Abstrakti
kolesteroli on tärkeässä roolissa fosfolipidikalvojen ominaisuuksien säätelyssä. Saadaksemme yksityiskohtaisen käsityksen lipidi-kolesteroli-vuorovaikutuksista olemme kehittäneet mesoskooppisen vesi-lipidi-kolesteroli-mallin. Tässä mallissa otetaan huomioon hydrofobinen-hydrofiilinen vuorovaikutus ja molekyylien rakenne. Laskemme dimyristoyylifosfatidyylikoliini-kolesterolin faasidiagrammin käyttämällä dissipatiivista hiukkasdynamiikkaa ja osoitamme, että mallimme ennustaa monia kokeellisesti havaittuja eri vaiheita. Kvantitatiivisessa yhteisymmärryksessä kokeellisten tietojen kanssa mallimme osoittaa myös tiivistymisvaikutuksen; kun kolesterolia lisätään, lipidikohtainen pinta-ala pienenee enemmän kuin ihanteelliselta sekoitukselta voisi odottaa. Laskelmamme osoittavat, että tämä vaikutus on maksimaalinen lähellä pääfaasitransitiolämpötilaa, alinta lämpötilaa, jossa kalvo on nestefaasissa, ja se liittyy suoraan tämän pääfaasitransitiolämpötilan nousuun kolesterolin lisäämisen jälkeen. Osoitamme, että tiivistymistä ei havaita, jos muutamme hieman kolesterolimolekyylin rakennetta lisäämällä ylimääräisen hydrofiilisen pääryhmän tai jos pienennämme kolesterolin hydrofobisen osan kokoa.
Asiasanat:
- biomembraani
- molekyylisimulaatio
- faasikäyttäytyminen
- dimyristoyylifosfatidyylikoliini
- mesoskooppinen malli
tässä artikkelissa käsitellään näennäisen yksinkertaista termodynaamista kysymystä: miten fosfolipidikalvon pinta-ala molekyyliä kohti muuttuu, jos lisäämme kolesterolia? Leathes (1) esitti tämän kysymyksen ensimmäisen kerran vuonna 1925, ja sitä käsitellään edelleen. Tämän kysymyksen merkitys liittyy suoraan kolesterolin merkitykseen korkeampien eukaryoottien kalvojen toiminnalle. Esimerkiksi kolesteroli säätelee kalvon juoksevuutta ja moduloi kalvoproteiinien toimintaa (2). Näiden mekanismien ymmärtäminen on motivoinut monia tutkijoita tutkimaan lipidi-kolesteroli-vuorovaikutuksia yksityiskohtaisesti. Koska kalvo voidaan nähdä 2D-nesteenä, ensimmäinen arvio siitä, miten molekyylikohtainen pinta-ala muuttuisi kolesterolin lisäämisen yhteydessä, olisi olettaa ihanteellinen sekoittuminen, jossa molekyylikohtainen pinta-ala on yksinkertaisesti puhtaiden komponenttien alueiden painotettu keskiarvo. Vuonna 1925 Leathes osoitti, että ideaalisen sekoittumisen sijaan havaitaan silmiinpistävää ei-ideaalista käyttäytymistä (1). Tätä nonideaalista käyttäytymistä kutsutaan kondensaatiovaikutukseksi (3), koska pinta-ala molekyyliä kohti on paljon pienempi verrattuna ideaaliseen sekoittumiseen. Koska kalvo käyttäytyy puristamattomana nesteenä, pieneneminen molekyyliä kohti johtaa vastaavaan merkitsevään kaksikerroksisen kokonaispaksuuden kasvuun. Tällainen paksuuden kasvu merkitsee kalvon rakenteen uudelleenjärjestelyä. Koska kalvon rakenteen muutoksilla voi olla merkittäviä vaikutuksia proteiinien toimintaan (2), on tärkeää ymmärtää paremmin kolesterolin aiheuttamia muutoksia molekyylitasolla.
