[论文解读] Area per Lipid in DPPC-Cholesterol Bilayers:Analytical Approach

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

Lipid Membrane Structure and Behavior参考文献 32被引用 5

一句话总结

本研究提出一种分析模型，采用柔性弦表示DPPC脂质，刚性杆表示胆固醇，以预测DPPC-胆固醇双分子层中的每分子脂质面积。通过将膜界面的侧向压力建模为与胆固醇浓度成正比，并考虑非线性热力学平衡面积，该模型准确再现了每分子脂质面积的变化趋势，并预测了NMR取向参数和热膨胀系数，为膜热力学提供了微观框架。

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.

研究动机与目标

• 开发一种分析模型，以捕捉DPPC双分子层中每分子脂质面积对胆固醇浓度的非线性依赖关系。
• 通过将亲水界面处的侧向压力与胆固醇浓度关联，理解每分子脂质面积非线性的微观起源。
• 基于物理基础模型，预测NMR取向参数和热膨胀系数等热力学性质。
• 针对生物相关胆固醇浓度范围的分子动力学模拟数据，对模型参数进行优化。

提出的方法

• 将DPPC脂质建模为具有有限厚度和弯曲刚性的柔性弦。
• 将胆固醇分子表示为具有有限厚度和无限刚性的刚性杆。
• 假设膜界面处的侧向压力（γ）与胆固醇浓度成正比。
• 基于热力学原理，推导出每分子平衡面积作为γ的非线性函数。
• 优化模型参数以匹配分子动力学模拟得到的每分子脂质面积数据。
• 利用拟合后的模型预测NMR取向参数和热膨胀系数等额外可观测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在DPPC-胆固醇双分子层中，每分子脂质面积如何随胆固醇浓度非线性变化？其潜在的物理机制是什么？
• RQ2 亲水界面处的侧向压力在决定混合脂质-胆固醇膜中每分子脂质面积方面起什么作用？
• RQ3 基于柔性弦和刚性杆的简化分析模型能否定量再现分子动力学模拟中观察到的每分子脂质面积变化趋势？
• RQ4 该模型在预测NMR取向参数和热膨胀系数等次级膜性质方面表现如何？
• RQ5 该模型的微观假设对理解膜相行为和稳定性具有何种启示？

主要发现

• 该模型通过将平衡面积对侧向压力（γ）的非线性响应与每分子脂质面积对胆固醇浓度的非线性依赖关系关联，成功再现了该依赖关系。
• 模型参数经过优化，可在生物相关胆固醇浓度范围内与分子动力学模拟的每分子脂质面积数据达到完美一致。
• 该模型预测的DPPC酰基链NMR取向参数与实验趋势一致，验证了其物理真实性。
• 该模型定量预测了热膨胀系数，展示了其在每分子脂质面积之外的预测能力。
• 柔性弦与刚性杆的表示方式为理解脂质-胆固醇膜中热力学现象提供了微观基础。