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利用测地线曲率驱动的蛋白质-膜界面的蛋白质诱导膜形态的计算模型。 (英语) Zbl 07508382号

摘要:嵌入蛋白质诱导的双层膜形态动力学的连续或混合建模需要识别蛋白质-膜界面和耦合两个表面的变形。在本文中,我们开发了(i)用于描述这些界面的最小总测地曲率模型,以及(ii)通过每个曲面到公共中间环的保角映射,在两个曲面之间建立一对一的数值映射。我们的工作为确定双层和嵌入蛋白质之间的界面提供了第一种易于计算的方法。一对一映射允许方便地耦合两个曲面的形态。我们将这两个新的发展集成到蛋白质-膜相互作用的能量模型中,并为耦合系统开发了全套数值方法。通过数值例子证明了(1)我们的方法在高度复杂的蛋白质表面上定位具有最小总测地曲率的曲线的效率和鲁棒性,(2)这些界面作为膜变形内部边界的有用性,以及(3)不同蛋白-膜界面的双层表面的丰富形态。

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92年XX月 生物学和其他自然科学
74-XX岁 可变形固体力学
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参考文献:

[1] Guidotti,G.,膜蛋白,年鉴。生物化学评论。,41, 1, 731-752 (1972)
[2] Takamori,S。;霍尔特,M。;斯特纽斯,K。;Lemke,E.A。;Gronborg,M。;里德尔,D。;Urlaub,H。;申克,S。;布鲁格,B。;林格,P。;穆勒,S.A。;B.拉姆纳。;格拉特,F。;Hub,J.S。;格鲁特,B.L.D。;Mieskes,G。;森山,Y。;Klingauf,J。;Grubmuller,H。;Heuser,J。;维兰德,F。;Jahn,R.,贩运细胞器的分子解剖学,细胞,127,4,831-846(2006)
[3] 安徒生,O.S。;Koeppe,R.E.,《双层厚度和膜蛋白功能:能量视角》,《年鉴》。生物物理学评论。生物摩尔。结构。,36, 1, 107-130 (2007)
[4] 苏哈雷夫,S。;Sachs,F.,《离子通道的分子力转导——多样性和统一原则》,《细胞科学杂志》。,125, 13, 3075-3083 (2012)
[5] Lee,K.I。;Pastor,R.W。;安徒生,O.S。;Im,W.,评估弹性双层变形的近晶液晶连续体模型,化学。物理学。脂质,169,19-26(2013)
[6] Choe,S。;Hecht,K.A。;Grabe,M.,《测定膜蛋白插入能量和带电残基问题的连续性方法》,J.Gen.Physiol。,131, 563-6573 (2008)
[7] 周Y.C。;卢,B。;Gorfe,A.A.,蛋白质-膜相互作用的连续机电模型,物理学。版本E,82,4,第041923条pp.(2010)
[8] 陈,X。;Cui,Q.,《计算分子生物力学:应用于大电导机械敏感通道选通的分层多尺度框架》,(Dumitrica,T.,《计算纳米力学趋势》,《计算纳力学趋势、计算化学和物理的挑战和进展》,第9卷(2010年),施普林格:施普林格荷兰),535-556
[9] Sigurdsson,J.K。;Brown,F.L。;Atzberger,P.J.,《含扩散蛋白内含物的波动脂质双层膜的混合连续粒子法》,J.Compute。物理。,252, 65-85 (2013) ·Zbl 1349.92057号
[10] 阿格多,D。;北卡罗来纳州贝瑟尔。;马可林,F.V。;Wolgemuth,C.W。;Grabe,M.,《测定蛋白质诱导的膜变形的新连续体方法》,《生物物理学》。J.,112,102159-2172(2017)
[11] Canham,P.B.,《弯曲的最小能量作为人类红细胞双凹形状的可能解释》,J.Math。生物学,26,61-81(1970)
[12] Helfrich,W.,脂质双层的弹性特性:理论和可能的实验,Z.Naturforsch。,28c、693-703(1973)
[13] Evans,E.,膜双层中的抗弯性和化学诱导力矩,Biophys。J.,14923-931(1974)
