Поправки к электрической емкости деформированной липидной мембраны

Обложка

Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

Толщина липидной мембраны является ее существенной характеристикой. Обычно толщина липидного бислоя экспериментально определяется по измерениям его электрической емкости в приближении плоскопараллельного конденсатора. Однако мембраны, сформированные из смеси липидов либо содержащие деформирующие мембранные включения, латерально неоднородны, и для них приближение плоскопараллельного конденсатора, вообще говоря, не выполняется. В настоящей работе были численно рассчитаны поправки к электрической емкости, возникающие вследствие деформации липидной мембраны. Показано, что модель плоского конденсатора (или их параллельного соединения), в общем случае, количественно не описывает эти поправки вследствие ненулевой тангенциальной компоненты напряженности электрического поля. Показано, что относительное отклонение поправок к электрической емкости, рассчитываемых в различных упрощенных моделях, от точного решения может достигать 50%.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

О. В. Кондрашов

Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: akimov_sergey@mail.ru
Россия, 119071, Москва

С. А. Акимов

Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН

Email: akimov_sergey@mail.ru
Россия, 119071, Москва

Список литературы

  1. Evans E., Heinrich V., Ludwig F., Rawicz W. 2003. Dynamic tension spectroscopy and strength of biomembranes. Biophys. J. 85, 2342–2350.
  2. Evans E., Smith B.A. 2011. Kinetics of hole nucleation in biomembrane rupture. New J. Phys. 13, 095010.
  3. Rawicz W., Olbrich K.C., McIntosh T., Needham D., Evans E. 2000. Effect of chain length and unsaturation on elasticity of lipid bilayers. Biophys. J. 79, 328–339.
  4. Akimov S.A., Molotkovsky R.J., Kuzmin P.I., Galimzyanov T.R., Batishchev O.V. 2020. Continuum models of membrane fusion: Evolution of the theory. Int. J. Mol. Sci. 21, 3875.
  5. Карпунин Д.В., Акимов С.А., Фролов В.А. 2005. Формирование пор в плоских липидных мембранах, содержащих лизолипиды и холестерин. Биол. мембраны 22, 429–432.
  6. Golani G., Leikina E., Melikov K., Whitlock J.M., Gamage D.G., Luoma-Overstreet G., Millay D.P., Kozlov M.M., Chernomordik L.V. 2021. Myomerger promotes fusion pore by elastic coupling between proximal membrane leaflets and hemifusion diaphragm. Nature Comm. 12, 495.
  7. Кондрашов О.В., Акимов С.А. 2022. Латеральное взаимодействие цилиндрических трансмембранных пептидов в одномерном приближении. Биол. мембраны 39, 186–194.
  8. Kondrashov O.V., Galimzyanov T.R., Pavlov K.V., Kotova E.A., Antonenko Y.N., Akimov S.A. 2018. Membrane elastic deformations modulate gramicidin A transbilayer dimerization and lateral clustering. Biophys. J. 115, 478–493.
  9. Lundbæk J.A., Andersen O.S. 1999. Spring constants for channel-induced lipid bilayer deformations estimates using gramicidin channels. Biophys. J. 76, 889–895.
  10. Pan J., Tieleman D.P., Nagle J.F., Kučerka N., Tristram-Nagle S. 2009. Alamethicin in lipid bilayers: Combined use of X-ray scattering and MD simulations. Biochim. Biophys. Acta. 1788, 1387–1397.
  11. Сухарев С., Анишкин А. 2023. Механочувствительные каналы: история, многообразие, механизмы. Биол. мембраны 40 (1), 19–42.
  12. Heftberger P., Kollmitzer B., Rieder A.A., Amenitsch H., Pabst G. 2015. In situ determination of structure and fluctuations of coexisting fluid membrane domains. Biophys. J. 108, 854–862.
  13. Pfeffermann J., Eicher B., Boytsov D., Hannesschlaeger C., Galimzyanov T.R., Glasnov T.N., Pabst G., Akimov S.A., Pohl P. 2021. Photoswitching of model ion channels in lipid bilayers. J. Photochem. Photobiol. B224, 112320.
  14. Peng C., Song S., Fort T. 2006. Study of hydration layers near a hydrophilic surface in water through AFM imaging. Surface and Interface Analysis 38, 975–980.
  15. Higgins M.J., Polcik M., Fukuma T., Sader J.E., Nakayama Y., Jarvis S.P. 2006. Structured water layers adjacent to biological membranes. Biophys. J. 91, 2532–2542.
  16. Montal M., Mueller P. 1972. Formation of bimolecular membranes from lipid monolayers and a study of their electrical properties. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 69, 3561–3566.
  17. Benz R., Fröhlich O., Läuger P., Montal M. 1975. Electrical capacity of black lipid films and of lipid bilayers made from monolayers. Biochim. Biophys. Acta. 394, 323–334.
  18. Saitov A., Akimov S.A., Galimzyanov T.R., Glasnov T., Pohl P. 2020. Ordered lipid domains assemble via concerted recruitment of constituents from both membrane leaflets. Phys. Rev. Lett. 124, 108102.
  19. Сойбельман Я.С. 1984. Асимптотика емкости конденсатора с пластинами произвольной формы. Сибирск. математ. журн. 25, 167–181.
