Мембрану: Мембрана. Подробности. Технология выбора! | Статьи | Горный клуб

Стефани Баллвег, Эрдинч Сезгин, Милка Докторова, Роберто Ковино, Джон Рейнхард, Дорит Вуннике, Инга Ханельт, Илья Левенталь, Герхард Хаммер и Роберт Эрнст: регулирование липидного насыщения без определения текучести мембран. Nature Communications , https: / / doi. org / 10. 1038/ s41467-020-14528-1 .

Заявление об ограничении ответственности: AAAS и EurekAlert! не несут ответственности за точность выпусков новостей, размещенных на EurekAlert! участвующими учреждениями или для использования любой информации через систему EurekAlert.

Альтернативы мембран в мирах без кислорода: Создание азотосомы

Реферат

Двухслойная липидная мембрана, которая является основой жизни на Земле, нежизнеспособна вне биологии, основанной на жидкой воде. Этот факт побудил астрономов, которые ищут условия, подходящие для жизни, искать экзопланеты в «обитаемой зоне», узкой полосе, в которой может существовать жидкая вода. Однако могут ли клеточные мембраны быть созданы и функционировать при температурах намного ниже тех, при которых вода является жидкостью? Мы делаем шаг к ответу на этот вопрос, предлагая новый тип мембраны, состоящей из небольших органических соединений азота, способных образовываться и функционировать в жидком метане при криогенных температурах.Используя молекулярное моделирование, мы демонстрируем, что эти мембраны в криогенном растворителе обладают эластичностью, равной эластичности липидных бислоев в воде при комнатной температуре. В качестве доказательства концепции мы также демонстрируем, что стабильные криогенные мембраны могут возникать из соединений, наблюдаемых в атмосфере спутника Сатурна, Титана, известного наличием морей жидкого метана на его поверхности.

• Титан
• абиогенез
• экзобиология
• липосома
• физическая химия
• квантовая химия
• вычислительная химия
• молекулярная динамика

ВВЕДЕНИЕ

Исследования протобиологии и образования клеток на Земле в основном сосредоточены на нуклеиновых кислотах; действительно, обычно считается, что рибонуклеиновые кислоты были предшественниками земной жизни (гипотеза «мира РНК») ( 1 ).Однако недавние исследования показали, что катализ РНК зависит от установления высоких локальных концентраций, а это означает, что компартментализация, вероятно, была такой же или более ранней фазой, чем РНК ( 2 ). Это подтверждает гипотезу «липидного мира», в которой липидные мембраны сыграли важную роль как очень ранний эволюционный шаг в создании жизни на Земле ( 3 ). Было обнаружено, что липидные бислои без дополнительных клеточных механизмов растут, делятся, способствуют реакциям полимеризации и даже синтезируют РНК из ферментов полимеразы ( 4 — 6 ).

Мембраны земных клеток состоят из бислоя фосфолипидов: поверхностно-активных веществ, состоящих из неполярных липидных цепей и насыщенных кислородом полярных головок. Полярные головки образуют поверхности, совместимые с водой, позволяя мембране разделять водный мир снаружи и водную жизнь внутри. Липидные хвосты фосфолипидов объединяются силами Ван-дер-Ваальса, таким образом стабилизируя мембрану. Везикула, состоящая из такой мембраны, называется липосомой.

Роль самоорганизующихся поверхностно-активных веществ в эволюционной биологии на Земле поднимает вопрос о том, могут ли неводные условия поддерживать какую-либо аналогичную структуру.Экспериментальные исследования были выполнены для создания везикул в неполярных растворителях. Это включало рассмотрение неионных простых эфиров ( 7 ), сложных эфиров ( 8 ), поверхностно-активных веществ ( 9 ) и инвертированных фосфолипидов ( 10 ). Обратные фосфолипидные мембраны даже рассматривались как биологические возможности в жидком метане ( 7 — 16 ).

Жидкий метан представляет особый интерес, потому что это единственная жидкость, кроме воды, которая образует моря на поверхности планетарного тела в нашей солнечной системе.Это тело — спутник Сатурна, Титан ( 11 , 12 ). Неизвестно, может ли Титан поддерживать любую форму клеточной мембраны. Однако мы действительно наблюдаем, что на поверхности Титана происходит неизвестный процесс, который потребляет водород, ацетилен и этан, которые постоянно стекают из атмосферы, но не накапливаются ( 13 — 15 ). Это делает жидкий метан очень интересным растворителем для использования в качестве альтернативы клеточной мембране.