[14] Kim,T。;Lee,K.I。;莫里斯,P。;Pastor,R.W。;安徒生,O.S。;Im,W.,疏水错配对禾本科菌素a和脂质双层结构和动力学的影响,生物物理学。J.,102,7,1551-1560(2012)
[15] Tang,Y。;曹,G。;陈,X。;Yoo,J。;Yethiraj,A。;Cui,Q.,研究大分子机械响应的有限元框架:应用于机械敏感性通道MscL的门控,生物物理。J.,91,1248-1263(2006)
[16] Feig,M。;纳沃洛基,G。;余一。;王红,P。;Sugita,Y.,《通过细胞环境的分子动力学将模拟与实验联系起来的挑战和机遇》,J.Phys。Conf.序列号。,1036,第012910条pp.(2018)
[17] 北巴维。;科尔特斯,C.D。;Marienand Cox,D。;罗德,P.R。;刘伟。;Deitmer,J.W。;Bavi,O。;斯特罗普,P。;Hill,A.P。;里斯·D·。;科里,B。;佩罗佐,E。;Martinac,B.,MscL两亲性n末端的作用表明了机械敏感通道的双层介导门控的蓝图,Nat.Commun。,第7条,第11984页(2016年)
[18] Fournier,J.B.,各向异性膜包裹体的非拓扑鞍隙和曲率不稳定性,物理。修订稿。,76, 4436-4439 (1996)
[19] Noguchi,H。;Fournier,J.-B.,两类香蕉状蛋白质诱导的膜结构形成,软物质,134099-4111(2017)
[20] Zhou,Y.C.,关于蛋白质在膜表面上的曲率驱动的旋转扩散,SIAM J.Appl。数学。,80, 359-381 (2020) ·Zbl 1441.35010号
[21] Callenberg,K.M。;北卡罗来纳州拉托拉卡。;Grabe,M.,膜弯曲对膜中电压传感器段的稳定性至关重要,J.Gen.Physiol。,140, 1, 55-68 (2012)
[22] 阿德金斯,M。;周永川,测地曲率驱动的表面微畴形成,J.Compute。物理。,345, 260-274 (2017) ·Zbl 1378.92007年
[23] Pierotti,R.A.,《水溶液和非水溶液的定标粒子理论》,《化学》。修订版,76717-726(1976)
[24] Wagoner,J.A。;Baker,N.A.,《评估非极性平均溶剂化力的隐式模型:弥散和体积项的重要性》,Proc。国家。阿卡德。科学。美国,103,22,8331-8336(2006)
[25] Grayson,M.A.,《缩短嵌入曲线》,Ann.Math。,129, 71-111 (1989) ·Zbl 0686.53036号
[26] Gage,M.E.,《曲面上的曲线缩短》,《科学年鉴》。埃及。标准。上级。(4), 23, 2, 229-256 (1990) ·Zbl 0713.53022号
[27] Osher,S。;Sethian,J.A.,《以曲率相关速度传播的前沿:基于哈密尔顿-雅可比公式的算法》,J.Compute。物理。,79, 1, 12-49 (1988) ·Zbl 0659.65132号
[28] Sethian,J.A.,《水平集方法和快速行进方法》(1999),剑桥大学出版社·Zbl 0973.76003号
[29] 吴,C。;Tai,X.C.,单纯形曲面上测地曲率流的水平集公式,IEEE Trans。视觉。计算。图表。,16, 647-662 (2010)
[30] 刘,Z。;张,H。;Wu,C.,关于三角曲面上水平集公式的测地曲率流,J.Sci。计算。,70, 2, 631-661 (2017) ·Zbl 1391.65041号
[31] Wang,J.Y。;Betelu,S。;Law,B.M.,《接近一级润湿转变的线张力:接触角测量的实验结果》,Phys。E版,63,第031601条,pp.(2001)
[32] 巴斯克斯,美国。;西诺达。;摩尔,P.B。;Chiu,C.-C。;Nielsen,S.O.,《计算平面固体和液体之间的表面张力:三种不同拓扑方法的理论和计算机模拟研究》,J.Math。化学。,45, 1, 161-174 (2009) ·Zbl 1258.74070号
[33] Argudo,D。;北贝瑟尔。;马可林,F。;Grabe,M.,《膜及其与蛋白质相互作用的连续描述:朝向化学精确模型》,Biochim。生物物理学。生物医学学报。,1858, 1619-1634 (2016)
