跨越不对称磷脂膜的肽段转运：对称与不对称膜的渗透性差异

论文信息

标题: Peptide translocation across asymmetric phospholipid membranes

发表时间: 2024

发表作者: Ladislav Bartoš and Robert Vačha

发表机构:

CEITEC – Central European Institute of Technology, Brno, Czech Republic
National Centre for Biomolecular Research, Faculty of Science, Masaryk University, Brno, Czech Republic
Department of Condensed Matter Physics, Faculty of Science, Masaryk University, Brno, Czech Republic

关键词: 细胞膜，磷脂，脂质组成，渗透性，肽转位

摘要跨越细胞膜的分子运输对于细胞的正常功能和有效的药物输送至关重要。虽然大多数细胞膜自然地具有不对称的脂质组成，但是关于膜传输的研究主要使用对称脂质膜。然后通过对称双层膜中两片层的透过率之和来计算通过不对称膜的渗透性。在这项研究中，大阳城集团娱乐在线研究了两种类型的两性分子如何跨越不对称和对称膜。利用粗粒化和原子级力场进行计算机模拟，大阳城集团娱乐在线计算了模型两性肽和一个脂质通过各种膜的通道自由能剖面。大阳城集团娱乐在线的结果一致表明，虽然具有小差异应力的不对称膜在脂质头基区域与对称膜一致，但在膜中心区域剖面有所不同。在这个区域，不对称膜的自由能在两个对称膜之间的剖面之间转换。此外，大阳城集团娱乐在线还表明，通过不对称膜的肽渗透性并不能总是从对称膜的渗透性来预测。这表明使用对称膜无法准确描述肽跨越不对称膜的情况。

一句话摘要: 本研究通过计算模拟发现，肽在非对称膜中的渗透性不能仅通过对称膜的渗透性来预测，这表明使用对称膜无法准确描述肽在非对称膜中的转位过程。

https://doi.org/10.1016/j.bpj.2024.02.006
2024 Biophysical Society.

细胞膜作为生物体内外物质交换的关键屏障，其不对称性对于分子的跨膜转运具有重要影响。然而，目前关于膜转运的研究大多集中在对称膜上，忽视了天然细胞膜的不对称性。本研究通过粗粒化和原子级分子动力学模拟，揭示了两种两亲性分子（肽段和脂质）在不对称和对称膜中的自由能剖面，为理解肽段跨膜转运提供了新的视角。

背景信息

细胞膜的不对称性是细胞功能的重要组成部分，而对于药物传递系统的设计而言，了解分子如何穿越这种不对称膜至关重要。尽管如此，大多数研究仍然使用对称膜来模拟和研究分子的跨膜转运，这可能无法准确反映实际生物膜的情况。

问题陈述

目前对于肽段等两亲性分子在不对称膜中的渗透性研究不足，导致大阳城集团娱乐在线对其跨膜机制的理解存在盲点。此外，传统的研究方法可能无法准确预测分子在不对称膜中的渗透率。

研究目的和意义

本研究旨在通过模拟肽段在不对称和对称膜中的转运，探究不对称性对肽段渗透性的影响，从而为药物设计和细胞膜功能研究提供新的理论基础。

研究方法概述

研究采用粗粒化和原子级分子动力学模拟，计算了模型两亲性肽段和脂质在不同膜中的自由能剖面。通过比较不对称膜与对称膜的自由能剖面，揭示了肽段在不对称膜中的转运特性。

论文组织结构

本文首先介绍了研究的背景和意义，随后详细描述了研究方法和模拟过程，最后通过对比分析，总结了不对称膜与对称膜在肽段转运中的差异。

肽段在不对称膜中的转运特性

研究发现，肽段在不对称膜中的转运自由能剖面与对称膜存在显著差异。在膜的头基区域，不对称膜的自由能剖面与对称膜相似，但在膜中心区域，两者的剖面则有所不同。这表明，肽段在不对称膜中的转运不能简单地从对称膜的渗透性预测。

肽段跨膜转运的自由能剖面

肽段在不对称膜中的转运可以划分为三个区域：模仿上叶片的对称剖面区域、模仿下叶片的对称剖面区域和中间的独特区域。在模仿区域，肽段的转运过程与单一组分的对称膜相似，而在中间区域，肽段直接与上下叶片的脂质接触，导致自由能剖面与任何对称膜都不同。

肽段转运难度的评估

肽段在不对称膜中的转运难度，即转运障碍的高度，不能总是通过平均两种纯膜的转运障碍来可靠预测。例如，LK肽段在POPE/POPG不对称膜中的转运障碍，与纯POPE和POPG膜的障碍有显著差异，这表明不对称膜的渗透性不能简单地从纯膜的渗透性推断。

数量不对称性和大的差异应力

研究还发现，当膜的两个叶片在脂质数量上存在不对称性时，肽段的转运自由能剖面与对称膜相比有很大不同，即中间区域覆盖了整个膜。这一发现与传统的渗透性估算方法不符，后者通常基于对称膜的渗透性来估算不对称膜的渗透性。

脂质翻转的自由能剖面

为了验证肽段转运行为是否适用于其他分子，研究还探讨了脂质在不对称和对称膜中的翻转。结果显示，脂质翻转的自由能剖面也遵循与肽段转运相同的趋势，即存在模仿纯膜的区域和中间过渡区域。

