1 INTRODUKTION
Fosfolipidbilayer-membran (BLM) är ett användbart modellsystem för att undersöka grundläggande aspekter av lipidbilayer-komponenterna i biologiska cellmembran och särskilt för att undersöka deras elastiska egenskaper. De är självsammansatta strukturer av amfipatiska molekyler med fysikaliska egenskaper som liknar dem hos smektiska vätskekristaller . Lipiddubbelskiktsmatrisen kan innehålla både hydrofoba och amfipatiska molekyler som proteiner, andra lipider, peptider, steroider och cosurfaktanter. De elastiska egenskaperna hos lipidmembran som betraktas som kontinuerliga medier har använts i en rad olika studier som sträcker sig från lokala fenomen, t.ex. lipid-lipid-, lipid-protein- och protein-protein-interaktioner, till formfluktuationer i hela celler. Dessutom upprätthålls tvåskiktens flytande kolvätenatur av intermolekylära interaktioner mellan fosfolipider i nanoskopisk skala: elektrostatiska och dipoldipolinteraktioner mellan de polära huvudgrupperna , interaktioner som förmedlas av vattenmolekyler och van der Waals-dispersionsinteraktioner mellan kolvätekedjorna.
Oppgifterna på en BLM är varken helt plana eller stela . BLM-systemet är en nästan tvådimensionell flexibel struktur som kontinuerligt genomgår en mängd olika konformationella och dynamiska övergångar . Dessutom är konstgjorda och naturliga BLM inte isolerande system, utan genomsläppliga för vatten och elektrolyter som diffunderar genom en mångfald av transmembranporer.
Stokastiska transmembranporer genereras av någon av följande mekanismer: slumpmässiga och fördomsfulla termiska fluktuationer (termoporation) och elektrisk utlösning (elektroporation). Lipidmolekyler inuti BLM följer tre olika kategorier av slumpmässiga termiska rörelser: laterala translationer, parallellt med tvåskiktsytan, med den laterala diffusionskoefficienten i storleksordningen 10-7 m2s-1 (Dl) , oscillationer och rotationer runt lipidaxlarna vinkelrätt mot tvåskiktsytan .
Laterala translationer med slumpmässiga riktningar inducerar lokala fluktuationer i tätheten av de polära huvudgrupperna av lipider vid tvåskiktsytorna. En ögonblicksbild av tvåskiktsytan avslöjar därför lokala domäner av nanoskopisk dimension med en högre täthet av polära huvudgrupper (dvs. kluster) samt zoner med lägre täthet. För vissa fysiska förhållanden i BLM (pH, temperatur, lipidkomponenter, elektrokemisk potential etc.) utgör de senare zonerna små lokala defekter (dvs. vakanser) i membranet. I dessa områden kan vattenmolekylerna tränga in i bilagrets hydrofoba matris. Låt oss betrakta fallet med två oberoende defekter från varje monolager som är riktade i en vinkelrät riktning på membranytan. De kan skapa en cylindrisk hydrofob por med den inre ytan flankerad av lipidernas hydrofoba kedjor. Dessa typer av övergående porer är därför av hydrofobisk natur. Det är också möjligt att de polära huvudgrupperna, som är belägna i närheten av en hydrofob por, följer rotationer mot dess inre. I detta fall blir porernas inre hydrofoba yta belagd med polära huvudgrupper. Dessa porer är således hydrofila, har inte längre en cylindrisk geometri och är mer stabila än de hydrofoba porerna . Med andra ord kan de slumpmässiga termiska fluktuationerna i tätheten av polära huvudgrupper i BLM:s två monolager generera stokastiska transmembranporer.