on ehdotettu erilaisia käsitteellisiä malleja selittämään ei–ideaalisia kolesteroli-lipidi-yhteisvaikutuksia. Esimerkkejä ovat kondensoituneiden kompleksien malli (4, 5), superlattice-malli (6) ja sateenvarjomalli (7). Kondensoitumiskompleksimalli selittää tiivistymisvaikutuksen olettamalla, että kolesteroli indusoi stoikiometrisen kolesteroli–lipidikompleksin palautuvan muodostumisen. Tällaisessa kompleksissa kalvo tiivistyy, kun lipidiasyyliketjut ovat järjestyneempiä. Tietyllä kolesterolipitoisuudella näiden kondensoituneiden kolesteroli–lipidikompleksien ja tavallisten lipidien välillä on tasapainokoostumus. Superlattice-malli olettaa, että kriittisinä pitoisuuksina kolesterolimolekyyleillä on tietty pitkävaikutteinen järjestys. Sateenvarjomalli lähtee siitä, että kolesterolin hydrofiilinen osa on liian pieni ja siksi lipidien on osallistuttava kolesterolimolekyylien seulontaan hydrofobisista vuorovaikutuksista veden kanssa. Fosfolipidit voivat luoda tämän sateenvarjon vain, jos nämä molekyylit suoristuvat tehdäkseen tilaa kolesterolille. Näissä malleissa tiivistymiseen johtavat taustamekanismit ovat hyvin erilaiset. Mielenkiintoista on, että tuore kokeellinen tutkimus totesi, että heidän tietonsa tukivat kondensoituneita komplekseja (8), kun taas toinen joukko kokeita ei löytänyt mitään viitteitä kondensoituneista komplekseista ja tuki sateenvarjo-mallia (9). Nämä näkemyserot motivoivat meitä kehittämään mesoskooppisen mallin rasva-kolesteroli-vesijärjestelmästä. Käytimme molekyylisimulaatioita valottaaksemme kolesterolin lateraalista organisaatiota lipidikalvoissa ja taustalla olevia lipidi–kolesteroli-vuorovaikutuksia, jotka aiheuttavat kondensaatiovaikutuksen.
kirjallisuudessa on raportoitu useita molekyylisimulaatioita kokoatomisista ja karkearakeisista kolesterolimalleista lipidikaksikoissa (joitakin viimeaikaisia esimerkkejä, KS.viite. 10-13 ja viittaukset siihen). Ihannetapauksessa, yksi haluaisi käyttää all-atom simulaatiot tutkia tiivistymistä vaikutus yli suuri valikoima lämpötiloja ja koostumuksia. Tällä hetkellä nämä simulaatiot ovat kuitenkin liian aikaa vieviä. Siksi käytämme karkearakeista mallia,jossa tehokkuus saavutetaan integroimalla joitakin all-atom-mallin yksityiskohtia. Mallimme perustuu Kranenburgin ja työtovereiden (14, 15) malliin. Mallissa käytetään eksplisiittisiä vesimolekyylejä. Lipidit ja kolesteroli koostuvat hydrofiilisistä ja hydrofobisista hiukkasista (KS. 1). Tämä malli niputtaa atomiryhmät yhdeksi mesoskooppiseksi pseudoatomiksi. Intramolekulaarisia vuorovaikutuksia ovat muun muassa sidosvärähtelyt ja sidosten taivutus, joiden parametrit on optimoitu jäljittelemään yhden allatomisen fosfatidyylikoliinimolekyylin rakennetta vedessä. Hydrofiiliset ja hydrofobiset vuorovaikutukset kuvataan pehmeä-repulsiivisilla vuorovaikutuksilla, ja näiden vuorovaikutusten parametrit liittyvät liukoisuusparametreihin Grootin ja Rabonen kuvaamalla menetelmällä (16). Tämän mallin ajatuksena on, että kolesterolin ja fosfolipidien sekoittumisen tärkeimmät käyttövoimat ovat hydrofobiset ja hydrofiiliset vuorovaikutukset, mistä monet kokeelliset tutkimukset (7, 9, 17) ovat päätelleet. Meidän mallissamme pituuden yksikkö on suoraan verrannollinen pseudoatomin efektiiviseen kokoon eli yhden pseudoatomin tilavuus on 90 Å3. Energian yksikkö seuraa mesoskooppisten vesihiukkasten pehmeiden repulsioparametrien yhteensopivuudesta veden kokoonpuristuvuuteen ympäristön olosuhteissa. Mallien yksinkertaisuus vaatii näiden pehmeiden torjuntojen korjaamista, jos lämpötilaa muutetaan. Kuitenkin tässä työssä, oletamme parametrit ovat riippumattomia lämpötilasta. Lämpötila-asteikko asetetaan sovittamalla koevaiheen siirtymälämpötilat. Lisätietoja ja sovelluksia tämän mallin löytyy ref. 18.