Однако фосфолипидные мембраны, которые настолько прочны и эластичны в воде, не работают так хорошо в жидком метане.Неполярные хвосты фосфолипидов, казалось бы, совместимы с неполярным жидким метаном, а полярные головы — друг с другом; Означает ли это, что мембрана, обратная той, которая образовалась в воде, могла существовать в метане? К сожалению нет; эта гипотеза фосфолипидов не учитывает тот факт, что хвосты фосфолипидов представляют собой длинноцепочечные углеводороды, которые будут жесткими при криогенных температурах. Кроме того, атомы фосфолипидного головного компонента, кислорода и фосфора, недоступны ни в какой форме в метановых морях Титана и, вероятно, ни в какой подобной среде жидкого метана.Следовательно, липосомы с обращенной фазой не являются жизнеспособным вариантом. Однако идея использования полярности для предотвращения растворения верна, если существуют какие-либо подходящие материалы.

В качестве доказательства концепции образования пузырьков в среде, богатой метаном, мы начали поиск полярных материалов, используя те, которые образуются естественным образом, когда ультрафиолетовый свет взаимодействует с атмосферой, содержащей метан и азот ( 12 ). Из спектроскопических наблюдений орбитального аппарата «Кассини» мы знаем наиболее распространенные полярные соединения в верхней части метано-азотной атмосферы Титана, как показано в Таблице 1 [( 12 ), стр.167]. Ниже в атмосфере все эти виды конденсируются в аэрозоли, препятствуя дальнейшим наблюдениям с помощью Кассини. Лабораторные эксперименты по воспроизведению атмосферы метана и азота обычно приводят к образованию смолистых остатков молекул, называемых толинами ( 17 ). Было обнаружено, что эти толины состоят из углеводородов, нитрилов и аминов ( 17 ). Поэтому мы также включили в наше исследование первичные нитрилы и амины длиной пропил-гексил, хотя содержание толинов относительно наблюдаемых Кассини видов остается неопределенным.

Учитывая проблемы экспериментальных исследований при криогенных температурах, мы приняли подход молекулярного моделирования для отбора наиболее многообещающих кандидатов для самосборки в структуру, напоминающую мембрану. Мы рассматривали только короткие лиганды, учитывая тот факт, что более длинные лиганды не дают преимуществ при таких низких температурах. Все наши молекулы-кандидаты намного короче типичных фосфолипидов, которые включают углеродные цепи длиной от 15 до 20 атомов.Жидкий метан достаточно холоден, чтобы затвердеть почти любое вещество: четырехчленная углеродная цепь, например бутан, в жидком метане намного ниже точки замерзания 133 К. При таких температурах может показаться почти невозможным формирование гибкой органической мембраны, не говоря уже о гибкости, подобной гибкости липидного бислоя. Однако низкая температура также позволяет небольшим молекулам агрегироваться иначе, чем при 300 К. Наша обычная интуиция должна быть приспособлена к более холодному миру.

Мы предположили, что мембраны жидкого метана будут полагаться на полярность азотсодержащих групп («азото»), чтобы удерживать их вместе, точно так же, как земные липосомы полагаются на неполярность алкильных групп. Поэтому мы назвали эти структуры «азотосомами». Сравнение липосом и предлагаемых структур азотосом показано на рис. 1.

( A ) Липосома в полярном растворителе.Полярные головы скреплены неполярными липидными хвостами. ( B ) Азотосома в неполярном растворителе. Неполярные хвосты подпирают головы, богатые полярным азотом.

Ключевые физические требования к мембране заключаются в том, чтобы она была гибкой и стабильной. Наиболее распространенной мерой гибкости клеточной мембраны является модуль расширения площади K _a (также известный как модуль расширения, растяжения или площади сжатия) ( 18 , 19 ). Модуль расширения площади мембран наземных клеток при комнатной температуре равен 0.От 24 до 0,50 Дж / м ² ( 18 , 19 ). Как мы покажем, некоторые из наших кандидатов на азотосомы лежат в этом диапазоне. Наиболее распространенная мера стабильности — это энергия разложения или шкала времени стабильности ( 20 ). В целом липидные бислои на Земле метастабильны ( 21 ). Мы покажем, что некоторые из наших кандидатов на азотосомы имеют высокую энергию разложения по сравнению с криогенной средой, что приводит к очень длительным временным масштабам стабильности.

Синтез азотосом для экспериментального исследования будет сложным проектом, сродни первому синтезу липосом и дополнительным трудностям в криогенных условиях.Однако молекулы, из которых состоят азотосомы, похожи на молекулы, которые обычно изучаются на Земле, что делает свойства азотосом доступными с помощью стандартного молекулярного моделирования. Молекулярная динамика (МД) десятилетиями использовалась для моделирования двухслойных мембран ( 20 , 22 — 24 ) и полимерных везикул (полимерсомы) ( 25 ). Было обнаружено, что значения K, , _и , рассчитанные методом MD, хорошо согласуются с экспериментами ( 18 ), что подтверждает использование нами метода для этих новых мембран.