[34] 哈姆,M。;Kozlov,M.M.,《液膜倾斜和弯曲的弹性能》,《欧洲物理学》。J.E,3,4,323-335(2000)
[35] Jablin,M.S。;Akabori,K。;Nagle,J.F.,《生物膜力学倾斜相关理论的实验支持》,Phys。修订稿。,113,第248102条pp.(2014)
[36] Ryham,R.J。;Klotz,T.S。;姚明,J。;Cohen,F.S.,《计算聚变步骤的跃迁能垒和表征活化态》,生物物理学。J.,110,5,1110-1124(2016)
[37] Bardhan,J.P.,非局部连续静电理论预测蛋白质中电荷埋藏的能量惩罚惊人地小,J.Chem。物理。,135,第104113条pp.(2011)
[38] Hildebrandt,A。;布洛西,R。;Rjasanow,S。;科尔巴赫,O。;Lenhof,H.-P.,非局部静电的新公式,物理学。修订稿。,93,第108104条pp.(2004)
[39] 谢,D。;姜瑜。;Scott,L.R.,离子溶剂中蛋白质非局部介电模型的高效算法,SIAM J.Sci。计算。,35, 1267-1284 (2013) ·Zbl 1287.35092号
[40] Li,B.,非均匀离子尺寸离子溶液的连续静电,非线性,22811(2009)·Zbl 1160.35383号
[41] 卢,B。;Zhou,Y.C.,模拟生物分子扩散反应过程的Poisson-Nernst-Planck方程II:尺寸对离子分布和扩散反应速率的影响,生物物理学。J.,1002475-2485(2011)
[42] 米库基,M。;周永川,双层类脂膜带电表面上的静电力,SIAM J.Appl。数学。,74, 1-21 (2014) ·兹比尔1293.35317
[43] Sitkoff,D。;Bental,N。;Honig,B.,使用连续溶剂模型计算烷烃到水的溶剂化自由能,J.Phys。化学。,100, 7, 2744-2752 (1996)
[44] 陈,Z。;赵,S。;Chun,J。;托马斯·D·G。;贝克,N.A。;贝茨,P.W。;Wei,G.W.,非极性溶剂化分析的变分方法,J.Chem。物理。,137,8,第084101条pp.(2012)
[45] Cantor,R.S.,《膜侧压力分布:全身麻醉的物理机制》,《生物化学》,36,9,2339-2344(1997)
[46] Cantor,R.S.,双层中的脂质组成和侧压力分布,生物物理。J.,76,2625-2639(1999)
[47] Marsh,D.,《脂质双层侧压力剖面图》,1253-1256(2013),施普林格:施普林格-柏林-海德堡,柏林,海德堡
[48] Marsh,D.,《侧向压力剖面、自发曲率挫折以及膜中蛋白质的结合和构象》,《生物物理》。J.,93,3884-3899(2007)
[49] Drozdova,A.A。;Mukhin,S.I.,弯曲脂质膜和机械敏感性通道门控的侧压力分布,bioRxiv
[50] Li,B.,静电自由能最小化和隐式溶剂分子溶剂化的泊松-玻耳兹曼方程,SIAM J.数学。分析。,40, 2536-2566 (2009) ·邮编:1180.35504
[51] Wei,G.-W.,基于微分几何的多尺度模型,Bull。数学。《生物学》,72,6,1562-1622(2010)·Zbl 1198.92001号
[52] 杜琪。;Ju,L。;Tian,L.,曲面上Cahn-Hilliard方程的有限元近似,计算。方法应用。机械。工程,200,29-32,2458-2470(2011)·Zbl 1230.80010号
[53] 卡塞勒斯,V。;Kimmel,R。;Sapiro,G.,测地活动轮廓,国际计算杂志。视觉。,22, 1, 61-79 (1997) ·Zbl 0894.68131号
[54] 斯皮拉,A。;Kimmel,R.,《参数流形上的几何曲线流动》,J.Compute。物理。,223, 1, 235-249 (2007) ·Zbl 1118.53004号
[55] 波辛克,K。;克拉伊·伊格利奇,V。;May,S.,对称脂质双层中两个圆柱形内含物之间的相互作用,J.Chem。物理。,119, 14, 7435-7444 (2003)