kaavamainen piirros tässä teoksessa tutkituista mesoskooppisista malleista. (A ja B) luku edustaa DMPC (A) ja kolesteroli (B). Malli sisältää hydrofobisia (valkoisia) ja hydrofiilisiä (mustia) helmiä, jotka ovat yhteydessä jousiin ja sidostaivutuspotentiaaleihin. Malli sisältää eksplisiittisiä vesimolekyylejä, jotka on mallinnettu hydrofiilisiksi helmiksi. Tutkiaksemme muutoksen vaikutusta kolesterolin kemiallisessa rakenteessa otamme käyttöön kolme” uutta ” molekyyliä, joissa muutamme kolesterolin hydrofobista ja hydrofiilistä tasapainoa. C) kolesteroli, jolla on lyhyempi hännän pituus. (D) kolesteroli, joka on hydrofiilisempi. (E) kolesteroli, joka on vähemmän hydrofobinen.
kolesterolimallimme, kuvassa. 1B, perustuu samoihin oletuksiin efektiivisestä koosta ja vuorovaikutuksista kuin lipidimalli. Seuraavat McMullen et al. (19) teimme kolesterolimallin hydrofobisen osan hieman pidemmäksi kuin lipidimallin hydrofobisen osan, jonka tarkoituksena on edustaa dimyristoyylifosfatidyylikoliinia (DMPC). Yksinkertaisuuden vuoksi olemme olettaneet, että kolesterolimolekyylin hydrofobiset ja hydrofiiliset vuorovaikutukset ovat samankaltaisia kuin lipidissä. Saadaksemme tietoa kolesterolin kondensoivan vaikutuksen molekyylimekanismista olemme ottaneet käyttöön kolme kolesterolin kaltaista molekyyliä, joissa häiritsemme molekyylin hydrofobista-hydrofiilistä tasapainoa: yhden, jossa vähennämme hydrofobista hännän pituutta (KS.Kuva. 1C), johon lisätään ylimääräinen hydrofobinen ryhmä (kuva. 1D), ja yksi, jossa korvaamme renkaan yksinkertaisella ketjulla (Kuva. 1 E).
kuva. 2 näyttää veden–fosfolipidi–kolesterolijärjestelmän laskennallisen lämpötilakoostumuksen faasidiagrammin. Vaiherajat saatiin tilannekuvien silmämääräisestä tarkastuksesta ja kvantitatiivisemmin käyrien taivutuspisteistä, jotka antavat alueen lipidikohtaisesti, kalvon keskimääräisen hydrofobisen paksuuden sekä hännän järjestys-ja kallistusparametrit. Nämä ominaisuudet laskettiin lämpötilan ja kolesterolipitoisuuden funktiona.
Faasidiagrammi ja eri vaiheiden rakenne. (Vasen) Computed-faasikaavio funktiona lämpötilan (asteina Celsius) ja kolesterolin pitoisuus. Mustat viivat antavat vaiherajat. Värikoodi antaa tiivistymisvaikutuksen tietyssä tilassa, jossa sininen ilmaisee hyvin vähän tiivistymistä ja oranssi suuren tiivistymisvaikutuksen. (Oik.) kaaviokuva eri vaiheista. La, lipidit nestefaasissa; P’β, aaltoiluvaihe; L’β, geelifaasi, jossa lipidiketjut ovat vinossa; l ’c, geelifaasi, jossa lipidiketjut eivät ole kallellaan; LII, geelifaasi, samanlainen kuin L’ C, joka sisältää pieniä kolesteroliklustereita; Lo, nestejärjestetty faasi. Kondensaatioefekti määritellään AM: n, sim: n ja AM: n, ideaalin erona Å2: ssa.
