Mesoscale computational studies of membrane bilayer remodeling by curvature-inducing proteins
生物膜构成细胞和细胞器的边界。原子尺度的物理化学机制取决于蛋白质-脂质相互作用强度、脂质组成、蛋白质附近的脂质分布、蛋白质的形状和氨基酸组成及其氨基酸含量。分子间相互作用的特异性和多种蛋白质的协同性在介观尺度上诱导并稳定了复杂的膜形状。这些形状跨越了从球形质膜到高尔基体复杂池的广泛范围。绘制蛋白质诱导的变形在分子尺度和由此产生的介观形态之间的关系是跨越各种长度尺度的细胞实验的关键。在这篇综述中，我们专注于理论和计算方法来理解的现象背后的蛋白质驱动的膜重塑。这里讨论的一套方法可以定制的应用程序在特定的细胞环境中，如货物运输和迁移细胞中的丝状伪足结构的tuberase过程中的内吞作用，这使得这些方法的实验研究的有力补充。
2015-10-16 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Curvature-driven feedback on aggregation-diffusion of proteins in lipid bilayers
膜弯曲是一个广泛研究的问题，从建模和实验的角度，因为在细胞生物学的曲率产生的广泛影响。膜中的许多曲率产生方面可以归因于蛋白质和膜之间的相互作用。这些相互作用包括蛋白质扩散和由于膜平面中的蛋白质-蛋白质相互作用而形成聚集体。最近，我们开发了一个模型，该模型将脂质的平面内流动和蛋白质的扩散与膜的平面外弯曲相耦合。在这项工作的基础上，在这里，我们专注于在膜弯曲和扩散的存在下，蛋白质在膜表面的明确聚集的作用。我们开发了一个全面的框架，包括脂质流动，膜弯曲，蛋白质分布的熵，以及一个明确的聚集潜力，并推导出耦合系统的控制方程。我们比较这个框架的Cahn-Hillard形式主义，以预测的制度，其中蛋白质的膜上形成的图案。我们证明了这个模型的效用，使用数值模拟来预测如何聚集和扩散，再加上曲率生成，可以改变膜蛋白相互作用的景观。
2021-07-20 cond-mat.soft
Correlated diffusion of membrane proteins and their effect on membrane viscosity
我们扩展了Saffman理论的膜流体动力学解释相关的运动的膜蛋白质，随着蛋白质浓度的影响，这种相关性和膜的应力响应。在相对于蛋白质间分离的小蛋白质尺寸的限制下，导出了蛋白质对的耦合扩散系数及其浓度依赖性的表达式。膜粘度作为确定膜响应的特征长度尺度的额外作用导致在大分离时不寻常的浓度效应-横向耦合随蛋白质浓度增加，而纵向耦合变得与浓度无关。
2008-09-24 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
A Computational Model of Protein Induced Membrane Morphology with Geodesic Curvature Driven Protein-Membrane Interface
连续或混合建模的双层膜的形态动力学诱导的嵌入蛋白质的识别和耦合的两个表面的变形的蛋白质-膜界面是必要的。在这篇文章中，我们开发了（i）一个最小的总测地曲率模型来描述这些接口，和（ii）一个数字之间的一个一个映射的两个表面之间通过每个表面的共形映射到共同的中间环。我们的工作提供了第一个计算易处理的方法来确定双层和嵌入的蛋白质之间的接口。一一映射允许两个表面的形态的方便耦合。我们将这两个新的发展整合到蛋白质-膜相互作用的能量模型中，发展了一整套耦合系统的数值方法。数值例子表明：（1）我们的方法在定位曲线的效率和鲁棒性与最小的总测地曲率高度复杂的蛋白质表面上，（2）这些接口的有用性作为膜变形的内部边界，和（3）丰富的双层表面的形态为不同的蛋白质膜接口。
2020-06-25 cond-mat.soft q-bio.QM
Defining the Free-Energy Landscape of Curvature-Inducing Proteins on Membrane Bilayers
已知曲率敏感和曲率重塑蛋白重塑细胞膜，并且这种重塑事件对于关键生物物理过程如微管、胞吐和胞吞是必不可少的。曲率诱导蛋白可以充当曲率传感器以及诱导细胞膜中的曲率以稳定出现的高曲率、非球形结构，如小管、盘和小窝。一个明确的理解之间的相互作用蛋白质的招聘和迁移，膜曲率的演变，膜形态转变正在出现，但仍然不完整。在这里，在一个连续的框架内，并使用蒙特卡罗模拟的机械，我们介绍和比较三种自由能的方法来描绘的自由能景观的曲率诱导蛋白质的双层膜。我们证明了Widom测试粒子/场插入方法在计算与膜上的曲率诱导蛋白质相关的过量化学势中的实用性-特别是，我们使用这种方法来跟踪膜中蛋白质密度升高时的形态转变的发生。我们通过比较Widom方法与热力学积分和Bennett接受比方法的结果来验证这种方法。此外，Widom方法的预测已经过测试，对分析计算的过量化学势在无限稀释。我们的研究结果是有用的，在精确地量化的自由能景观，并在确定相边界与曲率感应，曲率传感，形态转变。这种方法可以扩展到探索热波动和其他外部（控制）变量，如膜多余面积，在塑造曲率介导的双层膜的相互作用的作用的研究。
2015-10-10 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Curvature-sensing and generation by membrane proteins: a review