Närvaron av hydrofoba tjocklekssvängningar inuti BLM har påvisats både genom teori och experiment. Detta uppnåddes genom bestämning av värdena för bilagertjocklek (h) från tre oberoende förfaranden: elektriska kapacitansmätningar (hc) , optiska reflektionsmätningar (hr) och direktberäkning (hav). Tanford (1980) beräknade dubbelskiktets tjocklek med hjälp av följande formel: hav = Nl M/ρ, där Nl, M och ρ är antalet lipider per ytenhet, molekylvikten för de hydrofoba kedjorna respektive tätheten i den hydrofoba zonen. På grund av de hydrofoba områdenas ”tjockleksfluktuationer” bör hc vara lika med hav, medan båda i detta fall bör vara mindre än hr med tjockleken på det polära lagret (htp): hc ≅ hav = hr-htp. Om lipiddubbelskiktet skulle ha en jämn tjocklek bör hc vara lika med hav. När det gäller BLM som består av en binär blandning av lipider sker en selektiv förening mellan fosfolipiderna efter det att fosfolipiddomäner uppträder. Deras tjocklek är beroende av längden på lipidkomponenternas kolvätekedja. Popescu et al. (1991) visade att stokastiska porer uppstår i BLM på grund av fluktuationer i tjockleken på tvåskiktet. Höjden på energibarriären för membranperforering enligt en sådan mekanism är dock stor (ca 91 kT, där k och T är Boltzmannkonstanten respektive den absoluta temperaturen). I detta fall har porens geometriska profil en elliptisk toroidform. Det visades också att en sådan transmebranpora kan utvecklas till ett stabilt tillstånd. De resultat som erhölls med denna modell var ganska överraskande på grund av den snabba tidsskalan för stängning av statistiska porer i membran. Två år senare har Zhelev och Needham (1993) skapat stora, kvasistabila porer i vesiklar med två lipidskikt, vilket stämmer överens med den tidigare modellens förutsägelse . Membranets motstånd mot bristning i form av en linjespänning för en stor por i tvåskiktsvesiklar beräknades av Moroz och Nelson (1997) .
Stokastiska transmembranporer kan också bildas genom förvrängd termisk rörelse av lipider . Denna mekanism kallas ibland för termoporation. Porerna uppstår i membranet via en termiskt inducerad aktiveringsprocess. Alternativt kan aktiveringsprocessen för porbildning induceras via ett externt elektriskt fält (även kallat elektroporation) . Porerna som bildas genom elektroporation är större och stabilare . Elektroporationsmekanismen föreslogs för leverans av läkemedel och gener till celler och vävnader.
Transmembranproteinporer bildas av proteinsystem som täcker ett brett spektrum från små peptidkanaler (t.ex. gramicidin, alamethicin, melittin etc.) till stora multimera sammansatta proteinkanaler. Eftersom dessa porer är stora och vattenfyllda kan hydrofila ämnen, inklusive joner, diffundera genom dem, vilket leder till att membranets elektriska potential försvinner. Transmembranproteinporerna består av integrerade proteiner från två stora strukturella klasser: (1) selektiva kanaler som bildas av bundlade transmembrana a-helikala strukturer och (2) selektiva kanaler, porer och poriner som bildas av monomera (t.ex. OmpG), dimera (t.ex. selektiva Cl-kanaler), trimera (t.ex. OmpF) eller multimera transmembrana ß-barrel-strukturer (t.ex. α-hemolysin, leukocidiner, cytolysiner) . Lipiddubbelskiktet kan användas som ett in vitro-system för att studera dessa proteinkanaler när de återskapas till ett funktionellt membran . Dessutom kan BLM användas som ett verktyg för membranproteinkonstruktion och dess tillämpningar inom antingen enmolekylär biofysik eller bioteknologiskt område .
I ett annat exempel bildar colicin Ia, ett protein som utsöndras av Escherichia coli, spänningsstyrda jonkanaler både i målbakteriernas inre membran och i plana BLM . Colicin Ia är en membrantransportör som tillhör klassen av bakterietoxiner som har samma strategi: de infogas i membranet hos den andra näringskonkurrerande bakterien och genererar på så sätt porer av stora dimensioner. Dessa porer skadar den elektrokemiska membranpotentialen och leder slutligen till att de konkurrerande bakterierna dör. Jämfört med de stokastiska porer som nämns ovan har de proteinhaltiga porerna en annan bildningsmekanism och även andra egenskaper. Medan en stokastisk pore ”glömmer” sin bildningsmekanism tycks vissa av de transmembranära proteinporerna (t.ex. colicin Ia) uppvisa ”minneseffekter”, åtminstone under påverkan av en specifik sekvens av pulser som används för elektrisk stimulering av BLM .
Genetiska porer påträffades i väggen på sinusoidkärl från däggdjursleveren. Endotelcellerna i dessa kärl har ett stort antal silplattporer . Dessa porer med en diameter på cirka 0,1 μm gör det möjligt för en del blodplasma och chylomikroner att passera från sinusoidalrummet till Disse-rummet. Därför kontrollerar endotelporerna utbytet av vätskor, lösningsmedel och partiklar mellan det sinusoidala blodet och Disse-utrymmet.
I detta arbete använde vi elasticitetsteorin för kontinuerliga medier för att beskriva uppkomsten av stokastiska porer över plana BLMs.