keskitytään ensin puhtaan lipidin vaiheisiin, ja seuraavaksi käsitellään kolesterolin vaikutusta. Puhdaslipidiselle kaksikerroksiselle faasidiagrammille Kranenburg ja Smit (14) ovat laskeneet systeemin, joka on neljä kertaa pienempi. Käytimme samaa menetelmää vaiheen rajojen paikantamiseen kuin Kranenburg ja Smit (14). Tuloksemme ovat erinomaisessa yhteisymmärryksessä tämän tutkimuksen kanssa, mikä osoittaa, että äärellisen kokoiset vaikutukset ovat pieniä. Puhtaan fosfolipidin osalta havaitsemme korkeissa lämpötiloissa nestefaasin (La), jossa hännät ovat epäjärjestyksessä. Alhaisissa lämpötiloissa hännät ovat järjestyksessä ja kallellaan, mikä määrittelee geelifaasin (L ’ C). Nämä kaksi vaihetta erottaa toisistaan väreilevä vaihe (P’β), jossa havaitsemme mikrofaasierottelun domeeneista, joissa kaksikerroksinen on paksu ja lipidit ovat järjestyksessä, ja domeeneista, joissa kaksikerroksinen on ohut ja lipidit epäjärjestyksessä. Näiden kolmen faasin esiintyminen osoittaa, että tuloksena oleva faasidiagrammi on erittäin sopusoinnussa puhtaan lipidin (20) kokeellisen diagrammin kanssa. Lämpötila-asteikko asetetaan sovittamalla geelifaasin faasitransitioiden lämpötilat aaltoiluvaiheeseen (Tp) ja aaltoiluvaihe nestefaasiin (Tm) vastaavilla puhtaan dmpc: n kokeellisilla faasitransitiolämpötiloilla. Lisäksi kokeellista aineistoa verrataan kaksikerroksisen molekyylin keskimääräiseen pinta-alaan (Fig. 3A), sillä kaksikerroksinen paksuus (kuva. 4A), ja lipidipyrstöjärjestys (Kuva. 4b). Lipidien pinta-alalle saadaan 56 Å2 molekyyliä kohti verrattuna kokeelliseen (21) 60 Å2 molekyyliä kohti. Kaksikerrospaksuudelle laskimme arvon 38,7 Å, joka vertautuu hyvin kokeelliseen arvoon 36 Å (21), ja samanlainen sopimus saadaan hännän järjestyksessä (KS.Kuva. 4b). Laskeaksemme molekyylikohtaisen alueen puhtaalle kolesterolille simuloimme kaksikerroksisen puhdasta kolesterolia. Saimme arvon 40,3 Å, joka on verrannollinen tuoreimpaan kokeelliseen arvoon 41 Å (22) kolesterolin yksikerroksiselle määrälle. Kun otetaan huomioon mallissamme tehdyt likiarvot, kokeellisten ja simuloitujen arvojen välinen sopimus on yllättävän hyvä.
Pinta-ala molekyyliä kohti kuvassa esitettyjen molekyylien kolesterolipitoisuuden funktiona. 1. Tiedot kolesterolista (A) ja Modifioiduista kolesteroli (B) – molekyyleistä, jotka on esitetty kuvassa. 1 C-E. (A)vertaamme Hung et al: n kokeellisia tietoja. (21) simulointituloksillamme ja ihanteellisilla sekoitusarvioillamme. Tämän arvion antaa am, mix = (1-xc)AL + xcAC, jossa XC on kolesterolin mooliosuus. AL ja AC ovat puhtaan komponentin pinta-ala lipidiä kohti ja pinta-ala kolesterolia kohti. Sekä kokeelliset tiedot että simulaatiot olivat lämpötilassa T = 30 °C. (B) kolesterolin hydrofobisen–hydrofiilisen tasapainon muutosten vaikutus; ympyrät ovat kolesterolille, jossa hydrofiilinen osa kasvaa, neliöt ovat kolesterolille, jolla on vähentynyt hydrofobinen osa, ja kolmiot ovat kolesterolille, jolla on lyhyempi hännän pituus (KS.Kuva. 1).
