Molecular Dynamics Simulation Studies on the Curvature Induced Effects on the Membrane
- 주제어 (키워드) curvature , membrane , diffusion , fluidity
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 성봉준
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2025. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 화학과
- 실제 URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000079860
- UCI I804:11029-000000079860
- 본문언어 영어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록 (요약문)
Curvature is an inherent feature of all biological membranes. In perfectly spherical systems, the mean curvature corresponds to the inverse of the sphere’s radius, making curvature more pronounced in smaller biological systems. These small biological systems have started to be used in the last few decades. Large biological systems, without pronounced mean curvature, may be locally curved. From the advent of the lipid raft hypothesis, which describes the membrane as assemblies of lipid microdomains of various phases, understanding the behavior and function of such microdomains is needed to gain a picture of the cell membrane with higher resolution. Most studies done on cell membranes have neglected the curvature effect. This study focuses on how curvature affects membrane fluidity, a key concept to describe cell membranes in models ranging from the fluid mosaic model to the recent lipid raft hypothesis. We perform molecular dynamics simulations of flat membranes and vesicles varying the radius to analyze the effect of curvature. We find that curvature asymmetrically enhances membrane fluidity. The surface density of the outer leaflet of the vesicle increases compared to a flat membrane. The surface density of the inner leaflet is similar to that of flat membranes. Lateral diffusion of the membrane was also influenced by such surface density change. Curvature increases the disorderedness of membranes, even affecting the phase transition of membranes where the outer leaflets show different phase behavior. Even flip-flop, the inter-leaflet diffusion of molecules in the membrane, was enhanced by curvature. Curvature changes the free energy profile of cholesterol, resulting in an asymmetric flip-flop rate between the two leaflets of vesicles.
more초록 (요약문)
생명체에 존재하는 세포막 중 휘어지지 않은 것은 없다. 휘어짐의 정도를 나타내 는 곡률은 완전한 구의 경우 반지름에 반비례하는 값을 가지며 크기가 작은 생물계 일수록 더욱 큰 곡률을 가진다. 이러한 작은 생물군이 최근 몇 년간 생물학, 약학적으로 주목되기 시작했다. 크기가 커서 전체적으론 곡률이 크지 않은 생물군도 부분적으론 막이 휘어있고 그에 따른 지엽적인 곡률을 가진다. 세포막을 다양한 밀도와 조성을 가지는 미소적인 영역으로 구성된다고 설명하는 지질 뗏목 가설 이후로 그 러한 작은 영역에서 일어나는 일을 이해하는 것은 세포막에 대한 이해를 더 깊게 하였다. 지금까지 진행된 세포막 관련 연구의 절대다수는 곡률에 의한 효과를 무시하고 진행됐으며 본 학위논문은 곡률이 세포막에 미치는 영향 중 막의 유동성에 어 떠한 역할을 하는가를 기술하고자 한다. 막의 유동성은 1972년 제창된 유동 모자이 크 모델에서부터 2000년대 이후의 지질 뗏목 가설에 이르기까지 세포막을 기술하는 중요한 개념으로 사용되었다. 이에 분자동역학 전산모사를 진행하여 체계적으로 유동성에 대한 곡률의 영향을 조사하기 위해 곡률이 없는 평평한 세포막과 다양한 반 지름을 가지는 소포체를 모사하였다. 그 결과 곡률이 가해졌을 때 세포막의 유동성이 비대칭적으로 증가한다는 사실을 알아내었다. 세포막을 휘었을 때 이완되는지 질층의 밀도가 감소하였으며 압축되는 지질층의 경우 평평한 세포막과 비교했을 때 유의미한 밀도 변화를 보이지 않았다. 지질층 내부에서의 확산 또한 이러한 밀도 변화의 영향을 받은 것과 같은 양상이 일어났다. 지질층의 상전이 과정에도 곡률이 변화를 주었으며 평평한 세포막의 콜레스테롤 함량이 증가할 때 발생하는 상전이의 과정이 곡률이 가해질 경우 이완된 지질층에선 나타나지 않았다. 이중 층의 세포막 에서 양쪽 지질층을 오가는 지질층 간의 확산의 양상 또한 곡률이 가해졌을 때 촉 진되었다. 세포막이 휘어질 때 콜레스테롤의 자유에너지 변화가 야기되어 압축된 지질층과 이완된 지질층을 오가는 확산의 속도 또한 비대칭적으로 만들었다.
more목차
1 Curvature enhances membrane fluidity asymmetrically across the membrane 2
1.1 Introduction 2
1.2 Model and Method 5
1.3 Results and Discussion 11
1.4 Summary and Conclusion 21
1.5 References 22