本综述总结膜蛋白通过曲率感知与生成调控膜形态的理论与模拟进展，涵盖平均场理论、疏水插入、无序结构域及新月形蛋白的贡献。
2025-04-28 cond-mat.soft physics.bio-ph
Anomalous diffusion of proteins in sheared lipid membranes
我们使用粗粒度的分子动力学模拟来研究嵌入跨膜蛋白的剪切脂质膜的扩散特性。在没有蛋白质的膜中，我们发现在所有流动条件下脂质的正常面内扩散。蛋白质包埋膜的行为完全不同：通过施加一个简单的剪切流和滑动的单层膜上的其他，蛋白质簇的运动成为强烈的超扩散在剪切方向。在这种情况下，亚扩散区是主要垂直于流动。我们表明，超扩散是一个结果，加速混沌运动的蛋白质-脂质复合物内的膜空隙，这是由疏水性失配或蛋白质的脂质运输。
2013-08-24 cond-mat.soft physics.bio-ph
Thermodynamic competition between membrane protein oligomeric states
蛋白质单体自组装成不同的膜蛋白寡聚体提供了膜蛋白分子结构多样性和由此产生的生物学功能的一般机制。我们开发了一个通用的物理框架，描述不同的寡聚状态的膜蛋白之间的热力学竞争。使用大电导的机械敏感通道作为模型系统，我们展示了膜蛋白的主要寡聚状态是如何从细胞膜中蛋白质浓度的相互作用、蛋白质诱导的脂质双层变形和直接单体-单体相互作用中出现的。我们的研究结果表明，通过控制膜蛋白寡聚状态的蛋白质功能的调节的一般物理机制和原则。
2016-11-28 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Predictions of tertiary stuctures of $α$-helical membrane proteins by replica-exchange method with consideration of helix deformations
我们提出了一种改进的预测方法的三级结构的$α$ -螺旋膜蛋白的复制交换方法的基础上，考虑到螺旋变形。我们的方法允许广泛的应用，因为跨膜螺旋的天然膜蛋白往往是扭曲的。为了验证该方法的有效性，我们将其应用于血型糖蛋白A和受磷蛋白的结构预测。结果与实验相符。
2014-09-19 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Lateral diffusion of a protein on a fluctuating membrane
膜中蛋白质的横向扩散的测量通常假设蛋白质的运动发生在平面中。然而，真正的膜会受到热波动的影响，导致夹杂物进入第三维空间。我们通过将真实的三维扩散投影到平面上的有效扩散上来计算这种效应的大小。我们认为这是一个蛋白质，是自由扩散的膜和一个也耦合到当地的曲率。对于自由扩散的夹杂物，测量的投影扩散常数比实际值小15%。耦合到曲率增强扩散显着高达两倍。
2005-03-23 cond-mat.soft
Hydrodynamics of bilayer membranes with diffusing transmembrane proteins
我们考虑含有任意形状的跨膜蛋白的脂质双层的流体力学。这一生物学问题与细胞膜有关，其波动动力学在细胞迁移、细胞间运输和细胞通讯等现象中起着关键作用。使用Onsager的变分原理，我们推导出的方程，管理的松弛动力学的膜的形状，双层小叶的质量密度，和扩散的蛋白质的浓度。与我们的一般形式主义，我们得到了一些结果膜动力学。我们发现，蛋白质跨越双分子层增加单层间的摩擦系数。重整化，这可能是显着的，是成反比的蛋白质的流动性。其次，我们发现，不对称蛋白耦合到膜曲率和单层密度的差异。对于几乎所有可访问的膜张力（$σ> 10^{-8}$ N/m），我们表明，蛋白质密度是最慢的放松变量。此外，由于与曲率的耦合，其弛豫速率在小波长处减小。我们应用我们的形式主义的大规模扩散的浓缩蛋白质补丁。我们发现，由于有效扩散系数的波矢依赖性，扩散轮廓不是自相似的。
2016-10-07 cond-mat.soft
Membrane protein clustering from tension and multibody interactions
本研究借助膜蛋白点曲率模型，揭示膜张力与多体相互作用共同调控相反曲率蛋白的集体吸引与相分离聚类，同时张力会增强同曲率蛋白的多体排斥并导致簇解体，相关现象具生物学意义且可实验验证。
2024-07-11 cond-mat.soft
Directional interactions and cooperativity between mechanosensitive membrane proteins
虽然现代结构生物学为我们提供了丰富多样的膜蛋白图片，膜蛋白的生物学功能往往是由周围的脂质双层的机械性能的影响。在这里，我们探索膜蛋白的形状和膜蛋白的弹性相互作用引起的膜蛋白的合作功能之间的关系。对于机械敏感离子通道的实验模型系统，我们发现，弹性相互作用的符号和强度取决于蛋白质的形状，产生不同的蛋白质取向不同的合作门控曲线。我们的方法预测了定向弹性相互作用如何影响拥挤膜中蛋白质的分子结构，组织和生物功能。
2013-05-24 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Nonequilibrium Fluctuations, Travelling Waves, and Instabilities in Active Membranes
