1 INTRODUCTION
Phospholipid bilayer membranes (BLM’s) representeren een nuttig modelsysteem om fundamentele aspecten van de lipide bilayer componenten van biologische celmembranen te onderzoeken en, in het bijzonder, om hun elastische eigenschappen te onderzoeken. Het zijn zelfgeassembleerde structuren van amfipatische moleculen met fysische kenmerken die sterk gelijken op die van smectische vloeibare kristallen. De lipide bilaag matrix kan zowel hydrofobe als amfipatische moleculen bevatten zoals proteïnen, andere lipiden, peptiden, steroïden en cosurfactanten. De elastische eigenschappen van lipidemembranen beschouwd als continue media zijn gebruikt in een verscheidenheid van studies, variërend van lokale verschijnselen, zoals lipide-lipide , lipide-eiwit en eiwit-eiwit interacties , tot vormfluctuaties van de hele cellen . Bovendien wordt de vloeibare koolwaterstof aard van de bilaag gehandhaafd door inter-moleculaire interacties tussen fosfolipiden op nanoscopische schaal: elektrostatische en dipool-dipool interacties tussen de polaire kopgroepen , interacties bemiddeld door watermoleculen , en van der Waals dispersie interacties tussen koolwaterstofketens .
De oppervlakken van een BLM zijn noch perfect vlak, noch stijf . Het BLM-systeem is een quasi-twee-dimensionale flexibele structuur die voortdurend een verscheidenheid van conformationele en dynamische overgangen ondergaat. Bovendien zijn de kunstmatige en natuurlijke BLMs geen isolerende systemen, maar permeabel voor water en elektrolyten die diffunderen door een verscheidenheid van transmembraan poriën.
Stochastische transmembraan poriën worden gegenereerd door een van de volgende mechanismen: willekeurige en bevooroordeelde thermische fluctuaties (thermoporatie), en elektrische triggering (electroporatie). Lipidemoleculen binnen BLM volgen drie verschillende categorieën van willekeurige thermische bewegingen: laterale vertalingen, parallel aan het bilayer oppervlak, met de laterale diffusiecoëfficiënt in de orde van 10-7 m2s-1 (Dl), oscillaties en rotaties rond de lipide assen loodrecht op het bilayer oppervlak.
Laterale vertalingen met willekeurige richtingen induceren lokale fluctuaties van de dichtheid van de lipide polaire kopgroepen op bilayer oppervlakken. Daarom onthult een momentopname van het bilaagoppervlak lokale domeinen van nanoscopische dimensie met een hogere dichtheid van polaire kopgroepen (d.w.z. clusters), evenals zones met een lagere dichtheid. Voor bepaalde fysische condities van BLM (pH, temperatuur, lipide componenten, elektrochemische potentiaal, enz.), vertegenwoordigen deze laatste zones kleine lokale defecten (d.w.z. vacatures) van het membraan. In deze domeinen kunnen de watermoleculen doordringen in de hydrofobe matrix van de bilaag. Laten we eens kijken naar het geval van twee onafhankelijke defecten van elke monolaag die in een loodrechte richting op het membraanoppervlak zijn uitgelijnd. Zij kunnen een cilindrische hydrofobe porie vormen waarvan het binnenoppervlak geflankeerd wordt door de hydrofobe ketens van de lipiden. Daarom zijn dit soort transiënte poriën van hydrofobe aard. Het is ook mogelijk dat de polaire kopgroepen, die zich in de nabijheid van een hydrofobe porie bevinden, aan rotaties naar het inwendige ervan gehoorzamen. In dit geval zal het interne hydrofobe oppervlak van de poriën bedekt raken met polaire kopgroepen. Deze poriën zijn dus hydrofiel van aard, hebben geen cilindrische geometrie meer en zijn stabieler dan de hydrofobe poriën. Met andere woorden, de willekeurige thermische fluctuaties van de polaire kopgroepdichtheid in de twee monolagen van BLM zijn in staat om stochastische transmembraanporiën te genereren.