Чтобы представить молекулярные силы в наших моделированиях, мы использовали Оптимизированные потенциалы для моделирования жидкостей (OPLS), которые являются хорошо известными и эффективными моделями для жидких углеводородов, малых органических молекул ( 26 , 27 ) и полимерсом ( 25 ). Мы подтвердили модели OPLS для наших молекул, подтвердив структуры, генерируемые OPLS, и парные энергии связи по сравнению с квантово-механическими расчетами ( 27 ), как описано в разделе «Материалы и методы».Только молекулы, которые OPLS точно моделировали с точки зрения длин связей, углов и энергий связи, были переданы для изучения в качестве кандидатов на азотосомы.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Ошибки в моделях OPLS для длин связей, валентных углов и двугранных (торсионных) углов для тестируемых нами соединений представлены в таблице 2. Расчеты для трех наиболее высоконенасыщенных соединений — цианоацетилена, цианоаллена и 2,4-пентадииннитрила. — не рассматривались далее, потому что их модели OPLS показали ошибки в средней длине облигаций более 0.04 Å, что мы сочли недопустимо большим. Поскольку эти виды крайне ненасыщены, они с наименьшей вероятностью будут стабильными, когда они покинут верхние слои атмосферы, поэтому их непригодность для моделирования OPLS вряд ли будет иметь здесь значение. Для остальных соединений средняя разница между структурами OPLS и ab initio для длин связей составляла 0,008 Å, 0,6 ° в углах и 0,3 ° в диэдрах (если они есть).

Средняя разница для каждого вида между его структурой OPLS и структурой, полученной в результате оптимизации ab initio с моделью самосогласованного реакционного поля (SCRF) Онзагера для неявного растворителя.

Ab initio энергии связи были получены в вакууме и в неявном растворителе. Разница между этими энергиями составляла от 0,1 до 1,3 ккал / моль для всех исследуемых веществ, в среднем 0,6 ккал / моль. Разница между энергиями связи OPLS и ab initio составляла от 0,2 до 0,9 ккал / моль, в среднем составляя 0,6 ккал / моль. В общем, значения энергии связи, генерируемой OPLS для данного вида, находятся между значениями ab initio с растворителем и без него, что поддерживает использование моделей OPLS.Можно ожидать, что энергии парной связи OPLS будут находиться между энергиями ab initio в вакууме и ab initio в растворителе, поскольку парные расчеты OPLS «подобны растворителям» из-за неполяризуемости модели OPLS. Это заставляет модель OPLS испытывать частичный эффект растворителя, даже когда присутствует только пара молекул. Особняком среди изученных нами молекул был HCN, энергия связи которого с OPLS была на 1,8 ккал / моль выше значения энергии связи, предсказанного ab initio представлением с неявным растворителем, что указывает на неточность модели OPLS для HCN.

Однако, как мы покажем позже, HCN не самособирается в азотосому из-за своего небольшого размера. Таким образом, его чрезмерная энергия связи не будет иметь значения, потому что в дальнейшем он не будет рассматриваться из-за отсутствия самосборки. Энергии связи, найденные тремя методами (расчет OPLS и ab initio для системы в вакууме и растворителе), представлены в таблице 3.

OPLS и расчеты ab initio дали аналогичные результаты.

Каждая азотосома начинает моделирование как сетку молекул, а затем самособирается в свою предпочтительную структуру.Виды, которые OPLS не мог точно представить, были исключены из рассмотрения, как и HCN, который не образовывал упорядоченный слой, и гексан, который образовывал твердое тело. Модули расширения площади оставшихся азотосом, а также простого бислоя гексана без функциональной головки показаны в таблице 4. Учитывая точность энергий связывания OPLS, мы ожидаем, что эти значения составляют K _a и ∆ E с точностью до 20%.

Все наши азотосомы обладают гибкостью, аналогичной гибкости известных мембран наземных клеток: от 0,13 до 0,55 Дж / м ² для азотосом по сравнению с 0,24 до 0,50 Дж / м ² для наземных липосом. Что касается тепловых колебаний, азотосомы будут казаться более жесткими, чем земные липосомы, потому что тепловые колебания на Титане меньше, чем на Земле. Однако в отношении механического стресса криогенные азотосомы и липосомы при комнатной температуре будут реагировать на удивление одинаково.

Поучительно сравнение гексана и гексаннитрила. Простой гексан образует слой в восемь раз более жесткий, чем гексаннитрил. Кроме того, бислой гексана является хрупким, как показано на рис. 2. После небольшого растяжения кажется, что он трескается. Напротив, слой гексаннитрила равномерно растягивается на всем протяжении. Единственное различие между этими двумя соединениями состоит в том, что гексаннитрил имеет полярный азотный напор.

Наклон линейной посадки пропорционален модулю площади K _a .

Ключевое различие между чистым углеводородным слоем и азотосомой заключается в структуре, обусловленной полярным азотным напором. Мы полагаем, что именно эта структура позволяет криогенным азотосомам обладать гибкостью липидного бислоя при комнатной температуре.

