[논문 리뷰] Area per Lipid in DPPC-Cholesterol Bilayers:Analytical Approach

Boris B. Kheyfets, С. И. Мухин|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 12.

Lipid Membrane Structure and Behavior참고 문헌 32인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 DPPC 지질을 유연한 줄기 구조로, 콜레스테롤을 강성 있는 막대기로 모델링하여 DPPC-콜레스테롤 이중층에서 지질당 면적을 예측하는 분석 모델을 제안한다. 막 표면의 횡압을 콜레스테롤 농도에 비례하는 것으로 가정하고 비선형 열역학적 평형 면적을 고려함으로써, 모델은 지질당 면적 변화 추세를 정확히 재현하며 NMR 순서 계수와 열적 면적 팽창 계수를 예측한다. 이는 막의 열역학에 대한 미시적 프레임워크를 제공한다.

ABSTRACT

Area per molecule in a DPPC-Cholesterol bilayers depends non-linearly on the cholesterol concentration. Using flexible strings model of lipid membranes we calculate area per molecule in DPPC-Cholesterol mixtures in the biologically relevant concentrations range. Few parameters of the model are optimized for a perfect agreement with the area per lipid data available from molecular dynamics simulations. Lateral pressure at the hydrophilic interface, γ, is taken to be proportional to the cholesterol concentration. Non-linearity arises as a consequence of the non-linear dependence of thermodynamical equilibrium area of molecules on γ. DPPC lipid is modeled as flexible string of finite thickness and a given bending rigidity, while cholesterol molecule is modeled as rigid rod with finite thickness and infinite rigidity. Using parameters fitted to reproduce area per molecule dependence on cholesterol concentration, we had further calculated our model predictions for the NMR order parameter of DPPC lipid chains and coefficient of thermal area expansion. The microscopic nature of the model allows to consider a broad range of thermodynamic phenomena.

연구 동기 및 목표

• DPPC 이중층에서 콜레스테롤 농도에 따른 지질당 면적의 비선형 의존성을 포괄하는 분석 모델을 개발하는 것.
• 수용성 표면에서의 횡압을 콜레스테롤 농도와 연결함으로써 지질당 면적의 비선형성의 미시적 기원을 이해하는 것.
• 물리적으로 타당한 모델을 기반으로 NMR 순서 계수 및 열적 면적 팽창 계수와 같은 열역학적 성질을 예측하는 것.
• 생물학적으로 관련 있는 콜레스테롤 농도 범위에서 분자 동역학 시뮬레이션 데이터에 맞추어 모델 파라미터를 최적화하는 것.

제안 방법

• DPPC 지질을 유한한 두께와 굽힘 강성을 가진 탄성 줄기로 모델링한다.
• 콜레스테롤 분자를 유한한 두께와 무한한 강성을 가진 강성 막대기로 표현한다.
• 막 표면에서의 횡압(γ)이 콜레스테롤 농도에 비례한다고 가정한다.
• 열역학 원리를 기반으로 γ에 대한 평형 지질당 면적의 비선형 함수를 유도한다.
• 분자 동역학 시뮬레이션에서의 지질당 면적 데이터와 일치시키기 위해 모델 파라미터를 최적화한다.
• 적합된 모델을 사용하여 NMR 순서 계수 및 열적 면적 팽창 계수와 같은 추가 관측량을 예측한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DPPC-콜레스테롤 이중층에서 지질당 면적은 콜레스테롤 농도에 따라 어떻게 비선형적으로 변화하며, 그 배경이 되는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 수용성 표면에서의 횡압은 혼합 지질-콜레스테롤 막에서 지질당 면적을 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 탄성 줄기와 강성 막대를 기반으로 한 단순화된 분석 모델이 분자 동역학 시뮬레이션에서 관측된 지질당 면적 변화 추세를 정량적으로 재현할 수 있는가?
• RQ4 이 모델은 NMR 순서 계수 및 열적 면적 팽창 계수와 같은 보조 막 성질을 얼마나 잘 예측할 수 있는가?
• RQ5 모델의 미시적 가정은 막의 상 행동 및 안정성 이해에 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• 모델은 지질당 면적의 비선형 의존성을 횡압(γ)에 대한 평형 면적의 비선형 반응과 연결함으로써 성공적으로 재현하였다.
• 생물학적으로 관련 있는 콜레스테롤 농도 범위에서 분자 동역학 시뮬레이션 데이터와 완벽한 일치를 이룰 수 있도록 모델 파라미터를 최적화하였다.
• 모델은 DPPC 지질의 지방산 사슬에 대한 NMR 순서 계수를 실험적 추세와 일치하는 방식으로 예측하여 물리적 현실성의 타당성을 입증하였다.
• 모델은 열적 면적 팽창 계수를 정량적으로 예측하여 지질당 면적 이외의 예측 능력을 입증하였다.
• 탄성 줄기와 강성 막대 표현 방식은 지질-콜레스테롤 막에서의 열역학 현상 이해에 미시적 기반을 제공한다.