dmpc–kolesterolijärjestelmän suhteellinen kaksikerroksinen paksuus (A) ja järjestysparametri (B) kolesterolipitoisuuden funktiona. (A) vertaamme kokeellisia tietoja Pan et al. 30) ja Hung et al. (21) simulaatiomme tuloksilla. Suhteellinen kaksikerrospaksuusturvotus määritellään d / d0, jossa D on fosforin ja fosforin välinen etäisyys elektronitiheysprofiilissa ja d0 puhtaan kaksikerrospaksuuden paksuus. (B) kokeelliset tiedot ovat peräisin Pan et al. (30) ja Mills ym. (31). Orientatiivinen lipidihännän järjestysparametri, SNMR, määritellään seuraavasti: SNMR = 0,5 〈3 cos θ2-1〉, jossa θ määritellään vektorin suuntauksen ja kaksikerroksisen tason normaalin välinen kulma, ja keskiarvo otetaan kokonaiskeskiarvosta kaikkien helmien osalta. SX-ray kvantifioi lipidiketjun keskimääräisen kallistuksen käyttämällä samaa kaavaa, jossa kulma θ on vektorin suunnan ensimmäisen ja viimeisen pyrstöhelmen ja normaalin välillä kaksikerroksiseen tasoon nähden. Kokeelliset tiedot ja simulaatiot olivat sekä T = 30 °C.
siirrytään nyt tutkimaan kolesterolin vaikutusta kaksikerroksisen ominaisuuksiin. Ensimmäinen kysymys, johon puutumme, on se, pystyykö mallimme toistamaan tiivistymisvaikutuksen. Kuva. 3A osoittaa kolesterolin vaikutuksen molekyylikohtaiseen pinta-alaan kolesterolipitoisuuden funktiona. Vertailu kokeelliseen aineistoon osoittaa jälleen kerran erittäin hyvää yhteisymmärrystä. Tässä kuvassa esitetään myös pinta-ala molekyyliä kohti olettaen ideaalista sekoittumista. Tämä luku kuvaa vakuuttavasti tiivistymisvaikutusta; pinta-ala molekyyliä kohti pienenee paljon enemmän kuin ihanteellisen sekoittumisen perusteella voisi odottaa. Muita kokeellisia tietoja ovat kolesterolin vaikutus kaksikerroksiseen turvotukseen (Fig. 4A)ja hännän järjestysparametri (Kuva. 4b). Sekä kokeelliset tiedot että simulaatio osoittavat, että kolesteroli lisää kaksikerroksisen paksuutta ja sen järjestystä. Myös näiden kahden ominaisuuden osalta simulointituloksemme ovat erittäin hyvässä yhteisymmärryksessä kokeellisten tietojen kanssa. Simulointi ja kokeelliset tiedot (Figs. 3A ja 4 A ja B) osoittavat, että kolesterolin lisääminen muuttaa voimakkaasti lipidikaksikon ominaisuuksia ±30 mol% kolesteroliin asti. Tämän jälkeen päästään alueelle, jossa kolesterolin lisäämisellä on vain vähäinen vaikutus. 30 mol% kolesterolilla sekä molekyylin pinta-ala että lipidihännän järjestys-ja kallistusparametrit ovat geelifaasille tyypillisiä arvoja.
värikoodi kuviossa. 2 osoittaa simuloidun alueen eron lipidiä kohti ja arvioidun arvon välillä olettamalla ihanteellinen sekoittuminen. Havaitsemme, että korkeissa ja matalissa lämpötiloissa tiivistymisvaikutus on suhteellisen pieni. Tiivistymisvaikutus on maksimaalinen tarkoin määritellyllä alueella faasiavaruudessa, joka sijaitsee juuri puhtaan fosfolipidin pääfaasimurroksen yläpuolella. Tiivistymisvaikutuksen luonteen ymmärtämiseksi paremmin on tärkeää ymmärtää kolesterolin lisäämisen vaikutus kalvon vaihekäyttäytymiseen.
kuva. 2 näyttää faasikaavion tärkeimmät ominaisuudet. Simulaatioissa havaitsemiamme eri vaiheita on havaittu myös kokeellisesti, joskaan ei aina dmpc: n ja kolesterolin (20, 23, 24) erityisessä seoksessa. Eri kokeelliset tutkimukset osoittavat kuitenkin laadullisesti hyvin erilaisia faasikaavioita, mikä rajoittaa mahdollisuuksiamme tehdä yksityiskohtainen vertailu. Tilannekuvia eri vaiheista löytyy Fig. 5.