柔性流体膜的稳定性，包含一个移动的分布，活性蛋白质（如质子泵）被证明取决于蛋白质的结构和功能不对称。稳定的活性膜处于具有高度波动的非平衡稳态，其统计特性由蛋白质活性决定。预计扰动将以足够长波长的波的形式传播，速度由泵的正常速度设定。不稳定的情况涉及膜的自发的、泵驱动的波动，在高活性区域中蛋白质聚集。
1999-10-04 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.CB
3D pattern formation of a protein-membrane suspension
本研究利用MinDE系统发现，破碎成脂质体的膜虽失去连续性，仍能通过ATP驱动蛋白相互作用形成三维图案，揭示膜物理性质调控图案形成的关键参数。
2025-10-07 cond-mat.soft
Membrane morphology induced by anisotropic proteins
在生物流体膜中有大量蛋白质定位并共同产生曲率。我们研究的拓扑结构的流体膜由于高度各向异性，曲率诱导蛋白的存在下的变化。一般来说，我们发现了一个令人惊讶的丰富的相位图，相位的正和负高斯曲率。作为一个具体的例子模拟实验，我们发现，在一个负高斯曲率制度的层状相表现出的倾向，形成螺旋位错的明确的汉堡标量，但两个手征。诱导的曲率强烈依赖于膜的刚性，这表明膜的组成可能是一个因素，调节膜雕刻曲率诱导蛋白。
2010-07-08 cond-mat.soft q-bio.BM
Membrane shape deformation induced by curvature-inducing proteins consisting of chiral crescent binding and intrinsically disordered domains
含有Bin/Amphiphysin/Rvs结构域的弯曲诱导蛋白通常具有固有的无序结构域。最近的实验表明，这些无序链增强曲率传感和生成。在这里，我们报告使用无网格膜模拟无序链的蛋白质-膜相互作用的修改。蛋白质和结合膜一起被建模为具有两个排除体积链的手性新月蛋白质棒。随着链长的增加，它们之间的排斥力减小了蛋白质的簇大小。它诱导纺锤形囊泡和在盘形囊泡中的弧形和圆形蛋白质组装体之间的过渡。对于平坦的膜，由于蛋白质组装体之间的排斥，中间的链长度诱导许多小管，而较长的链促进小管的垂直伸长。此外，具有零杆曲率和足够长的链的蛋白质杆稳定球形芽。对于具有负杆曲率的蛋白质，中间链长度诱导具有分支蛋白质组装体的崎岖的膜，而较长的链诱导具有周期性凹环结构的小管的形成。
2022-07-11 cond-mat.soft physics.bio-ph
Formation of protein-mediated tubes is governed by a snapthrough transition
质膜管普遍存在于细胞膜和细胞内细胞器的膜中。它们在运输、离子运输和细胞运动中起着至关重要的作用。质膜管的形成可能是由于作用在膜上的局部力或由膜结合蛋白诱导的曲率。在这里，我们提出了一个数学框架来模拟蛋白质诱导各向异性自发曲率形成的圆柱形管状突起。我们的分析表明，管半径取决于一个有效的张力，其中包括从裸膜张力和蛋白质诱导的曲率的贡献。我们还发现，管的长度经历了一个突然的过渡，从一个短的，圆顶形的膜长圆柱体，这种过渡是一个突变的不稳定性的特点。最后，我们表明，突变不稳定性取决于不同的参数，包括涂层面积，弯曲模量，和蛋白质诱导的曲率的程度。我们的研究结果表明，由于BAR结构域蛋白的过程中，如内吞作用，在肌细胞中的t-小管形成，和嵴形成线粒体管的形成。
2022-06-08 cond-mat.soft
Bilayer-thickness-mediated interactions between integral membrane proteins
完整膜蛋白和周围脂质双层之间的疏水厚度失配可产生脂质双层厚度变形。实验和理论已经表明，蛋白质诱导的脂质双层厚度变形可以产生能量上有利的双层介导的整合膜蛋白之间的相互作用，以及整合膜蛋白大规模组织成细胞膜中的蛋白质簇。在膜的连续弹性理论中，蛋白质引起的双层厚度变形的能量成本可以通过考虑双层疏水核心的压缩和膨胀、膜张力和双层弯曲来捕获，从而导致描述给定的一组双层-蛋白质边界条件的脂质双层的形状的双调和平衡方程。在这里，我们开发了一个相结合的分析和数值方法与蛋白质诱导的脂质双层变形的平衡弹性方程的解决方案。我们的方法允许精确预测厚度介导的蛋白质相互作用的任意蛋白质对称性在任意蛋白质分离和相对取向。我们提供了精确的解析解圆柱形的完整的膜蛋白质与恒定和变化的疏水厚度，并开发微扰的非圆柱形蛋白质形状的解析解。我们补充这些解析解，并评估其准确性，通过开发有限元和有限差分数值解方案。两者合计，这里提出的工作到位的分析和数值框架，允许计算的双层介导的弹性相互作用的完整的膜蛋白的结构生物学所建议的复杂的蛋白质形状和在小的蛋白质分离最相关的拥挤的膜环境提供的活细胞之间的相互作用。
2016-11-02 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Protein induced lipid demixing in homogeneous membranes
特定的脂质环境对于在膜中建立蛋白质信号平台是必要的，但它们的起源一直备受争议。我们提出了一个连续的，精确可解的模型蛋白质诱导的局部分层的脂膜。局部组合物和膜的局部厚度之间的耦合诱导包含物周围的脂质结构域与疏水性失配，甚至对于高于膜的可溶解性临界点的温度。该模型定性地解释了实验观察到的形成脂质结构域诱导锚定的重组肌动蛋白在平面支持的脂质双层。
2021-10-27 cond-mat.soft physics.bio-ph