  20. Семахин А.Н., Шнеерсон Г.А. 1990. К расчету главной части поправки к конденсаторной емкости между двумя проводниками, разделенными малым зазором. Журн. технич. физики 60, 5–12.
  21. Cherepanov D.A., Feniouk B.A., Junge W., Mulkidjanian A.Y. 2003. Low dielectric permittivity of water at the membrane interface: Effect on the energy coupling mechanism in biological membranes. Biophys. J. 85, 1307–1316.
  22. Merla C., Liberti M., Apollonio F., d’Inzeo G. 2009. Quantitative assessment of dielectric parameters for membrane lipid bi‐layers from RF permittivity measurements. Bioelectromagnetics 30, 286–298.
  23. Beaven A.H., Maer A.M., Sodt A.J., Rui H., Pastor R.W., Andersen O.S., Im W. 2017. Gramicidin A channel formation induces local lipid redistribution I: Experiment and simulation. Biophys. J. 112, 1185–1197.
  24. García-Sáez A.J., Chiantia S., Schwille P. 2007. Effect of line tension on the lateral organization of lipid membranes. J. Biol. Chem. 282, 33537–33544.
  25. Sodt A.J., Venable R.M., Lyman E., Pastor R.W. 2016. Nonadditive compositional curvature energetics of lipid bilayers. Phys. Rev. Lett. 117, 138104.
  26. Leikin S., Kozlov M.M., Fuller N.L., Rand R.P. 1996. Measured effects of diacylglycerol on structural and elastic properties of phospholipid membranes. Biophys. J. 71, 2623–2632.
  27. Reddy A.S., Warshaviak D.T., Chachisvilis M. 2012. Effect of membrane tension on the physical properties of DOPC lipid bilayer membrane. Biochim. Biophys. Acta. 1818, 2271–2281.
  28. Rinia H.A., Snel M.M., van der Eerden J.P., de Kruijff B. 2001. Visualizing detergent resistant domains in model membranes with atomic force microscopy. FEBS Lett. 501, 92–96.
  29. Saslowsky D.E., Lawrence J., Ren X., Brown D.A., Henderson R.M., Edwardson J.M. 2002. Placental alkaline phosphatase is efficiently targeted to rafts in supported lipid bilayers. J. Biol. Chem. 277, 26966–26970.
  30. Kim T., Lee K.I., Morris P., Pastor R.W., Andersen O.S., Im W. 2012. Influence of hydrophobic mismatch on structures and dynamics of gramicidin A and lipid bilayers. Biophys. J. 102, 1551–1560.
  31. Huang H.W. 1986. Deformation free energy of bilayer membrane and its effect on gramicidin channel lifetime. Biophys. J. 50, 1061–1070.
  32. Лаврентьев М.А., Шабат Б.В. 1987. Методы теории функции комплексной переменной. М.: Наука.
  33. Кондрашов О.В., Акимов С.А. 2022. Латеральное взаимодействие цилиндрических трансмембранных пептидов в одномерном приближении. Биол. мембраны 39, 186–194.
  34. Кондрашов О.В., Акимов С.А. 2022. Возможность формирования пор в липидных мембранах несколькими молекулами амфипатических пептидов. Биол. мембраны 39, 384–397.
  35. Pinigin K.V., Kondrashov O.V., Jiménez-Munguía I., Alexandrova V.V., Batishchev O.V., Galimzyanov T.R., Akimov S.A. 202. Elastic deformations mediate interaction of the raft boundary with membrane inclusions leading to their effective lateral sorting. Sci. Rep. 10, 4087.
  36. Bohinc K., Kralj-Iglič V., May S. 2003. Interaction between two cylindrical inclusions in a symmetric lipid bilayer. J. Chem. Phys. 119, 7435–7444.
  37. Zemel A., Ben-Shaul A., May S. 2005. Perturbation of a lipid membrane by amphipathic peptides and its role in pore formation. Eur. Biophys. J. 34, 230–242.
  38. Nielsen C., Goulian M., Andersen O.S. 1998. Energetics of inclusion-induced bilayer deformations. Biophys. J. 74, 1966–1983.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Зависимость нормированного электрического потенциала u/u0 от пространственных координат r, z в цилиндрической системе координат при Δh = 0.5 нм, σ = 1 нм. Черный контур, граничащий с белыми полями сверху и снизу рисунка, соответствует форме поверхностей верхнего и нижнего монослоев мембраны, определяемой соотношениями (3).

Скачать (206KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Зависимость от Δh, σ поправок к электрической емкости, возникающих за счет деформаций мембраны, описываемых уравнением (3): а – точное решение ∆С; б – приближенное решение ∆С1 (приближение усредненной толщины (6)); в – приближенное решение ∆С2 (приближение усредненной обратной толщины (7)).

Скачать (445KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Относительная погрешность приближений: а – приближение усредненной толщины (6); б – приближение усредненной обратной толщины (7). Белой прямой Δh = 0 обозначен разрыв первого рода, возникающий вследствие того, что в недеформированной мембране (Δh = 0) поправка к емкости равна нулю (ΔC = 0).

Скачать (268KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024

Данный сайт использует cookie-файлы

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

О куки-файлах