De aanwezigheid van hydrofobe diktefluctuaties binnen BLM werd zowel door theorie als experiment aangetoond. Dit werd bereikt door bepaling van de waarden van de bilaagdikte (h) uit drie onafhankelijke procedures: elektrische capaciteitsmetingen (hc) , optische reflectiemetingen (hr) , en directe berekeningen (hav). Tanford (1980) berekende de dikte van de bilaag met de volgende formule hav = Nl M/ρ, waarbij Nl, M en ρ respectievelijk het aantal lipiden per oppervlakte-eenheid, het molecuulgewicht van de hydrofobe ketens en de dichtheid van de hydrofobe zone zijn. Wegens de “dikteschommelingen” van de hydrofobe zones moet hc gelijk zijn aan hav, terwijl in dit geval beide kleiner moeten zijn dan hr door de dikte van de polaire laag (htp): hc ≅ hav = hr-htp. Indien de lipidenbilaag een uniforme dikte zou hebben, dan zou hc gelijk moeten zijn aan hav. In het geval van BLM samengesteld uit een binair mengsel van lipiden, vindt een selectieve associatie tussen fosfolipiden plaats na het verschijnen van fosfolipide domeinen. De dikte van deze domeinen is afhankelijk van de lengte van de koolwaterstofketen van de lipidecomponenten. Popescu et al. (1991) toonden het ontstaan aan van stochastische poriën in BLMs ten gevolge van fluctuaties in de dikte van de bilaag. De hoogte van de energiebarrière voor membraanperforatie volgens een dergelijk mechanisme is echter groot (ongeveer 91 kT, waarbij k en T respectievelijk de constante van Boltzmann en de absolute temperatuur zijn). In dit geval heeft het geometrische profiel van de porie een elliptische toroïdale vorm. Er werd ook aangetoond dat een dergelijke transmebrane porie kan evolueren naar een stabiele toestand. De resultaten die met dit model werden verkregen waren tamelijk verrassend, gezien de snelle tijdschaal voor sluiting van statistische poriën in membranen. Twee jaar later hebben Zhelev en Needham (1993) grote, quasistabiele poriën in lipide bilaagblaasjes gecreëerd, waarmee zij overeenstemden met de vorige modelvoorspelling. De weerstand van het membraan tegen scheuren in termen van een lijnspanning voor een grote porie in bilaagblaasjes werd berekend door Moroz en Nelson (1997).
Stochastische transmembraanporiën kunnen ook worden gevormd door een bevooroordeelde thermische beweging van lipiden. Dit mechanisme wordt ook wel thermoporatie genoemd. De poriën ontstaan in het membraan via een thermisch geïnduceerd activeringsproces. Het activeringsproces voor poriënvorming kan ook worden geïnduceerd via een extern elektrisch veld (ook wel elektroporatie genoemd). De door elektroporatie gevormde porie is groter en stabieler. Het electroporation mechanisme werd voorgesteld voor de levering van geneesmiddelen en genen aan cellen en weefsels .
Transmembraan eiwit poriën worden gevormd door eiwitachtige systemen die een breed scala bestrijken van kleine peptide kanalen (b.v. gramicidin, alamethicin, melittin etc.) tot grote eiwit multimeer geassembleerde kanalen. Aangezien deze poriën groot en met water gevuld zijn, kunnen de hydrofiele stoffen, waaronder ionen, er doorheen diffunderen, waardoor de elektrische potentiaal van het membraan wordt afgevoerd. Transmembraanproteïneporiën bestaan uit integrale proteïnen van twee grote structurele klassen: (1) selectieve kanalen gevormd door gebundelde transmembraan a-helicale structuren, en (2) selectieve kanalen, poriën en poriën gevormd door monomere (b.v. OmpG), dimere (b.v. selectieve Cl-kanalen), trimere (b.v. OmpF) of multimere transmembraan ß-vatstructuren (b.v. α-hemolysine, leukocidines, cytolysines) . De lipidenbilaag kan worden gebruikt als een in vitro systeem om deze eiwitkanalen te bestuderen wanneer zij worden gereconstitueerd tot een functioneel membraan . Bovendien kunnen de BLMs worden gebruikt als een instrument voor membraaneiwit engineering en de toepassingen ervan in ofwel single-molecule biofysica of biotechnologisch gebied.
In een ander voorbeeld, colicine Ia, een eiwit gesecreteerd door Escherichia coli, vormt spanning-geactiveerde ionkanalen zowel in het binnenste membraan van doelbacteriën en in planaire BLMs . Colicine Ia is een membraantransporter die behoort tot de klasse van bacteriële toxinen met dezelfde strategie: zij worden ingebracht in het membraan van de andere bacterie die met voedingsstoffen concurreert, waardoor poriën van grote afmetingen ontstaan. Deze poriën beschadigen het elektrochemische membraanpotentiaal en veroorzaken tenslotte de dood van deze concurrerende bacteriën. In vergelijking met de hierboven genoemde stochastische poriën, hebben de eiwitporiën een ander mechanisme van vorming en ook andere eigenschappen. Terwijl een stochastische porie zijn ontstaansmechanisme “vergeet”, schijnen sommige van de transmembrane eiwitporiën (b.v. colicine Ia) “geheugen”-effecten te vertonen, althans onder invloed van een specifieke opeenvolging van pulsen die voor de elektrische stimulatie van BLM worden gebruikt.
Genetische poriën werden aangetroffen in de wand van sinusoïde vaten van de zoogdierlever. De endotheelcellen van deze vaten hebben talrijke zeefplaatporiën. Deze poriën met een diameter van ongeveer 0,1 μm laten een deel van het bloedplasma en de chylomicronen door van de sinusoïdale ruimte naar de ruimte van Disse. Daarom controleren de endotheliale poriën de uitwisseling van vloeistoffen, oplosmiddelen en deeltjes tussen het sinusoïdale bloed en de ruimte van Disse.
In dit werk hebben we de elasticiteitstheorie van continue media gebruikt om het verschijnen van stochastische poriën over planaire BLMs.
te beschrijven