[论文解读] The surface charge of a cell lipid membrane

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

Lipid Membrane Structure and Behavior参考文献 21被引用 34

一句话总结

本文提出了一种在生理溶液中脂质双分子层表面电荷的自洽模型，表明由于靠近磷脂酰胆碱头部基团的深势阱中离子的局域化，内膜和外膜表面均带负电。该模型解释了表面离子的非迁移性，并为膜表面电荷分布的实验验证提供了可检验的预测。

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.

研究动机与目标

• 确定在生理条件下脂质双分子层表面电荷的来源及其分布。
• 建立一个自洽的静电模型，以解释磷脂酰胆碱头部基团附近离子的分布。
• 解释为何表面离子不能在膜表面自由扩散。
• 为估算细胞内外膜表面电荷提供一个框架。
• 提出简单实验以验证理论模型。

提出的方法

• 开发了脂质双分子层相邻溶液中静电势的自洽模型。
• 使用泊松-玻尔兹曼方程描述由膜产生的电场中离子的分布。
• 将磷脂酰胆碱头部基团的偶极电势作为表面电荷局域化的主要来源。
• 通过在平衡条件下求解静电方程，计算膜表面的静态电荷密度。
• 分析离子的势阱深度，以确定其相对于热能（kBT）的大小。
• 该模型预测由于深势阱的存在，离子无法移动，从而阻止了表面扩散。

实验结果

研究问题

• RQ1 在生理溶液中，脂质双分子层表面电荷的来源是什么？
• RQ2 为何离子会保留在膜表面而不在其上扩散？
• RQ3 束缚表面离子的势阱有多深？其深度与热能相比如何？
• RQ4 能否使用自洽静电学方法对表面电荷分布进行定量建模？
• RQ5 有哪些实验可验证所预测的表面电荷特性？

主要发现

• 由于反离子的局域化，脂质双分子层的内表面和外表面均带负电。
• 离子被束缚在靠近磷脂酰胆碱头部基团的势阱中，其深度远大于kBT，从而阻止了表面扩散。
• 自洽静电模型成功预测了静态表面电荷密度。
• 势阱的深度确保了离子保持局域化，从而解释了其缺乏表面迁移性。
• 该模型为估算细胞膜表面电荷提供了定量框架。
• 提出了简单实验以验证模型关于离子局域化和表面电荷分布预测的准确性。