской мед. акад. науки, 48 (2), 149 (2014).
- П. В. Мокрушников, Л. П. Осипова, Т. В. Гольцова и А. А. Розуменко, Якутский мед. журн. 54 (2), 15 (2016).