Continuous monitoring of membrane protein micro-domain association during cell signaling
理解膜结合细胞信号传导的核心是量化由瞬时空间结构域组成的膜超微结构如何调节信号传导以及信号传导如何影响该超微结构。然而，测量膜蛋白与活的完整细胞中的结构域的关联带来了相当大的挑战。在这里，我们描述了一种非破坏性的方法来量化蛋白质-脂质结构域和蛋白质细胞骨架的相互作用，在单一的，完整的细胞，使连续监测的蛋白质结构域的相互作用随着时间的推移，在信号。
2011-01-26 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.QM
Shape transition from elliptical to cylindrical membrane tubes induced by chiral crescent-shaped protein rods
蛋白质通常在生物膜上形成手性组装结构。然而，手性在与非手性膜相互作用中的作用知之甚少。在这里，手性和非手性的新月形蛋白质棒之间的差异行为进行了研究，使用无网格膜模拟。非手性杆通过稳定椭圆的边缘使膜管变形成椭圆形状。相比之下，手性棒形成螺旋组件，除了椭圆形管之外，该螺旋组件还产生具有恒定半径的圆柱形膜管。这种螺旋组装可以通过蛋白质棒之间的直接侧向吸引来进一步稳定。这些结果与Bin/Amphiphysin/Rvs（BAR）超家族蛋白诱导的膜小管恒定半径的实验结果一致。
2018-07-25 cond-mat.soft physics.bio-ph
Vesiculation mechanisms mediated by anisotropic proteins
内吞作用是细胞内转运大分子（货物）和膜蛋白的重要生物学过程。在酵母细胞中，这涉及膜上管状结构的内陷和内吞囊泡的形成。Bin/Amphiphysin/Rvs（BAR）蛋白保持新月形形状，通常被认为是挤压管状结构并通过在管状膜的侧面上形成支架而夹断囊泡的主动参与者。在这里，我们使用扩展的Helfrich模型，从理论上研究BAR蛋白如何通过产生各向异性曲率来帮助驱动囊泡的形成。我们的研究结果表明，在经典的Helfrich模型，增加自发曲率在一个管状膜的一侧是无法减少管半径到一个临界尺寸，以诱导膜裂变。然而，用产生各向异性曲率的蛋白质涂覆的膜易于经历沙漏形颈缩或管形颈缩过程，这是导致膜分裂和囊泡形成的重要步骤。此外，我们的研究表明，取决于由蛋白质产生的各向异性曲率的类型，保持蛋白质包被膜在管状形状的力表现出与自发曲率的定性不同的关系。这一结果为确定蛋白质各向异性曲率的类型提供了实验指导。
2022-11-17 cond-mat.soft
Membrane tubule formation by banana-shaped proteins with or without transient network structure
在活细胞中，膜形态受各种蛋白质调节。许多膜重塑蛋白含有Bin/Amphiphysin/Rvs（BAR）结构域，其由香蕉形杆组成。BAR域弯曲的生物膜沿杆轴和这种各向异性弯曲的功能，最近已被研究。在这里，我们报告的BAR蛋白杆在诱导膜tuberase的作用，使用大规模的粗粒度模拟。我们发现，一个小的自发侧曲率垂直于杆可以大大改变在高蛋白质密度，而没有显着的差异，在低密度下的tuberculosis动力学。取决于侧曲率，中间地形成网状结构。该网络抑制小管突出，导致较少小管的缓慢形成。因此，侧曲率，这是由蛋白质-蛋白质和膜-蛋白质相互作用产生的，在微管动力学中起着重要的作用。我们还发现，积极的表面张力和囊泡膜的曲率可以稳定这种网络结构，通过抑制tuberculosis。
2016-01-14 cond-mat.soft physics.bio-ph
Membrane-mediated protein-protein interaction: A Monte Carlo study
我们使用粗粒度模型研究跨膜蛋白之间的膜介导的相互作用。我们比较了两种蛋白质之间的平均力（PMF）的有效潜力，它们总是平行于模拟盒的z轴对齐，与那些具有波动方向的蛋白质获得的PMF。的PMFs是由振荡包装驱动的贡献和一个光滑的吸引力的疏水性失配的贡献，如果蛋白质的疏水长度匹配的膜的厚度消失占主导地位。如果允许蛋白质方向波动，则与具有固定方向的蛋白质相比，振荡大大减少。此外，疏水错配相互作用具有较小的范围。最后，我们比较了两个蛋白质周围的二维厚度分布与两个耦合单层的弹性理论的预测，并发现它们非常吻合。
2012-04-10 cond-mat.soft physics.bio-ph
Clusters of proteins in bio-membranes: insights into the roles of interaction potential shapes and of protein diversity
最近有人提出，由于蛋白质之间的短程吸引力和长程排斥力之间的竞争，嵌入在生物膜中的蛋白质可以自发地自组织成稳定的小簇或膜纳米结构域。本文用蒙特卡罗模拟对生物膜中蛋白质团簇相的不同方面进行了研究。首先，我们比较不同的长程势（包括显着的三体条款），以证明集群阶段的存在应该是相当通用的。此外，真正的膜包含数百种不同的蛋白质种类，这些蛋白质远不是随机分布在这些纳米结构域中的。我们考虑到这种蛋白质的多样性，通过调节蛋白质-蛋白质相互作用的潜力，在短期和长期的范围。我们确认理论预测的生物集群专业化破译集群如何招募只有几个蛋白质种类。在这方面，我们强调，集群阶段可以成为一个优势，在生物水平上，例如通过增强细胞对外部刺激的反应。