Энергетические барьеры диссоциации для каждой азотосомы также приведены в таблице 4. Ацетонитрил, бутаннитрил, гексаннитрил, аминопропан и аминобутан имеют значения Δ E значительно ниже 8 ккал / моль, что указывает на нестабильные азотосомы.Азотосомы пропаннитрила, пентаннитрила, аминопентана и аминогексана имеют энергетический барьер, близкий к 8 ккал / моль. Их следует рассматривать в качестве возможных кандидатов, потому что их значения находятся в пределах 20% неопределенности, которая, как мы считаем, здесь уместна. Азотосомы акрилонитрила демонстрируют высокие барьеры разложения (17 ккал / моль), которые достаточны для обеспечения их стабильности в течение длительного времени.

Геометрия молекулы акрилонитрила, по-видимому, благоприятствует азотосомам и препятствует другим состояниям (рис.3). Это согласуется с тем фактом, что акрилонитрил, как экспериментально известно, имеет несколько неупорядоченную твердую фазу ( 28 ). Как и все азотосомы, изученные здесь, азотосомы акрилонитрила симметричны относительно плоскости мембраны, что означает, что, как и липидный бислой, они должны быть способны образовывать везикулы разных размеров.

( A ) Азотосома. Взаимосвязанные атомы азота и водорода укрепляют структуру.( B ) Твердый. Соседние атомы азота создают неблагоприятное отталкивание. ( C ) Мицеллы. Соседние атомы азота делают это крайне неблагоприятным. ( D ) Азотосомная везикула диаметром 90 Å, размером с небольшую вирусную частицу.

Расчет свободных энергий, необходимых для определения K _a , также позволил нам получить полную свободную энергию разложения для каждой азотосомы. Эти значения показаны в Таблице 5. Все эти свободные энергии положительны, что указывает на то, что состояние азотосомы предпочтительнее растворенного состояния.Эти значения свободной энергии зависят от концентрации, поскольку Δ G _{растворение} всегда отрицательно при бесконечном разбавлении. Концентрация, создаваемая растворением одной молекулы азотосомы в каждом боксе, составляет около 0,1%, что выше, чем мы могли ожидать в морях Титана. Однако реальные концентрации в настоящее время неизвестны, поэтому они могут быть или не быть достаточно высокими, чтобы сделать азотосомы термодинамически стабильными. В Δ G нет тенденции в отношении количества атомов углерода в цепи.Δ G , по-видимому, определяется тем, как молекулы подходят друг другу, а не каким-либо простым свойством самих молекул.

Чистая механическая работа, необходимая для удаления молекулы с мембраны, с погрешностью 20%. Эти значения зависят от концентрации.

ОБСУЖДЕНИЕ

Мы предполагаем, что в холодном мире без кислорода пузырьки, необходимые для компартментализации, ключевого требования для жизни, будут сильно отличаться от пузырьков, обнаруженных на Земле.Вместо длинноцепочечных неполярных молекул, которые образуют прототип земной мембраны в водном растворе, мы находим мембраны, которые образуются в жидком метане при криогенных температурах, благодаря притяжению между полярными головками короткоцепочечных молекул, богатых азотом. Мы назвали такую ​​мембрану азотосомой. Мы обнаружили, что гибкость таких мембран примерно такая же, как у мембран, образованных в водных растворах. Несмотря на огромную разницу в температурах между криогенными азотосомами и земными липосомами при комнатной температуре, которые делают практически любую молекулярную структуру жесткой, они демонстрируют удивительно и захватывающе похожие реакции на механическое воздействие.

На основании наших критериев термодинамической стабильности или, по крайней мере, метастабильности, азотосома кажется реализуемой криогенной мембраной. Исходя из всех известных молекулярных компонентов в атмосфере такого мира, Титана, мы смогли выбрать пару молекул-кандидатов, которые были способны проявлять свойства, которые кажутся важными для образования пузырьков. Например, азотосома акрилонитрила имеет хорошую термодинамическую стабильность, высокий энергетический барьер для разложения и модуль расширения площади, аналогичный таковому у фосфолипидных клеточных мембран в богатых кислородом растворах.Акрилонитрил существует в атмосфере Титана в концентрации 10 частей на миллион и, вероятно, может образоваться на любом небесном теле с азотно-метановой атмосферой.

Наличие молекул, способных образовывать клеточные мембраны, само по себе не показывает, что жизнь возможна. Тем не менее, он направляет наши поиски на экзотические метаболические и репродуктивные химические процессы, которые были бы аналогичным образом совместимы в криогенных условиях. По мере того, как наше понимание условий, которые могут способствовать развитию внеземной жизни, расширяется, увеличивается и наша вероятность найти ее, возможно, в зоне обитания жидкого метана.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Первым свойством азотосом, которое мы исследовали, была их гибкость, измеренная по модулю расширения площади K _a . Одной из процедур, которая использовалась для расчета этого свойства, является моделирование спонтанного колебания площади мембраны в течение длительного прогона МД ( 18 ). Однако этот метод основан на случайной выборке редких событий и, следовательно, имеет проблемы с точностью, завышая значение K _a в ≥2 раз ( 18 ).Вместо этого мы сделали мембрану заданным отступом и рассчитали модуль расширения площади, исходя из сопротивления растяжению ( 18 ). Это прямо сопоставимо с методом наноиндентирования, который используется для экспериментального нахождения K _a , и сравнение такого моделирования и экспериментов с наземными липосомами показало, что они дают эквивалентные результаты ( 18 ).