tilannekuvia kaksikerroksisesta sivunäkymästä. A) La-vaihe, kun kolesteroli on 10% T = 37 °C. B) l0-vaihe, kun kolesteroli on 40% T = 37 °C. C) aaltoilu (P’β) – vaihe 5% kolesterolille T = 20 °C. D) L’β-vaihe 5% kolesterolille T = 5 °C. E) L ’ C-vaihe 15% kolesterolille T = 5 °C. F) LII-vaihe 40% kolesterolille T = 5 °C. fosfolipidien hydrofiiliset ja hydrofobiset helmet on kuvattu tummansinisellä ja vaaleansinisellä. Lipidipyrstön päätyhelmet on kuvattu harmaina. Kolesterolin pääryhmä on kuvattu keltaisella, kolesterolitetrameerirengas ja häntähelmet punaisella. Selkeyden vuoksi vesihelmiä ei esitetä. Kaksikerroksisten leveysero kuvaa tiivistymisvaikutusta hienosti.
erittäin korkeissa lämpötiloissa jopa 50 mol% kolesterolin lisääminen ei juurikaan vaikuta kalvon rakenteeseen, ja havaitsemme La-vaiheen kaikilla pitoisuuksilla (24). TP: n alapuolella olevissa lämpötiloissa havaitsemme, että kolesteroli muuttaa geelifaasin rakennetta estämällä lipidihännän kallistumista aiheuttaen L ’ C-faasin (20) muodostumisen (vertaa Kuva. 5 D ja E). Korkeammilla kolesterolipitoisuuksilla (>20%) havaitsemme pienten, kolesterolipitoisten klustereiden muodostumista. Me kuvaamaan tämän vaiheen LII, ja tämä vaihe on esitetty kuvassa. 5e.TP: n ja Tm: n välisissä lämpötiloissa puhdas kaksikerroksinen on aaltoiluvaiheessa, ja kolesteroli muuttaa tämän aaltoiluvaiheen (KS. Kuva. 5C) nestemäiseen järjestysvaiheeseen (23) (Kuva. 5b). Termi neste-orderoitu vaihe otettiin käyttöön Ipsen et al. (25). Kaksikerroksisen paksuus on nesteen paksuuden ja geelifaasin välissä. Lipidihäntä – järjestysparametreilla on arvot, jotka ovat lähellä geelifaasia; toisin kuin geelifaasi, lipidit ovat kuitenkin epäjärjestyksessä eivätkä kallistele. Kolesteroli nostaa vähitellen lämpötilaa, jossa La-lo-vaihesiirtymä tapahtuu. Hyvin korkeilla kolesterolipitoisuuksilla nestejärjestynyt faasi muuttuu geelifaasiksi (LII), kun lämpötila laskee alle Tm: n. Tätä vaihetta on havaittu kokeellisesti dipalmitoyylifosfatidyylikoliinilla (26), mutta emme ole löytäneet kokeellisia tietoja dmpc: stä näissä olosuhteissa. Palatkaamme nyt tiivistymisvaikutukseen. Kuva. 2 osoittaa, että tiivistymisvaikutus on maksimaalinen lämpötilassa, joka on juuri pääsiirtymän TM yläpuolella. Syynä on se, että näissä olosuhteissa puhdas kaksikerroksinen on neste-epäjärjestyksessä tilassa, kun taas lisäämällä kolesterolia kaksikerroksinen muuttaa sen neste-järjestyksessä vaiheessa, joka on alue per lipidi, joka on paljon pienempi verrattuna neste-epäjärjestyksessä tilassa. Tämä suuri ero aiheuttaa suuren tiivistymisvaikutuksen. Korkeammissa lämpötiloissa nestefaasi pysyy vakaana kaikille kolesterolipitoisuuksille, jolloin kondenssivaikutus on paljon pienempi. Alemmissa lämpötiloissa puhdas lipidikerros on pinta-ala lipidiä kohti, joka on paljon lähempänä nestemäisen järjestetyn faasin lipidikohtaista aluetta, ja tämän seurauksena tiivistymisvaikutus on paljon pienempi.
