[論文レビュー] Physical Properties of Biological Membranes

Thomas Heimburg|ArXiv.org|Feb 16, 2009

Lipid Membrane Structure and Behavior参考文献 48被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、神経インパルスが純粋な電気的イベントではなく、リピッド膜の相転移によって駆動される可逆的電気機械的ソリトンであると提唱している。主な証拠は、可逆的な熱変化、機械的変形、および吸入麻酔薬の効果である。この理論は、膜の熱力学と弾性に基づく単一の物理的枠組みの中で、神経インパルス伝導と麻酔を統合的に説明する。

ABSTRACT

Biological membranes mainly consist of lipids and proteins. While the proteins have many functions as single molecules, the membrane as a whole displays physical properties that cannot be explained on the single molecule level. For example, membranes show melting events, phase behavior, and elasticity. Biomembranes adapt their composition such that the physical properties are maintained when the external conditions change. This gives a role to changes in composition, to temperature and pressure. This article introduces into the physics of membranes as a whole and shows how phenomena as permeability, pulse propagation and the effect of anesthetics arise.

研究の動機と目的

• ヒルキンソン＝ハクスレーの電気的モデルを超えた神経インパルス伝導のメカニズムの再評価を目的とする。
• リピッド膜の相転移が神経機能および麻酔に果たす役割を調査することを目的とする。
• アクション・ポテンシャル中に観察される可逆的熱および機械的変化を、物理的理論と一致させる。
• 膜の相転移の調節によって説明されるミラー＝オーバートン則を説明することを目的とする。

提案手法

• 熱力学的原則を用いて膜の物理的性質（比熱、弾性定数、相挙動など）を分析する。
• ギブズの相律を適用し、相図を構築することで、リピッドドメインの形成および相転移を記述する。
• 膜面積、厚さ、電圧の可逆的変化に基づき、神経インパルス伝導をソリトン（自己強化型機械波）としてモデル化する。
• 圧力および溶媒依存性の相転移を用いて、麻酔薬の効果および麻酔の圧力逆転現象を説明する。
• 電気的ポテンシャルおよび双極子ポテンシャルの効果を統合し、機械的パルスと電圧変化の関連を結びつける。
• ソリトンモデルの予測を、アクション・ポテンシャル中の熱放出／再吸収およびアキソン内の機械的変化に関する実験データと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 神経インパルスは、電流モデルではなく可逆的電気機械的ソリトンとして説明可能であろうか？
• RQ2 抵抗性イオンチャネルによる電流に起因するはずの熱損失が、アクション・ポテンシャル中に顕著に観察されないのはなぜか？
• RQ3 吸入麻酔薬は神経伝導をどのように阻害するのか？これは膜への分配および相転移への影響に関係しているか？
• RQ4 アクション・ポテンシャル中に発生する機械的変化（例：厚さおよび長さの変化）の物理的起源は何か？
• RQ5 リピッド組成、曲率、ドメイン形成は、膜の安定性および信号伝導にどのように影響するか？

主な発見

• 神経インパルスは、可逆的電気機械的ソリトンとして予測され、実験的観察と一致するように、ネット熱損失がない。
• 相転移温度付近の膜は、弾性定数および透過性に著しい変化を示し、安定なソリトン伝導を可能にする。
• アクション・ポテンシャル中の機械的変化（例：1 nmの厚さ変化、アキソンの短縮）は、ソリトンモデルによって定量的に説明可能である。
• 麻酔薬は膜の相転移温度を低下させ、ソリトンを生成するのに必要な自由エネルギーを増加させるため、神経伝導を阻害する。
• ミラー＝オーバートン則は、麻酔薬が膜リピッド二重層に分配し、相転移温度を調節することによって説明できる。
• リピッドドメインおよび膜の不均一性は、ソリトンの安定性および伝導に影響を与え、機能的膜マイクロドメインの形成に役立つ可能性がある。