2011-06-07 cond-mat.soft q-bio.SC
Active interface growth and pattern formation in membrane-protein systems
最近的实验观察图案在活细胞的膜的启发，我们提出了一个通用模型的动力学波动的界面驱动的颗粒状夹杂物，刺激其生长。我们发现，界面和夹杂物动力学之间的耦合产生微相分离和行波的自组织。这些模式与上述肌动蛋白-蛋白质系统实验中发现的模式惊人地相似。我们的研究结果进一步表明，积极的增长动力学不属于Kardar-Parisi-Zhang普适类增长接口，而是显示一种新的叠加平衡样缩放和持续振荡。
2018-05-11 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Application of a Free Energy Landscape Approach to Study Tension Dependent Bilayer Tubulation Mediated by Curvature Inducing Proteins
我们采用蒙特卡罗模拟结合Widom插入技术计算过量化学势，研究了蛋白质诱导的脂双层膜在连续框架内的扭曲现象。当膜结合蛋白的密度和曲率场强度超过其各自的阈值时，自发形成管状形态，并且这种转变的特征在于过量化学势的急剧下降。我们发现，平面到管状的过渡可以描述的胶束模型和相应的自由能垒增加的曲率场强度，（即蛋白质-膜相互作用），并与膜张力的增加。
2015-10-10 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Pattern formation by curvature-inducing proteins on spherical membranes
空间组织是所有活细胞的标志，在模型系统中重新创建它是创建合成细胞的必要步骤。因此，更好地理解细胞空间组织的基本机制具有根本性和实际意义。在这项工作中，我们使用一个连续模型的膜和蛋白质动力学研究的曲率诱导蛋白质的球形膜，如活细胞或脂质囊泡的行为。我们发现，曲率能量，熵力和膜上的几何约束之间的相互作用，可以导致在膜上的高度弯曲/蛋白质丰富和弱弯曲/蛋白质贫乏域的模式的形成。这种模式的自发形成可以通过曲率诱导蛋白的平均密度的增加来触发，或者通过由膜张力或通过将膜束缚到刚性细胞壁或皮层而施加的膜上的几何约束的松弛来触发。这些参数也可以被调整以选择在斑图形成时出现的富含蛋白质的结构域的大小和数量。这里提出的非常普遍的机制可能与许多生物过程中的蛋白质自组织有关，从（原）细胞分裂到膜筏的形成。
2017-12-18 cond-mat.soft physics.bio-ph
Physical limits to membrane curvature sensing by a single protein
本研究通过连续介质模型和模拟算法，推导了单个蛋白质感知膜曲率的物理极限，发现实验感知效能接近理论极限，且曲率涨落方差决定结合速率对曲率的敏感性。
2022-10-21 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Translational diffusion coefficients of membrane protein aggregates in free and supported lipid membranes
Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）
本文通过Kirkwood-Riseman理论研究了膜蛋白聚集体在自由和支撑脂膜中的扩散行为，揭示了流体动力学相互作用对扩散系数的影响，并提出了一种有效计算方法。
2025-11-30 cond-mat.soft physics.bio-ph
Binding of anisotropic curvature-inducing proteins onto membrane tubes
Bin/Amphiphysin/Rvs超家族蛋白和其他弯曲诱导蛋白具有各向异性的形状和各向异性弯曲生物膜。在这里，我们报告各向异性蛋白质如何结合膜管和取向有序使用平均场论，包括一个依赖于取向的排除体积。随着膜管半径的增加，蛋白质密度增加，蛋白质表现出二级或一级相变。最大蛋白质结合和取向顺序的管曲率是不同的，并且因蛋白质密度和刚性而变化。随着沿管轴方向的外力的增加，从具有低蛋白质密度的大管半径到具有高密度的小半径的一级转变发生一次，随后，蛋白质取向向管轴方向倾斜。当各向同性的弯曲能量用于椭圆形状的蛋白质时，力依赖曲线变得对称，并且一级转变发生两次。该理论定量地再现了短蛋白质的无网格膜模拟结果，而长蛋白质由于蛋白质簇的形成而出现偏差。
2022-04-11 cond-mat.soft physics.bio-ph
Interactions between proteins bound to biomembranes
我们研究了一个物理模型的一般夹杂物之间的相互作用具有有限的张力，以及通常的弯曲刚度的流体膜。我们的动机是对与细胞膜结合的蛋白质的兴趣，这些蛋白质通过熵或直接的化学相互作用对这些膜施加力。我们找到了两个相似的圆对称包含体之间相互排斥作用的精确解析解。这种排斥延伸超过几十纳米的长度尺度，并与膜介导的接触吸引力类似的夹杂物上的无张力膜。对于非圆对称包含体，我们研究了小的，代数长程的，吸引力的贡献所产生的力量。我们讨论了我们的研究结果的相关性的生物现象，如从细胞膜和条纹，观察他们的外套上的小窝的萌芽。
2003-01-10 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio
Two- or three-step assembly of banana-shaped proteins coupled with shape transformation of lipid membranes
BAR超家族蛋白具有香蕉形结构域，其导致脂质膜的局部弯曲。我们研究如何这样的局部各向异性曲率诱导蛋白质之间的有效相互作用，并使用无网格膜模拟改变囊泡和膜管的全局形状。蛋白质被建模为香蕉形的杆强烈粘附在膜上。我们的研究表明，棒组装通过两个连续的定向相分离不同于传统的二维相分离。随着杆曲率的增加，在膜管中，杆沿着方位角方向组装，随后沿着纵向方向组装，伴随着管的形状转变。在囊泡中，除了这两个组装过程之外，杆曲率的进一步增加诱导管状支架形成。
2014-08-22 cond-mat.soft physics.bio-ph
Fluctuation spectrum of quasispherical membranes with force-dipole activity
计算了含有活性膜蛋白的准球形囊泡的涨落谱。蛋白质的活性被建模为蛋白质推动其周围环境，产生非局部力分布。考虑了活性蛋白质密度的热涨落和蛋白质的单个作用力分布中的时间噪声的贡献。发现在短波长处，个体力分布中的噪声变得显著。
2006-07-25 cond-mat.soft
Statistical Mechanics of Membrane Protein Conformation: A Homopolymer Model
利用巨正则系综方法，采用均聚物模型研究了膜蛋白的构象和相图。我们讨论的性质和途径的$α$ -螺旋整合到膜的结果取决于膜的渗透性和聚合物的吸附性。对于渗透率大于某一临界值的膜，积分变为二级转变，其发生温度与吸附转变的温度相同。对于非吸附膜，由于$α$ -螺旋的聚集，积分为一级。
1998-07-01 cond-mat.soft q-bio
Membrane-protein interactions hold the key to understanding amyloid formation
从这个角度来看，我们描述了膜在调节淀粉样前体蛋白的结构以产生参与阿尔茨海默病的肽中所起的关键作用。一些关键的概念，包括蛋白质聚集的激发态的单体在启动蛋白质聚集的潜在作用进行了说明。
2014-07-07 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
A General Theory of Non-equilibrium Dynamics of Lipid-protein Fluid Membranes
我们提出了一个一般的和系统的理论，非平衡动力学的多组分流体膜，在一般情况下，膜含有跨膜蛋白，特别是。基于统计物理学的最小数量的原则和设计是一个细观/宏观尺度的有效描述，该理论是制定一套方程的流体力学和线性本构关系。作为一个特别强调的理论，方程和本构关系地址的热力学和流体动力学后果的非常规的材料特性的脂质蛋白质膜和包含的建议，以及尚未作出的预测，在已经存在的工作膜流体动力学和可能具有实验相关性。该理论的框架结构使其应用于一系列膜系统中的一系列非平衡现象成为可能，正如本文中对一些极限情况的讨论所证明的那样。
2005-10-27 cond-mat.soft
Architecture and Function of Mechanosensitive Membrane Protein Lattices
实验表明，膜蛋白可以形成具有规则的平移和定向蛋白质排列的二维簇，这可能允许细胞调节蛋白质功能。然而，产生超分子组织和集体功能的膜蛋白的物理机制仍然在很大程度上未知。在这里，我们表明，双层介导的膜蛋白之间的弹性相互作用可以产生规则和独特的蛋白质簇的晶格结构，并可能提供晶格结构和晶格功能之间的联系。以大电导机械敏感通道（MscL）为模型系统，得到了MscL的形状与超分子结构之间的关系。我们预测，在以前的结构研究中观察到的四聚体和五聚体MscL对称性产生不同的晶格结构的MscL集群，反过来，这些不同的MscL晶格结构产生不同的晶格激活障碍。我们的结果表明了连接蛋白质对称性、膜蛋白簇的晶格结构和膜蛋白晶格的集体功能的一般物理机制。
2016-11-02 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Mobility Measurements Probe Conformational Changes in Membrane Proteins due to Tension
膜包埋蛋白质如离子通道的功能关键取决于它们的构象。我们演示了如何在不对称膜蛋白的构象变化可以推断出他们的扩散测量。这种蛋白质引起膜的局部变形，这引起对蛋白质的额外流体动力学阻力。使用膜张力来控制变形的大小，从而控制阻力，扩散率的测量可以用来推断-通过蛋白质的弹性模型-构象如何被张力改变。受最近实验结果的启发[Quemeneur等人，Proc. Natl. Acad. Sci. USA，111 5083（2014）]，我们关注KvAP，一种电压门控钾通道。KvAP的构象被发现改变相当大，由于张力，与它的“墙”，在那里的蛋白质满足膜，经历显着的角应变。室温下的扭转刚度确定为26.8 kT。这对这些蛋白质在张力承载膜环境中的结构和功能都有影响。
2015-11-18 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Phase Behavior of a Simple Model for Membrane Proteins