Вторым критерием, который мы использовали для оценки азотосом, была их стабильность.Одна процедура, которая использовалась для изучения стабильности липосом, заключается в моделировании мембраны в течение длительного периода МД и наблюдении, диссоциирует ли она спонтанно ( 20 ). К сожалению, ожидание диссоциации эффективно только для самых слабых мембран, поскольку МД обычно охватывает только наносекунды моделируемого времени. Лучшая процедура — найти временной масштаб диссоциации по энергии активации ( 29 ). По закону Аррениуса скорость процесса с энергией активации Δ E пропорциональна exp (−Δ E / k _B T ), где k _B — постоянная Больцмана. и T — абсолютная температура ( 29 ).Если известен временной масштаб процесса без энергетического барьера, t ₀ , то временной масштаб процесса с барьером определяется как t = t ₀ exp (Δ E / к _B T ).

Зависимость шкалы времени от Δ E является экспоненциальной, поэтому неопределенность шкалы времени будет больше, чем лежащая в основе неопределенность энергетического барьера. К счастью, нам нужен только порядок величины шкалы времени.Для перемещения молекулы на 1 Å при 94 К без энергетического барьера требуется порядка t ₀ = 1 пс. Если, например, требуется энергия активации 8 ккал / моль, это дает масштаб времени 1 пс × exp (8 ккал / моль / k _B T ) = 235000 с (три земных дня). В отсутствие ошибки модели этот временной масштаб является достаточно длинным, чтобы можно было предположить, что азотосома достаточно стабильна, если ее энергетический барьер разложения превышает 8 ккал / моль.С погрешностью 20%, соответствующей ошибке между OPLS и ab initio энергиями связывания компонентов азотосом, более консервативным отсечением будет использование барьера в 10 ккал / моль, что соответствует времени разложения более 100 земных лет. .

Проверка силового поля OPLS

Мы подтвердили точность модели OPLS для наших молекул с помощью квантово-механических расчетов. Мы использовали программу квантовой механики Gaussian 09 с алгоритмом оптимизации Берни ( 30 ), используя уровень теории M062X / aug-cc-pVDZ и неявный углеводородный растворитель ( 31 ).Чтобы вычислить энергии связи, мы сравнили энергию оптимизированной свободно плавающей молекулы с энергией оптимизированной пары молекул. Для квантовой энергии связи мы исправили ошибку суперпозиции базисного набора по мере необходимости ( 32 ). Мы подтвердили структуры OPLS и парные энергии связи каждой из изученных здесь молекул в сравнении с этими квантово-механическими расчетами, и мы исключили любые модели OPLS, которые имели ошибки в расстояниях связи более 0,04 Å, в валентных углах (1 °), в двугранных углов (2 °) и энергий связи (1 ккал / моль).Двугранные, которые являются свободными роторами (например, вращение вокруг связи алканов C-C), не были включены в средние ошибки, поскольку их углы не вносят значительного вклада в энергию. Эти данные перечислены в результатах. Мы выполнили эти тесты, используя ab initio вычисления с вычислительно требовательной, но особенно точной теоретической базой M062X / aug-cc-pVDZ ( 33 ). Этот «миннесотский функционал», как известно, дает точные парные энергии связи для ван-дер-ваальсовых и полярных систем ( 34 ).

После подтверждения достоверности структур, созданных OPLS, с помощью моделирования ab initio, аналогичным образом были подтверждены и энергии связи. Для сравнения были созданы два набора энергий связи, генерируемых ab initio, один в вакууме и один в неявном растворителе. Энергии на основе растворителей ближе к экспериментальным условиям, тогда как энергии в вакууме использовались, по существу, как границы погрешности. Модели OPLS с ошибками энергии связи в растворителе более 1 ккал / моль были исключены.

Методика MD для гибкости мембраны

Чтобы найти гибкость и энергетические барьеры наших кандидатов в азотосомы, нам необходимо вычислить все возможные пути, по которым молекула может покинуть свою азотосому, а затем просуммировать соответствующие свойства этих маршрутов в соответствии с вероятностью их появления. Свойства, которые мы выбрали в качестве важных, — это потенциальная энергия и сила, действующая на тестовую молекулу в направлении мембраны. Чтобы подготовить все эти возможные маршруты, мы начали с репрезентативного участка мембраны, сетки молекул 6 × 6 x — y для каждого вида-кандидата.

