Распределение холестерина в асимметричных мембранах под влиянием состава и разности напряжений

Многие липидные мембраны эукариотических клеток асимметричны: два их монослоя различаются по крайней мере по одному физическому свойству, например по составу липидов или латеральному напряжению. Поддержанию этой асимметрии способствует то, что обычные фосфолипиды редко переходят из одного монослоя в другой. Холестерин, однако, служит исключением: время его трансмембранного перехода составляет микросекунды, поэтому распределение холестерина между монослоями определяется химическим равновесием. В частности, преимущественное распределение может приводить к накоплению холестерина в монослое с более высокой степенью насыщенности липидов, а асимметрия числа молекул фосфолипидов — вытеснять его из сжатого монослоя. Сочетая крупнозернистое моделирование мембран с теоретическим моделированием, мы изучили, как эти два фактора действуют друг против друга до установления равновесия химического потенциала холестерина. Теоретическая модель включает два связанных упругих слоя и свободную энергию смешения Флори—Хаггинса с параметром χ. Мы получили зависимость между χ и силой взаимодействия холестерина с липидами в каждом из двух монослоёв и установили, что она лишь незначительно зависит от асимметрии числа липидов. Результаты измерения разности напряжений при различных условиях асимметрии согласуются с теоретическими предсказаниями. Сочетание двух типов асимметрии позволяет с помощью регулирования смешения холестерина в монослоях компенсировать смещение, обусловленное асимметрией числа фосфолипидов, и вызванное им напряжение мембраны.