我们报告了一个数值模拟的相图的一个简单的模型膜蛋白质的限制在一个平面上移动。与相应的三维模型类似，随着吸引力范围的减小，液-气相变变为亚稳态。自发结晶在二维模型中比在三维模型中更容易发生。
2000-09-19 cond-mat.soft q-bio
Nonequilibrium Membrane Dynamics Induced by Active Protein Interactions and Chemical Reactions: A Review
本综述聚焦非平衡条件下生物膜的时空模式与涨落，结合理论与模拟，阐述活性蛋白力、化学反应调控的蛋白结合过程对膜行为的影响及相关建模方法，还提及两亲分子结构的作用。
2024-07-22 cond-mat.soft physics.bio-ph
Pearling instability of membrane tubes driven by curved proteins and actin polymerization
活细胞内的膜变形对于各种细胞内细胞器的正确成形至关重要，并且在允许膜再循环和运输（例如内吞作用）的裂变/融合过程中是必需的。诱导膜曲率的蛋白质在这些过程中起着关键作用，主要是通过吸附到膜上并形成支架，根据蛋白质的曲率使膜变形。在本文中，我们探讨的可能性，膜管不稳定，通过珍珠机制，使吸附的弯曲蛋白质和肌动蛋白聚合，他们可能会招募的综合影响。珠状不稳定性还可以作为管分裂成囊泡的起始。我们发现，吸附的蛋白质更有可能稳定的管，而肌动蛋白聚合可以提供额外的收缩力所需的强大的不稳定性。我们讨论的相关性的理论结果，在体内和体外实验。
2014-09-26 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Symmetry and size of membrane protein polyhedral nanoparticles
在最近的实验中[T. Basta等人，Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 111，670（2014）]观察到脂质和膜蛋白自组装成具有明确定义的多面体蛋白质排列和特征尺寸的膜蛋白多面体纳米颗粒（MPPN）。我们开发了一个模型的MPPN自组装中出现的蛋白质诱导的脂质双层变形，蛋白质包装中的拓扑缺陷，和热效应的相互作用，优选的对称性和大小的MPPN。所有的模型参数直接从实验中确定，我们的模型正确地预测所观察到的对称性和大小的MPPN。我们的模型表明，关键的脂质和蛋白质的性质可以被修改，以产生一系列的MPPN对称性和大小的实验。
2016-11-02 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Excitable reaction-diffusion waves of curvature-inducing proteins on deformable membrane tubes
活细胞利用可兴奋的反应扩散波进行内部细胞功能，其中通常涉及曲率诱导蛋白。然而，它们的机械化学耦合的作用还没有很好地理解。在这里，我们报告的曲率诱导蛋白质的可兴奋的反应扩散波和交替的波由于变形引起的膜变形，使用粗粒度的模拟与修改后的FitzHugh-Nagumo模型的管状膜。蛋白质传播波使管状膜变形，并且大的变形诱导出芽和擦除波。波的速度和形状由膜变形和曲率诱导蛋白的空间分布的组合决定。波在方位角方向上也是起伏的，这取决于条件。旋转对称波局部变形管成对称形状，但平均保持直的形状。我们的模拟方法可以应用于其他化学反应模型，并用于研究各种生物膜现象。
2022-08-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
Liquid-liquid phase separation of a surfactant-solubilized membrane protein
膜蛋白的相行为源于与其增溶所需的两亲分子的复杂协同作用。我们表明，电离的pH敏感的表面活性剂，LDAO，绑定到细菌光合作用蛋白，反应中心（RC），导致在一个狭窄的pH范围内蛋白质液-液相分离令人惊讶的稳定的“液滴”，在较低的pH值的可逆聚集的前兆。相分离促进温度升高和阻碍通过添加盐。RC光吸收和光诱导电子循环也受到相分离的强烈影响。
2002-11-22 cond-mat.soft q-bio
Mechanics of non-planar membranes with force-dipole activity
研究了活性膜蛋白如何改变流体膜的长波长力学。蛋白质的活性被建模为通过非局部力分布干扰蛋白质周围环境，其中力偶极分布是最简单的例子。的解析表达式，描述了如何修改的活动的膜表面的力平衡方程得到的形式的力矩扩展的力分布。该表达允许进一步研究非平面膜的活性的后果。特别是对机械性能的积极贡献，如张力和弯矩变得明显。它还解释了如何活动可以诱导膜中的活性蛋白质之间的流体动力学吸引力。
2006-08-11 cond-mat.soft
Composition variation and underdamped mechanics near membrane proteins and coats
我们研究了膜蛋白对周围膜的形状、组成和热力学稳定性的影响。当膜组成和曲率之间的耦合足够强时，附近的组成和形状都经历了从过阻尼到欠阻尼空间变化的过渡，早在膜在本体中变得不稳定之前。这种转变与热力学能量的符号变化有关，因此具有不寻常的特征，即它可以有利于囊泡形成（出芽）所需的外套组装的早期阶段，同时抑制机械敏感性膜通道和转运蛋白的活性。我们的研究结果还提出了一种方法来获得物理参数，否则难以测量。
