[논문 리뷰] The surface charge of a cell lipid membrane

Mikhail Pekker, Mikhail N. Shneider|arXiv (Cornell University)|2014. 01. 19.

Lipid Membrane Structure and Behavior참고 문헌 21인용 수 34

한 줄 요약

이 논문은 생리적 용액 내에서 지질 이중층 표면 전하의 자기일관성 모델을 제안하며, 인지질 헤드그룹 근처의 깊은 잠재 에너지 우물에 국한된 이온으로 인해 내측 및 외측 막 표면이 모두 음성 전하를 띤다는 것을 입증한다. 이 모델은 표면 이온의 이동성 부족을 설명하며, 막 표면 전하 분포의 실험적 검증을 위한 검증 가능한 예측을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 생리적 조건에서 지질 이중층 표면 전하의 기원과 분포를 규명하는 것.
• 인지질 헤드그룹 근처의 이온 분포를 고려한 자기일관성 전기적 모델을 개발하는 것.
• 표면 이온이 막 표면을 자유롭게 확산하지 않는 이유를 설명하는 것.
• 외측 및 내측 세포막의 표면 전하를 추정하기 위한 프레임워크를 제공하는 것.
• 이론적 모델의 예측을 검증하기 위한 단순한 실험을 제안하는 것.

제안 방법

• 지질 이중층에 인접한 용액 내 전기적 잠재 에너지의 자기일관성 모델이 개발된다.
• 막이 생성하는 전기장 내에서 이온 분포를 기술하기 위해 포isson-Boltzmann 방정식이 사용된다.
• 모델은 인지질 헤드그룹의 듀플렛 전위를 표면 전하 국소화의 핵심 원천으로 포함한다.
• 평형 조건 하에서 전기적 방정식을 풀어 막 표면의 정적 전하 밀도를 계산한다.
• 이온의 잠재 에너지 우물의 깊이를 열 에너지(kBT)와 비교하여 분석한다.
• 깊은 잠재 에너지 우물로 인해 이온의 이동성이 저해되어 표면 확산이 방지된다는 모델의 예측이 이루어진다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 생리적 용액 내 지질 이중층 표면 전하의 기원은 무엇인가?
• RQ2 왜 이온은 막 표면에서 확산되지 않고 국소화되어 있는가?
• RQ3 표면 이온을 갇히는 잠재 에너지 우물의 깊이는 얼마나 되며, 열 에너지와 비교해보면 어떠한가?
• RQ4 자기일관성 전기역학을 사용하여 표면 전하 분포를 정량적으로 모델링할 수 있는가?
• RQ5 예측된 표면 전하 특성을 검증하기 위한 실험적 테스트는 무엇이 있는가?

주요 결과

• 내측 및 외측 지질 이중층 표면이 국소화된 반대 이온으로 인해 모두 음성 전하를 띈다.
• 이온은 인지질 헤드그룹 근처의 잠재 에너지 우물에 갇혀 있으며, 이 우물의 깊이는 kBT보다 현저히 깊어 표면 확산을 방지한다.
• 자기일관성 전기적 모델은 정적 표면 전하 밀도를 성공적으로 예측한다.
• 잠재 에너지 우물의 깊이로 인해 이온은 국소화된 상태를 유지하며, 표면 이동성 부족을 설명할 수 있다.
• 모델은 세포막의 표면 전하를 추정하기 위한 정량적 프레임워크를 제공한다.
• 이온 국소화 및 표면 전하 분포에 대한 모델의 예측을 검증하기 위한 단순한 실험 테스트가 제안된다.