Затем этот кусок мембраны периодически расширяли, чтобы имитировать двумерную мембрану произвольной длины. Окружающее пространство было заполнено растворителем метаном. Краевые молекулы (те, для которых x = 0 или y = 0) удерживались фиксированными в направлении z , чтобы удерживать мембрану на месте. Мембране давали возможность уравновеситься, чтобы она самостоятельно собралась в желаемую структуру, как показано на рис. 4.

( A ) Начальная сетка. ( B ) Аминопентан (аморфный). ( C ) Пентаннитрил (гексагональный). ( D ) Акрилонитрил (плотноупакованный гексагональный).

Затем тестовая молекула (в местоположении x , y = 3,3) постепенно удалялась в направлении z . При каждом приращении тестовой молекуле позволяли свободно перемещаться в направлениях [ x , y ]. В направлении z он был слабо ограничен гармоническим потенциалом, что позволяло ему отбирать близлежащие местоположения z , но не покидать окрестности.Эта процедура, известная как «зонтичная выборка», позволяет осуществлять выборку всех возможных конфигураций, а также обеспечивает оценку того, была ли выборка адекватной — мы можем просто проверить, достаточно ли у нас выборок из каждого небольшого приращения в направлении z . Схема этого процесса представлена ​​на рис. 5.

Тестовая молекула постепенно отводится от мембраны в направлении z .

Эта процедура необходима из-за высоких барьеров азотосом для разложения. Если бы барьеры для разложения были низкими, система, естественно, произвела бы выборку разложенных состояний в течение смоделированного времени. Зонтичная выборка вынуждает моделирование достичь этих состояний, даже если для их возникновения потребуется очень много времени из-за собственных флуктуаций.

На каждом из миллионов шагов МД оценивалась функция потенциальной энергии и вычислялась сила, необходимая для удержания тестовой молекулы от мембраны.В результате были получены профили силы и потенциальной энергии в зависимости от расстояния до мембраны, которые приводятся отдельно в дополнительных материалах. Профили силы были интегрированы по расстоянию, чтобы получить профили свободной энергии, как показано на рис. 6. Изменение площади было рассчитано путем измерения отклонения атома азота с выемкой в ​​центре листа и определения площади образованной прямоугольной пирамиды. между ним и удерживаемым атомом азота по углам листа.Эта процедура оказалась очень устойчивой к изменениям общего размера листа. Отклонение зазубренного атома измерялось относительно равновесного состояния мембраны, то есть относительно точки минимума свободной энергии.

Наклон аппроксимирующей линии пропорционален модулю площади K _a .

Потенциальный энергетический барьер для каждой азотосомы был рассчитан путем обнаружения наибольшего разового непрерывного увеличения потенциальной энергии во время разложения каждой азотосомы.Концепция определяющего скорость энергетического барьера в стиле Аррениуса основана на непрерывности барьера. Если существует устойчивое промежуточное состояние, при котором система может повторно уравновеситься, то это не один барьер, а два меньших барьера с резким увеличением предполагаемой скорости реакции. Поскольку мы использовали зонтичную выборку с ее детальным обзором энергетических профилей, мы смогли разделить их на очень мелкие участки (0,05 Å) и убедиться, что внутри наших барьеров нет промежуточных состояний.Пример барьера (акрилонитрил) показан на рис. 7.

Самый большой мгновенный энергетический барьер — это энергия активации разложения азотосомы.

Некоторые из мелких срезов 0,05 Å, почти все в начале и конце, где не могло произойти перекрытие зонтичного отбора проб, содержали менее 500 образцов. Мы удалили эти секции для рассмотрения как барьеры, потому что (500 образцов) × (2 фс на образец) меньше, чем временной масштаб нашего уравновешивания NPT (1000 фс).Это делает наши расчеты энергетического барьера более консервативными, поскольку частота дискретизации секции обратно пропорциональна ее энергии.

Все прогоны МД были выполнены с использованием крупномасштабного атомно-молекулярного массивно-параллельного симулятора (LAMMPS; распространение март 2014 г.) ( 35 ). Стандартные параметры OPLS использовались без изменений из наборов данных Jorgensen 2008 ( 36 ). Были соблюдены типичные передовые методы моделирования мембран с помощью МД. Например, ансамбль постоянной температуры и постоянного давления (NPT) был применен с использованием термостата Носа-Гувера и баростата, причем баростат был анизотропным ( 37 ).Анизотропный баростат позволяет мембране свободно изменять или терять свою структуру, повышая реалистичность моделирования ( 20 ). Температура была установлена ​​на 94 К, а давление на 1,45 атм, аналогично условиям на поверхности Титана ( 17 ). Использовалось интегрирование Верле с шагом по времени 2 фс ( 37 ). Алгоритм «частица-частица-сетка» использовался для добавления дальнодействующих кулоновских взаимодействий, которые важны при моделировании мембран ( 38 ).Короткодействующие силы, кулоновские взаимодействия и силы Леннарда-Джонса вычислялись попарно с радиусом отсечки 8 Å ( 38 ). Каждая мембрана была инициализирована как плоская плоскость x — y с периодическими граничными условиями в x , y и z , как показано на рис. 3. Первоначальный размер ячейки моделирования составлял 21 × 21 × 42 Å. Положение тестируемой молекулы изменяли с шагом 0,2 Å, начиная на 2 Å ниже ее начального положения в мембране и заканчивая на 10 Å выше, что дает 60 имитаций для каждого тестируемого вида.Затем сбор данных выполнялся в течение 1 нс на каждом приращении. Направление z на каждую молекулу оказывалось на ее концевой атом азота или, в неполярной молекуле, на ее концевой атом углерода. Это позволяло каждой молекуле вращаться, если она испытывала асимметричную силу, давая ей доступ к максимальному количеству степеней свободы. Ограничения на краевые молекулы были абсолютными ( z сил были установлены равными нулю), тогда как ограничение на тестовую молекулу было наложено как гармоническая сила с жесткостью пружины 10 ккал / моль-Å.Это умеренное ограничение позволило исследуемой молекуле покрыть диапазон 0,2 Å и перекрыться с диапазонами других моделей, обеспечивая непрерывный анализ свойств системы.