yllä olevat tulokset osoittavat, että kondenssivaikutus on suora seuraus kolesterolin indusoiman faasikäyttäytymisen erityisistä muutoksista. Kirjallisuudessa on erilaisia spekulaatioita niistä kolesterolin rakenteen näkökohdista, jotka ovat nimenomaan vastuussa sen tiivistävästä vaikutuksesta. Esimerkiksi sateenvarjomalli perustuu ajatukseen, että fosfolipideihin verrattuna kolesterolin hydrofiilinen osa on paljon pienempi ja tarvitsee fosfolipidia sateenvarjona lisäseulontaan vuorovaikutuksista veden kanssa. Tämä viittaa siihen, että ylimääräinen hydrofiilinen ryhmä muuttaisi ominaisuudet kokonaan. Toinen tärkeä tekijä on iso rengasrakenne; jos korvaamme renkaan pyrstöllä, saamme molekyylin, joka muistuttaa enemmän alkoholimolekyyliä (27). Hydrofobisen hännän lyhentämisellä ei kuitenkaan olisi juuri vaikutusta. Kuva. 1 näyttää modifioidut kolesterolimolekyylit, jotka jäljittelevät näitä muutoksia. Itse asiassa tulokset Fig. 3B näytä, että kolesterolin hännän lyhentäminen osoittaa saman kondensaatiovaikutuksen. Kuitenkin, Fig. 3B osoittaa, että molemmissa muissa kolesterolimolekyylin muunnoksissa, lisäämällä ylimääräinen hydrofiilinen ryhmä ja korvaamalla rengas lineaarisella ketjulla, ei havaita kondensoivaa vaikutusta. Havaitsemme päinvastaisen vaikutuksen: näiden molekyylien lisääminen saa kaksikerroksisen laajenemaan verrattuna ihanteelliseen sekoitukseen. (Pienempien) alkoholien vaikutusta molekyylikohtaiseen pinta-alaan on mitattu kokeellisesti, ja kokeelliset tiedot osoittavat myös kasvua (28). Tähän läheisesti liittyen havaitsimme, että molemmissa faasidiagrammin tapauksissa nestefaasi oli vakaa koko pitoisuusalueella. Itse asiassa huomaamme, että näiden molekyylien lisääminen laskee pääasiallista siirtymälämpötilaa, eikä faasidiagrammissa näin ollen ole aluetta, jossa olisi suuri kondensaatiovaikutus.
simulaatiot näillä kolesterolin rakenteellisilla vaihteluilla osoittavat, kuinka yllättävän hienovarainen mekanismi on. Pääsiirtymä puhtaassa kaksikerroksisessa on hyvin herkkä hydrofobisille vuorovaikutuksille. Lipidien pääryhmät seulovat vedestä hydrofobiset pyrstöt. Korkeissa lämpötiloissa lipidikohtainen pinta-ala on korkea, ja tämä seulonta on kaukana optimaalisesta; mutta näissä olosuhteissa ketjun entropia hallitsee. Lämpötilan alentaminen tekee hydrofobisten vuorovaikutusten seulomisesta yhä tärkeämpää, ja pääsiirtymä lopulta indusoi ketjujen järjestyksen. Keskeistä on ymmärtää, miten kolesteroli horjuttaa nestefaasia. Kolesterolilla on pienempi hydrofiilinen pää ja se on siten vähemmän tehokas suojaamaan hydrofobisia vuorovaikutuksia. Korkeissa lämpötiloissa lipidikerros mahtuu tähän, mutta alemmissa lämpötiloissa lipidit voivat vain edistää kolesterolin seulontaa vähentämällä sen pinta-alaa lipidiä kohti. Tämä aiheuttaa havaitun järjestyksen ja selittää, miksi tärkein siirtymävaihe kasvaa. Kolesterolirakenteen kaksi muutosta vaikuttavat sen hydrofobiseen seulontaan; molemmissa variaatioissa kolesterolin luontainen alapinta häviää. Jos näitä molekyylejä lisätään kaksikerroksiseen, hydrofobisten vuorovaikutusten lisäseulontaa ei tarvita, ja nämä molekyylit estävät järjestyneen faasin muodostumisen.
