[論文レビュー] The surface charge of a cell lipid membrane

Mikhail Pekker, Mikhail N. Shneider|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2014

Lipid Membrane Structure and Behavior参考文献 21被引用数 34

ひとこと要約

本論文は、生理的溶液中におけるリン脂質二重層の表面電荷の自己無撞着なモデルを提案し、リン脂質ヘッドグループの近傍に局在する深いポテンシャル井戸に由来するイオンによって、膜の内側および外側の両表面が負に帯電していることを示している。このモデルは、表面イオンの不動的性質を説明し、膜表面電荷分布の実験的検証に向けた検証可能な予測を提供する。

ABSTRACT

In this paper the problem of surface charge of the lipid membrane immersed in the physiological solution is considered. It is shown that both side of the bilayer phospholipid membrane surface are negatively charged. A self-consistent model of the potential in solution is developed, and a stationary charge density on the membrane surface is found. It is shown that the ions of the surface charge are in a relatively deep (as compared to kBT) potential wells, which are localized near the dipole heads of phospholipid membrane. It makes impossible for ions to slip along the membrane surface. Simple experiments for verifying the correctness of the considered model are proposed. A developed approach can be used for estimations of the surface charges on the outer and inner membrane of the cell.

研究の動機と目的

• 生理的条件下におけるリン脂質二重層の表面電荷の起源と分布を特定すること。
• リン脂質ヘッドグループの近傍におけるイオン分布を説明する自己無撞着な電気的モデルを構築すること。
• 表面イオンが膜表面を自由に拡散しない理由を説明すること。
• 細胞膜の外側および内側の両表面における表面電荷を推定するためのフレームワークを提供すること。
• 理論モデルの予測を検証するための簡単な実験を提案すること。

提案手法

• リン脂質二重層に隣接する溶液における電気的ポテンシャルの自己無撞着なモデルが構築された。
• 膜が生成する電界内におけるイオン分布を記述するためにポアソン＝ボルツマン方程式が用いられた。
• リン脂質ヘッドグループのドーピングポテンシャルが、表面電荷局在の主要因としてモデルに組み込まれた。
• 平衡状態における電気的方程式を解くことで、膜表面の定常的電荷密度が計算された。
• イオンのポテンシャル井戸の深さが、熱エネルギー（kBT）と比較して分析された。
• 深いポテンシャル井戸によるイオンの不動的性質がモデルで予測され、表面拡散が防止されることが示された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 生理的溶液中におけるリン脂質二重層の表面電荷の起源は何か？
• RQ2 なぜイオンは膜表面に局在したままであり、表面を拡散しないのか？
• RQ3 表面イオンを閉じ込めるポテンシャル井戸の深さはどの程度であり、熱エネルギーと比べてどうか？
• RQ4 自己無撞着な電気的理論を用いて、表面電荷分布を定量的にモデル化できるか？
• RQ5 予測された表面電荷特性を検証するための実験的テストは何か？

主な発見

• リン脂質ヘッドグループの近傍に局在する反イオンによって、リン脂質二重層の内側および外側の両表面が負に帯電している。
• イオンは、kBTよりもはるかに深いポテンシャル井戸に閉じ込められており、表面拡散が防止されている。
• 自己無撞着な電気的モデルは、定常的表面電荷密度をうまく予測している。
• ポテンシャル井戸の深さのおかげで、イオンは局在したままとなり、表面移動性の欠如が説明できる。
• 本モデルは、細胞膜の表面電荷を推定するための定量的フレームワークを提供する。
• イオン局在および表面電荷分布に関するモデルの予測を検証するための簡単な実験が提案された。