2015-02-14 cond-mat.soft q-bio.SC
Statistical Mechanics of Integral Membrane Protein Assembly
在膜整合蛋白（IMP）的合成过程中，多肽序列中的疏水氨基酸大部分被分配到膜内部，亲水氨基酸大部分被分配到水外部。我们分析的最低自由能状态的多肽序列划分成α-螺旋跨膜（TM）段和热波动的作用，使用多体统计力学模型。结果表明，IMP TM片段划分与蛋白质折叠的一般理论具有重要的特征。对于随机多肽序列，在室温下的最小自由能状态的特征在于具有非常长的弛豫时间的TM片段的数目的波动。简单的组装场景不会产生唯一数量的TM段，并且干扰现象会干扰段的放置。对于对应于IMP的序列，具有野生型片段数的最小自由能结构由于能谱中的异常间隙而没有数量波动，并且简单的组装方案产生这种结构。存在随机点突变的阈值数目，超过该阈值数目，该缺口的大小减小，使得野生型基态不稳定并且数目波动再次出现。
2009-08-04 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Protein-lipid domains in heterogeneous membranes beyond spontaneous curvature effects
我们研究了一个模型的脂质双层膜描述的两个序参量：使用高斯模型和空间配置描述的弹性形变模型的膜具有有限的厚度，或等效的，为粘附膜的化学成分。我们假设并解释了两个序参量之间的线性耦合。利用精确解，我们计算了关联函数和序参量分布。我们还研究了在膜上的夹杂物周围形成的域。我们提出并比较了六种不同的方法来量化这些域的大小。尽管它的简单，该模型有许多有趣的功能，如Fisher-Widom线或两个不同的关键区域。
2022-06-07 cond-mat.soft
Binding of thermalized and active membrane curvature-inducing proteins
结合分析和数值方法研究了曲率诱导蛋白结合引起的膜相行为。在结合和未结合之间的细致平衡下的热平衡中，膜呈现出三个相：未结合的均匀平坦相（U）、结合的均匀平坦相（B）和分离/波纹相（SC）。在SC相中，结合的蛋白质形成六边形有序的碗状结构域。U相和SC相之间以及B相和SC相之间的过渡分别是二阶和一阶的。在蛋白质的小自发曲率或高表面张力下，B和SC相之间的过渡变得连续。此外，一个一级之间的U和B相的转变被发现在零自发曲率驱动的刚性蛋白质之间的Casimir的相互作用。此外，非平衡动力学研究的积极结合和unbinding在一个恒定的速率。活性结合和去结合过程改变SC相的稳定性。
2021-12-30 cond-mat.soft
Acceleration and suppression of banana-shaped-protein-induced tubulation by addition of small membrane inclusions of isotropic spontaneous curvatures
采用粗粒无网格膜模拟方法研究了香蕉状蛋白质棒诱导的膜损伤。结果发现，横向各向同性的膜夹杂物，产生相同的符号的自发曲率作为吸附的蛋白质棒，促进了tured。内含物集中在小管中，并降低小管尖端的弯曲能。另一方面，具有相反曲率的内含物通过在高蛋白质-棒密度下的网状结构形成来抑制微管，而它们在低棒密度下诱导球形膜芽。当加入等量的两种类型的夹杂物（具有正曲率和负曲率）时，它们的影响在第一个短时期内相互抵消，但后来逐渐加速。正的表面张力会抑制张力。我们的结果表明，BAR（Bin/Amphiphysin/Rvs）结构域的支架和各向同性膜内含物的合作是重要的。
2017-10-09 cond-mat.soft physics.bio-ph
Formation of polyhedral vesicles and polygonal membrane tubes induced by banana-shaped proteins
利用无网格膜模拟方法研究了弯曲蛋白质棒诱导的流体膜形状变化。在低密度下的棒状体组装诱导出扁平的膜管和扁球形囊泡。结果发现，多面体的形状是稳定在高杆密度。通过一个简单的几何模型，得到了三角形和屈曲盘形管之间的离散形状转换，并分析了它们的曲率能。对于囊泡，三角形hosohedron和椭圆盘形状形成的平衡，而四面体和三棱柱形状获得的亚稳态。
2015-09-16 cond-mat.soft physics.bio-ph
Lattice models for protein organization throughout thylakoid membrane stacks
光合作用膜中的蛋白质可以组织成跨越膜横向尺寸的图案阵列。在膜堆叠的不同层中的蛋白质之间的吸引力可以在这种排序中发挥关键作用，正如显微镜和荧光光谱所表明的那样，并通过粗粒度模型的计算机模拟来证明。然而，类囊体膜的结构也提供了层间相互作用的机会，而不是不利于有序排列的高蛋白质密度。在这里，我们探讨这些相反的驱动力之间的相互作用，特别是相变，出现在堆叠类囊体膜盘的周期性几何形状。我们提出了一个晶格模型，大致占蛋白质的吸引力在一个层和整个基质间隙，空间排斥整个内腔间隙，和调节蛋白质密度与基质laminate交换。平均场分析和计算机模拟揭示了这个简单模型的丰富的相行为，其特征在于在化学势的高和低极端处被破坏的对称性条纹相。由此产生的敏感性的微观蛋白质排列类囊体的中尺度垂直结构提出了有趣的可能性调节光合功能。
2020-09-08 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