[56] May,S.,《由完整蛋白质诱导的膜扰动:脂链构象限制的作用》,Langmuir,18,16,6356-6364(2002)
[57] 周Y.C。;费格,M。;Wei,G.W.,《连续介质环境中的高精度生物分子静电学》,J.Compute。化学。,29, 87-97 (2008)
[58] 卢,B。;周Y.C。;霍尔斯特,M。;McCammon,J.A.,生物物理应用泊松-玻耳兹曼方程数值解的最新进展,Commun。计算。物理。,3, 973-1009 (2008) ·Zbl 1186.92005号
[59] Der,A。;科勒曼,L。;费边,L。;Taneva,S.G。;Fodor,E。;巴利,T。;库班,A。;Cacase,M.G。;Ramsden,J.J.,《界面水结构控制蛋白质构象》,J.Phys。化学。B、 111,19,5344-5350(2007年)
[60] Geng,W。;Krasny,R.,用于溶剂化生物分子静电的树加速边界积分Poisson-Boltzmann解算器,J.Compute。物理。,247, 62-78 (2013) ·Zbl 1349.78084号
[61] 陈,J。;Geng,W.,关于预处理树码加速边界积分(tabi)Poisson-Boltzmann解算器,J.Compute。物理。,373, 750-762 (2018) ·Zbl 1416.65487号
[62] 南卡罗来纳州布伦纳。;顾S。;古迪,T。;Sung,L.yeng,带Cahn-Hilliard型边界条件的线性四阶边值问题的二次(C^0)内罚方法,SIAM J.Numer。分析。,50, 4, 2088-2110 (2012) ·Zbl 1256.65101号
[63] 乔治利斯,E.H。;Houston,P.,双调和问题的间断Galerkin方法,IMA J.Numer。分析。,29, 3, 573-594 (2008) ·Zbl 1176.65134号
[64] 克努普,P。;Steinberg,S.,《网格生成基础》(1993),CRC出版社
[65] Elliott,C.M。;Stuart,A.M.,离散半线性抛物方程的全局动力学,SIAM J.Numer。分析。,30, 6, 1622-1663 (1993) ·Zbl 0792.65066号
[66] 沈杰。;王,C。;王,X。;Wise,S.M.,《具有Ehrlich-Schwoebel型能量的梯度流的二阶凸分裂方案:在薄膜外延中的应用》,SIAM J.Numer。分析。,50, 105-125 (2012) ·Zbl 1247.65088号
[67] 胡,Z。;怀斯,S。;王,C。;Lowengrub,J.,相场晶体方程的稳定有效的非线性有限差分多重网格格式,J.Compute。物理。,228, 15, 5323-5339 (2009) ·Zbl 1171.82015年
[68] 王,X。;Ju,L。;Du,Q.,相场弹性弯曲能量模型的高效稳定指数时间差分Runge-Kutta方法,J.Comput。物理。,316, 21-39 (2016) ·Zbl 1349.92015年9月
[69] 杨,X。;Ju,L.,相场弹性弯曲能量模型的无条件能量稳定性高效线性格式,计算。方法应用。机械。工程,315691-712(2017)·Zbl 1439.74165号
[70] 陈,R。;吉,G。;杨,X。;Zhang,H.,相场囊泡膜模型的解耦能量稳定方案,J.Compute。物理。,302, 509-523 (2015) ·Zbl 1349.76842号
[71] 施密特,N.W。;米什拉,A。;Wang,J。;德格拉多,W.F。;Wong,G.C.L.,《流感病毒M2蛋白产生出芽和分裂所需的负高斯膜曲率》,《美国化学杂志》。Soc.,135,37,第13710条pp.(2013)
[72] Paulino,J。;庞,X。;洪,I。;周海霞。;Cross,T.A.,《高蛋白/脂质比率下的流感A M2通道聚集:病毒出芽的意义》,生物物理学。J.,116,6,1075-1084(2019年)
[73] Safran,S.A。;马克·罗宾斯(Mark O.Robbins)。;Garoff,S.,表面活性剂的倾斜和张开,物理。莱特。A、 33、3、2186-2189(1986)
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