结论

本研究表明，肽段在不对称膜中的转运特性与对称膜有显著差异，且不能简单地从对称膜的渗透性预测不对称膜的渗透性。这一发现对于理解细胞膜功能和设计药物传递系统具有重要意义。未来的研究可以进一步探索其他类型的脂质和分子在不对称膜中的渗透行为，以及不对称性对细胞膜其他功能的影响。

概述

本文研究了两种两亲分子（模型两性肽和脂质）穿越不对称和对称磷脂膜的行为。使用粗粒度和原子级力场计算，发现在膜的中心区域，不对称膜的自由能轮廓与两个对称膜之间发生转变。实验还表明，通过不对称膜的肽渗透性不能总是从对称膜的渗透性预测出来，因为当不同叶片的吸附状态稳定性不同时，简单地用对称膜的数据来近似是不可靠的。此外，研究发现，对于具有较大差异应力的不对称膜，叶片张力显著影响肽的吸附，导致整个不对称膜上的行为有所不同。这意味着利用对应的对称膜的渗透率/屏障来简单近似肽在不对称膜中的转录率/屏障是不准确的。这项研究强调了在研究生物分子穿过细胞膜的渗透时，考虑膜不对称性的重要性。

背景

生物膜作为半透性屏障，对某些分子进入细胞的能力至关重要。虽然自然渗透的分子通常是小的和非带电的，但一些较大、两亲性的分子（包括多肽）也能通过膜。抗菌多肽能够横穿细胞膜，扰乱细胞内过程，导致细胞死亡；同样，细胞内渗透多肽被用于跨细胞膜运输各种分子货物，包括药物进入细胞质。了解多肽横穿膜的机理可用于开发针对传染病的新疗法。许多生物膜本质上是非对称的，展示出每层不同的脂质组成和性质。尽管有这种非对称性，研究主要集中在对称膜上的多肽横穿，即两层有相同脂质组成的双层。这种对称选择部分是因为在体外研究中构建非对称双层存在挑战。现有的研究尚未专门调查抗菌和细胞内渗透多肽在非对称膜上的横穿。因此，对于这些多肽在非对称膜上横穿的知识有限，不确定对称膜研究的发现是否能可靠地应用于它们的非对称对等物。此研究通过使用粗略的分子动力学模拟和自由能计算，探究了多肽在非对称膜上的横穿，发现多肽通过非对称膜的速率常不能从在由相同脂质构成的对称膜上观察到的速率准确推断出来。这表明，仅利用对称膜来描述多肽在非对称膜中的横穿，未能提供准确的表述。

方法

该论文通过实验研究方法进行的研究。在研究部分，作者详细描述了使用了特定的肽段和蛋白质，构造了多种不同类型的实验模型，包括对称和不对称膜的构建和模拟。研究中采用的技术和工具包括Modeller v9.11软件、martinize2脚本、Martini 3力场、insane脚本等，这些技术使得研究能够在分子水平上进行详细的模拟和分析。

具体来说，实验设计包括了：

模拟了14种不同的对称和不对称膜，使用了不同类型的脂质分子构造膜。
对膜的潜在能量进行了最小化处理，并使用了不同阶段和时间步长的模拟过程对膜进行了平衡处理【7:1†source】。

这些膜的构造和模拟过程用于进一步的插入和吸附模拟实验，来探讨特定肽段和蛋白质与膜相互作用的机制。这项研究通过详细的实验设计和模拟，展示了其在理解膜-肽相互作用方面的新见解。

总体而言，这项研究利用了实验研究的方法，在分子层面上研究了肽段和蛋白质与生物膜之间的相互作用。通过构建和模拟多种膜结构，研究提供了对于这些相互作用机制更深层次的理解，体现了实验研究方法在生物物理研究中的应用和价值。

结论

摘要: 论文研究了跨细胞膜转运的分子，强调大部分细胞膜自然存在的不对称脂质组成，而研究通常使用对称脂质膜。通过对比两种类型的两亲分子（模型两亲肽和脂质）穿越对称和不对称膜的行为，利用粗粒化和原子力场的计算机模拟，找到了自由能剖面在膜中心周围的区别。
结论:
- 研究利用粗粒化的Martini 3力场对两种模型肽跨对称和不对称膜的转运自由能进行了计算，对于小的差异压力的不对称膜，识别出了模仿对称膜转运的区域以及独特行为的区域。
- 对于大的差异压力的不对称膜，研究观察到叶片张力显著影响肽的吸附，导致整个不对称膜的区别行为。
- 研究结果表明，当一个肽以不同的强度吸附到不对称膜的对立叶片上时，其转运率/屏障不能简单地使用对应的对称膜获得的转运率/屏障来近似。
- 这些发现为分子穿越不对称膜的行为提供了见解，并强调了在研究细胞膜上生物分子的渗透时考虑膜不对称性的重要性。

跨越不对称磷脂膜的肽段转运：对称与不对称膜的渗透性差异

https://doi.org/10.1016/j.bpj.2024.02.006
2024 Biophysical Society.

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背景信息

问题陈述

研究目的和意义

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肽段在不对称膜中的转运特性

肽段跨膜转运的自由能剖面

肽段转运难度的评估

数量不对称性和大的差异应力

脂质翻转的自由能剖面

结论

跨越不对称磷脂膜的肽段转运：对称与不对称膜的渗透性差异