Исправление (25 марта 2015 г.): Обновлен раздел благодарностей.

Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями некоммерческой лицензии Creative Commons Attribution, которая разрешает использование, распространение и воспроизведение на любом носителе, при условии, что конечное использование не преследует коммерческих целей и при условии, что оригинальная работа правильно процитировано.

ССЫЛКИ И УКАЗАНИЯ

1. ↵
2. ↵
3. ↵
4. ↵
6. ↵
7. ↵
8. ↵
9. ↵
10. ↵
CA. E. Lellouch, TE Cravens, Titan: Interior, Surface, Atmosphere, and Space Environment (Cambridge University Press, Кембридж, Великобритания, 2014), т. 14.
13. ↵
15. ↵
16. ↵
17. ↵
18. ↵
19. ↵
20. ↵
21. ↵
22. ↵
24. ↵14↵
26. 9014
28. 9014
29. 9014
30. ↵
31. ↵
32. ↵
33. ↵
34. ↵
35. ↵
36. ↵

    Вт.Йоргенсен, Всеатомные параметры OPLS для органических молекул, ионов, пептидов и нуклеиновых кислот (Йельский университет, Нью-Хейвен, Коннектикут, 2009).

37. ↵
38. ↵

• Авторские права © 2015, Авторы

5.4: Плазменная мембрана — Биология LibreTexts

Сумка, полная желе

Эта простая модель клетки животного в разрезе (рис. \ (\ PageIndex {1} \)) показывает, что клетка напоминает пластиковый пакет, полный желе-О. Его основная структура — плазматическая мембрана, заполненная цитоплазмой.Подобно Jell-O, содержащему смешанные фрукты, цитоплазма клетки также содержит различные структуры, такие как ядро ​​и другие органеллы. Ваше тело состоит из триллионов клеток, но все они выполняют одни и те же основные жизненные функции. Все они получают и используют энергию, реагируют на окружающую среду и размножаются. Как ваши клетки выполняют эти основные функции и поддерживают жизнь самих себя и вас? Чтобы ответить на эти вопросы, вам нужно больше узнать о структурах, из которых состоят клетки, начиная с плазматической мембраны.

Плазматическая мембрана — это структура, которая образует барьер между цитоплазмой внутри клетки и окружающей средой вне клетки. Без плазматической мембраны не было бы клетки. Мембрана также защищает и поддерживает клетку и контролирует все, что входит в нее и выходит из нее. Он позволяет проходить только одним веществам, удерживая другие внутри или снаружи. Чтобы понять, как плазматическая мембрана контролирует то, что попадает в клетку или выходит из нее, вам необходимо знать ее основную структуру.

Двухслойный фосфолипид

Плазматическая мембрана состоит в основном из фосфолипидов , которые состоят из жирных кислот и спирта. Фосфолипиды в плазматической мембране расположены в два слоя, которые называются бислоем фосфолипидов . Как показано на диаграмме ниже, каждая молекула фосфолипида имеет голову и два хвоста. Голова «любит» воду (гидрофильная), а хвосты «боятся» воды (гидрофобные). Водобоязненные хвосты находятся внутри мембраны, тогда как водолюбивые головки направлены наружу, либо в цитоплазму, либо в жидкость, которая окружает клетку.

Гидрофобные молекулы могут легко проходить через плазматическую мембрану, если они достаточно малы, потому что они ненавидят воду, как внутренняя часть мембраны. С другой стороны, гидрофильные молекулы не могут проходить через плазматическую мембрану — по крайней мере, без посторонней помощи — потому что они водолюбивы, как и внешняя часть мембраны.

