Lipide aus dem Gleichgewicht: Energetik der Desorption und porenvermittelter Flip-Flop

Das Potenzial der mittleren Kraft (PMF) eines Phospholipids in einer Doppelschicht ist eine wichtige thermodynamische Eigenschaft, die die energetischen Kosten lokalisierter Lipidfehler beschreibt. Wir haben das PMF durch Regenschirm-Sampling unter Verwendung von Molekulardynamik-Simulationen berechnet. Das Profil weist ein tiefes Minimum an der Gleichgewichtsposition in der Doppelschicht auf und steigt steil für Verschiebungen sowohl tiefer in die Doppelschicht als auch weg von der Doppelschicht an. Wenn das Lipid den Kontakt zur Doppelschicht verliert, flacht das Profil abrupt ab, ohne dass eine signifikante Barriere besteht. Die berechnete freie Energie-Differenz von 80 kJ/mol zwischen dem Minimum des PMF und dem Wert in Wasser stimmt gut mit der freien Energie-Differenz überein, die aus der experimentell gemessenen kritischen Mizellenkonzentration berechnet wurde. Signifikante Wasser/Lipid-Defekte bilden sich, wenn ein Lipid in das Innere der Doppelschicht gedrängt wird, in Form eines kleinen Wasserporen, die die Membran durchspannt. Die benötigte Energie zur Bildung einer solchen Wasserpore beträgt ebenfalls 80 kJ/mol. Auf Grundlage dieser Energie schätzen wir die Flip-Flop-Rate des Lipids und die Permeabilitätsrate von Natriumionen. Die resultierenden Raten stimmen gut mit experimentellen Messungen überein, was darauf hindeutet, dass Flip-Flop und basale Permeabilität der Ionen porenvermittelt sind.