[论文解读] Inter-layer slide and stress relaxation in a bilayer fluid membrane in the patch-clamp setting

С. И. Мухин, Svetlana Baoukina|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2003

Lipid Membrane Structure and Behavior参考文献 2被引用 5

一句话总结

本文提出了一种在斑片钳实验中MscL通道适应的理论机制，其中流体双分子层中的层间滑动在压力诱导通道开放后降低了横向应力。下层单层中的应力松弛触发了MscL通道的热激活关闭，适应时间估计约为1秒——与实验数据一致——这是由于疏水不匹配和热激活带来的能垒所致。

ABSTRACT

Protein mechanosensitive channels (MS) are activated by tension transmitted through the lipid bilayer. We propose a theory of lateral stress relaxation in a bilayer lipid membrane exposed to external pressure pulse in the patch-clamp experimental setting. It is shown that transfer of lipid molecules into a strained region is thermodynamically advantageous due to local decrease of the stress. Considered stress relaxation mechanism may explain recent experimental observations (Davidson and Martinac 2003) of adaptation of MscL, bacterial mechanosensitive channel of large conductance, to sustained membrane stretch. Lateral stress relaxation in the monolayer, which controls the gating of MscL, triggers thermally activated transition of the open channels back to the closed state ("adaptation"). We evaluate the contribution of the hydrophobic mismatch between MS channel and lipid bilayer to the energy barrier separating open and closed states. Then, using the MscL thermodynamic model (Sukharev et. al, 1999), we estimate characteristic adaptation times at room temperature to be of the order of seconds, well in the range of the experimental data (Davidson and Martinac 2003). Estimated propagation time of the initial channel-opening stress over the whole membrane is 4-5 orders of magnitude shorter.

研究动机与目标

• 解释在斑片钳实验设置中MscL通道对持续膜拉伸的实验观测适应现象。
• 研究通过层间滑动实现的横向应力松弛如何影响MscL通道的门控动力学。
• 量化MscL与脂质双分子层之间疏水不匹配在决定通道关闭能垒中的作用。
• 在恒定压力下建立双分子层膜的自由能景观模型，考虑脂质与玻璃吸液管壁的黏附作用。
• 估算应力传播、层间滑动和通道适应的特征时间尺度，并与实验观测进行比较。

提出的方法

• 构建一个包含弯曲能、横向张力和与吸液管玻璃壁黏附能的双分子层膜自由能泛函。
• 利用层间滑动动力学理论（Yeung & Evans, 1995）估算横向应力再分布的时间尺度。
• 应用MscL热力学模型（Sukharev et al., 1999）计算开放态与关闭态之间的能垒。
• 对自由能泛函执行自洽的数值最小化，以确定半平衡态和完全平衡态的膜构象。
• 评估双分子层厚度对疏水不匹配能的影响及其对MscL稳定性与适应性的作用。
• 将理论适应时间与Davidson和Martinac（2003）的实验数据进行比较，验证模型与观测到的约1秒适应时间的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 MscL通道在斑片钳实验中如何对持续膜拉伸实现适应？
• RQ2 流体双分子层中的层间滑动如何促进横向应力松弛并导致后续通道关闭？
• RQ3 双分子层中应力松弛的特征时间尺度是多少？与MscL适应的时间尺度相比如何？
• RQ4 MscL与脂质双分子层之间的疏水不匹配如何影响通道关闭的能垒？
• RQ5 脂质与吸液管壁的黏附如何影响膜的平衡构象和应力分布？

主要发现

• 双分子层膜中的层间滑动在热力学上是有利的，并在施加压力后0.01至0.1秒内实现横向应力松弛。
• MscL适应的特征时间估计为约1秒，与Davidson和Martinac（2003）的实验观测一致。
• MscL与双分子层之间的疏水不匹配能估计为2–20 kBT₀，显著贡献于通道关闭的能垒。
• 未与吸液管黏附的下层单层中的应力松弛触发了MscL从开放态到关闭态的热激活转变。
• 应力在膜中初始传播的时间尺度约为10−5至10−4秒，远快于适应过程。
• 该模型预测在薄双分子层（如PC-18）中适应现象缺失，而在较厚双分子层（如PC-20）中存在，与实验数据一致。