Другие молекулы в плазменной мембране

Плазматическая мембрана также содержит другие молекулы, в первую очередь другие липиды и белки. Зеленые молекулы на рисунке \ (\ PageIndex {2} \), например, представляют собой липидный холестерин.Молекулы стероидного липида холестерина помогают плазматической мембране сохранять свою форму. Многие белки плазматической мембраны являются транспортными белками, которые помогают другим веществам пересекать клеточную мембрану. Гликопротеины и гликолипиды плазматической мембраны, в частности, имеют углеводную цепь, которая действует как метка для определения типа клетки (рисунок \ (\ PageIndex {3} \)).

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): Рисунок иллюстрирует основные компоненты бислоя фосфолипидов. Зеленые шарики представляют собой сахар.(CC BY 4.0; CNX OpenStax

через Wikimedia.org)

Дополнительные функции плазменной мембраны

Плазматическая мембрана может иметь расширения, такие как штыревые жгутики или щеточные реснички , которые придают ей другие функции. У одноклеточных организмов, подобных тем, которые показаны ниже, эти расширения мембраны могут способствовать перемещению организмов. В многоклеточных организмах расширения выполняют разные функции. Например, реснички на клетках легких человека сметают инородные частицы и слизь по направлению ко рту и носу.

Характеристика: Мое человеческое тело

Если вы курите и вам нужна еще одна причина, чтобы бросить курить, вот вам хорошая причина. Обычно мы думаем о раке легких как о серьезном заболевании, вызванном курением. Но курение может иметь разрушительные последствия для способности организма защищаться от повторяющихся серьезных респираторных инфекций, таких как бронхит и пневмония.

Реснички — это микроскопические, похожие на волосы образования на клетках, выстилающих дыхательную, репродуктивную и пищеварительную системы. Реснички дыхательной системы проходят через большинство дыхательных путей, где они улавливают и удаляют пыль, микробы и другие инородные частицы, прежде чем они могут вызвать у вас заболевание. Реснички выделяют слизь, которая улавливает частицы, и они движутся непрерывным волнообразным движением, которое сметает слизь и частицы вверх к горлу, где они могут быть выведены из организма.Когда вы больны и откашливаете мокроту, вы делаете именно это.

Курение мешает ресничкам выполнять эти важные функции. Химические вещества в табачном дыме парализуют реснички, поэтому они не могут вымывать слизь из дыхательных путей, а также препятствуют образованию слизи ресничками. К счастью, эти эффекты начинают исчезать вскоре после последнего контакта с табачным дымом. Если вы бросите курить, ваши реснички придут в норму. Даже если продолжительное курение разрушило реснички, они снова вырастут и возобновят работу в течение нескольких месяцев после того, как вы бросите курить.

Сводка

• Плазматическая мембрана — это структура, которая образует барьер между цитоплазмой внутри клетки и окружающей средой вне клетки. Это позволяет только определенным веществам проходить внутрь или из клетки.
• Плазматическая мембрана состоит в основном из бислоя молекул фосфолипидов. Он также содержит другие молекулы, такие как стероидный холестерин, который помогает мембране сохранять свою форму, и транспортные белки, которые помогают веществам проходить через мембрану.
• Плазматическая мембрана некоторых клеток имеет расширения, которые выполняют другие функции, например, жгутики, помогающие одноклеточному организму двигаться, или реснички, чтобы поддерживать чистоту наших дыхательных путей.

Обзор

1. Каковы общие функции плазматической мембраны?
2. Опишите фосфолипидный бислой плазматической мембраны.
3. Определите другие молекулы в плазматической мембране и укажите их функции.
4. Почему у некоторых клеток есть расширения плазматической мембраны, такие как жгутики и реснички?
5. а.Объясните, почему гидрофильные молекулы не могут легко проходить через клеточную мембрану.

   г. Какой тип молекулы в клеточной мембране может помочь гидрофильным молекулам проходить через нее?

6. Какая часть молекулы фосфолипида в плазматической мембране состоит из цепей жирных кислот? Эта часть гидрофобная или гидрофильная?

7. Два слоя фосфолипидов в плазматической мембране называются фосфолипидами ____________.

8. Верно или неверно. Жгутики на клетках легких сметают инородные частицы и слизь в направлении вашего рта и носа.

9. Верно или неверно. Небольшие гидрофобные молекулы могут легко проходить через плазматическую мембрану.

10. Верно или неверно. Сторона клеточной мембраны, обращенная к цитоплазме, является гидрофильной.

11. Стероидные гормоны могут проходить непосредственно через клеточные мембраны.Как вы думаете, почему это так?

12. Некоторые антибиотики действуют, проделывая отверстия в плазматической мембране бактериальных клеток. Как вы думаете, как это убивает клетки?

13. Как называется длинное, похожее на хлыст, расширение плазматической мембраны, которое помогает некоторым одноклеточным организмам двигаться?

Узнать больше

Посмотрите видео ниже, чтобы узнать историю открытия структуры клеточных мембран.

Посмотрите видео ниже, чтобы узнать о функциях и строении жгутиков и ресничек.