Verratkaamme havaintojamme aikaisempiin malleihin, jotka on otettu käyttöön tiivistymisvaikutuksen selittämiseksi. Ensinnäkään mallimme ei anna mitään viitteitä kaukokantoisista tilauksista, kuten superlattice-mallissa oletetaan. Sekä sateenvarjomallissa että tiivistetyissä komplekseissa on implisiittinen oletus jonkinlaisesta paikallisesta organisaatiosta. Esimerkiksi sateenvarjomallissa oletetaan, että yksi lipidimolekyyli voisi seuloa yhden tai kaksi viereistä kolesterolimolekyyliä (KS.esim. 2). Simulaatiomme osoittavat paljon sekavamman rakenteen, josta emme voi tunnistaa näitä järjestyneitä rakenteita. Tässä vaiheessa on tärkeää muistaa, että mallimme sisältää monia oletuksia, ja tämä herättää kysymyksen siitä, ovatko simulaatioistamme tekemämme johtopäätökset relevantteja kokeellisten järjestelmien kannalta. Olimme hyvin yllättyneitä huomatessamme, että pystyimme saamaan näin rikkaan vaihekäyttäytymisen käyttämällä karkearakeista mallia, joka käyttää puhtaasti vastenmielisiä voimia. Mallimme antaa hyvin kohtuullisen kvantitatiivisen kuvauksen viimeaikaisista kokeellisista tiedoista kaksikerroksisen rakenteesta. Toinen mielenkiintoinen näkökohta on se, että laskelmamme ennustavat, että tiivistymisvaikutus on maksimaalinen kapealla lämpötila-alueella pääsiirtymän yläpuolella. Tämä voidaan ehkä todentaa kokeellisesti. Mallimme erittäin tiukka testi olisi ollut yksityiskohtainen vertailu kokeellisen vaiheen diagrammiin. Tässä yhteydessä on rohkaisevaa, että löytämämme vaiheet on havaittu kokeellisesti, joskaan ei aina täysin simuloidussa järjestelmässä. Valitsemalla huolellisesti ne kokeelliset tiedot, jotka sopivat simulaatioihimme, voisimme jopa vaatia erittäin hyvää sopimusta. Mahdollinen syy eri kokeiden väliseen erimielisyyteen on se, että eri tekniikoita käytetään, eivätkä kaikki tekniikat ole yhtä herkkiä eri vaiheiden rakenteen eroille. Toivomme, että faasikaavion ja eri vaiheiden rakennetta koskevien yksityiskohtaisten tietojen yhdistelmä antaa joitakin suuntaviivoja siitä, voiko tietty kokeellinen tekniikka tunnistaa tietyn faasimuutoksen.
materiaalit ja menetelmät
mesoskooppista malliamme tutkittiin käyttämällä dissipatiivista hiukkasdynamiikkaa (DPD) (29). Liikkeen yhtälöt integroitiin käyttämällä muunneltua versiota nopeus-Verlet-algoritmista, jossa on pelkistetty aika-askel 0,03. Standardin DPD-algoritmin tärkein muutos on toteuttamamme menetelmä, jolla varmistetaan, että kalvo simuloidaan kiristämättömässä tilassa. Keskimäärin 15 aika-askeleen jälkeen tehtiin Monte Carlo-vaihe, jossa lipidin pinta-alaa yritettiin muuttaa siten, että kokonaistilavuus pysyi vakiona. Hyväksymissääntö tähän siirtoon liittyy asetettuun interfacial-jännitykseen (15), joka asetettiin nollaan simulaatioissa. Lisätietoja simulointitekniikoista löytyy ref. 15. Riittävän nesteytyksen varmistamiseksi käytimme 100 000 vesimolekyylin järjestelmää yhteensä 4 000 kolesteroli-ja lipidimolekyylille. Kolesterolimolekyylejä lisättiin järjestelmään korvaamalla lipidimolekyyli satunnaisesti kolesterolimolekyylillä siten, että kolesterolimolekyylien pitoisuus pysyi samana kalvon molemmilla puolilla.
kiitokset
Kiitämme Jay Grovesia innostavista keskusteluista sekä David Chandleria, George Osteria ja Jocelyn Rodgersia käsikirjoituksemme kriittisestä lukemisesta.