Kinetic Membrane Model of Outer Hair Cells I: Motile Elements with Two Conformational States
外毛细胞（OHC）在放大Corti器官的运动中的有效性，从而有助于哺乳动物听觉的灵敏度，取决于这些细胞的机械功率输出。机电耦合在OHC，使这些细胞将电能转化为机械能，已被详细分析使用隔离的细胞，主要是静态膜模型。在先前的报告中，OHC的机械输出通过基于简化的一维（1D）OHC模型开发动力学理论来评估。在这里，这样的动力学描述的OHCs扩展使用的膜模型，已用于分析在体外实验。本理论预测，对于没有惯性负载的系统，由于膨压，弹性负载增强了膜电容的电压依赖性的正移。对于具有惯性的系统，机械功率输出也取决于膨压。然而，最大功率输出与先前基于1D模型的高达~10 fW的预测相似。
2020-05-11 physics.bio-ph
Quantifying protein densities on cell membranes using super-resolution optical fluctuation imaging
表面分子以不同的模式和簇分布在细胞膜上，影响活细胞的重要功能。因此，了解它们在不同生理和病理条件下的分子表面组织非常重要。在这里，我们提出了一种无模型的，定量的方法来确定基于TIRF照明和超分辨率光学波动成像（SOFI）的细胞表面分子的分布。这种基于SOFI的方法对于单发射器多次闪烁事件、高标记密度和高闪烁率是鲁棒的。在SOFI中，分子密度不是基于计数事件，而是由于强度波动的相关性而作为固有性质的结果。使用模拟数据以及研究棕榈酰化对静息T细胞质膜中CD4蛋白纳米级分布的影响的实验数据来验证该方法的有效性和稳健性。
2017-04-05 physics.bio-ph
Measurement of the cell membrane capacitance and conductance of colonic crypt cells of the rat using the patch clamp technique
应用膜片钳技术测定了大鼠结肠隐窝细胞的膜电容和膜电导。研究了细胞内激动剂Ca ~（++）、cAMP和渗透压变化对膜电容和电导的影响。
2005-04-02 physics.bio-ph q-bio.CB
The avian tectorial membrane: Why is it tapered?
虽然哺乳动物和鸟类的内耳具有明确的音调组织以及专门用于运动和感知作用的毛细胞，但鸟类耳朵的结构组织与哺乳动物耳蜗不同。据推测，这种差异源于运动毛细胞功能的差异。短毛细胞，其作用被认为类似于哺乳动物的外毛细胞，可能依赖于它们的毛束，而不是它们的细胞体的运动性，提供耳蜗放大器的运动元件。这份报告的重点是鸟类的顶盖膜的作用，特别是通过解决这个问题，“为什么是鸟类的顶盖膜锥形从神经到abneural方向？"
2015-09-30 physics.bio-ph
Three-dimensional phase field model for actin-based cell membrane dynamics
研究了浸没在三维细胞外基质中的三维细胞的界面动力学。我们建议一个已知的2D最小相位场模型的3D推广建议在[1]中的角膜细胞运动的描述。我们的模型由两个耦合的序参量和一个三维矢量场描述肌动蛋白网络的极化（方向）的演化方程。我们推导出一个封闭的演化积分微分方程的界面动力学的三维细胞。该方程包括膜的法向速度、膜的曲率、细胞体积松弛以及由细胞骨架中的非平衡效应确定的参数。该方程可以被认为是在[2]中导出的2D情况的3D推广。
2021-06-03 physics.bio-ph
Negative membrane capacitance of outer hair cells: electromechanical coupling near resonance
哺乳动物耳朵处理高达$\sim$ 100 kHz的高频声音的能力是基于外毛细胞（OHC）响应高频刺激的能力。这些细胞在其细胞体中显示出与电荷运动相结合的独特运动性。有了这个能动的元素，刺激在它们的发束产生的电压变化驱动细胞体，反过来又放大了刺激。体外实验表明，这些电荷的运动显着增加了膜电容，通过额外衰减电压变化来限制运动活性。然而，人们发现，这种效果是由于没有机械负荷。在存在机械共振的情况下，例如在体内条件下，预期活动电荷的移动在共振频率附近产生负电容。因此，这种运动机制在高频下是有效的。
2017-03-15 physics.bio-ph
Cellular uptake of active nonspherical nanoparticles
本文建立理论模型研究自驱动非球形纳米颗粒的细胞摄取，揭示活性力引发的一级包裹转变及多参数相图中的复杂行为。
2023-12-10 physics.bio-ph
Ultrasound vibrations of plant cells membranes: water lift in trees, electrical phenomena
离子流改变植物细胞膜上的电荷密度（电位），导致压缩细胞膜的库仑力和抵消胡克弹性力的不平衡。随着超声波和电磁辐射的产生，将导致膜的振动，直到建立新的平衡。这种振动导致声流，其功率足以使树木中的水上升，其脱气，植物中的cycloses和一些电现象等。这种现象解释了已知的树木中的超声噪声和韧皮部流中颗粒的重新分布的观察结果。已知的监督和植物解剖学的考虑导致在xilem和3倍更大的韧皮部中的声流的频率的估计的顺序为150-200 kHz。所提供的机制的检查可以通过调查植物的声辐射和电磁辐射来进行。关键词：工厂，超声波，声流，液压PACS：43. 25. Nm，43. 38.+ n，43.80。p，82.39.Jn，87.80.Vt
2006-11-14 physics.bio-ph
The living state: how cellular excitability is controlled by the thermodynamic state of the membrane
生物膜的热力学（TD）性质在生命系统中起着核心作用。例如，有人提出，只有当膜状态处于TD跃迁附近时，才能存在诸如动作电位（AP）之类的非线性脉冲。在此，两种膜特性-兴奋性和AP速度-被研究用于生活系统中的广泛条件（温度（T）、3D压力（p）和pH依赖性）。基于这些数据，我们预测了膜的转变所处的参数范围（低于生长温度15-35°C;低于pH 7 1-3个pH单位;在~800 atm下），并提出了相应的相图。后者解释说：（i）AP速度随T、p和pH的变化。（ii）两种性质不同的非线性兴奋性丧失形式（“神经阻滞”、麻醉）的存在和起源。(iii)触发AP的参数更改的类型和数量。最后，TD行为的2D-脂质模型膜与生活系统之间的定量比较。典型的转变温度与pH值和p的模型膜同意密切从细胞生理测量（兴奋性和传播速度）获得的值。两者合计，这些结果强烈表明，它不是特定的分子，控制生活系统的兴奋性，而是准二维膜界面的TD属性。本文提出的方法可以扩展到其他量（表面电位、钙浓度等）。并作出明显可证伪的预测，例如，在可兴奋细胞中的指定参数范围内存在转变。
2020-07-15 physics.bio-ph
Single-cell unroofing: probing topology and nanomechanics of native membranes
细胞膜将细胞内部与外部环境隔开。它们由各种脂质构成;它们的组成决定了膜蛋白的动态并影响细胞的适应能力。尽管模型膜的研究可以理解脂质之间的相互作用和整体力学，但对天然膜中的这些性质知之甚少。为了结合天然膜的拓扑结构和纳米力学分析，我设计了一种方法来研究从各种单细胞中分离的质膜。选择五种细胞类型并进行测试，揭示了20%的膜厚度变化。我探测了隔离膜对水的阻力，发现它们的线张力和扩散压力。这些结果表明，从神经元分离的膜比脑癌细胞膜更硬，扩散性更低。这种方法提供了直接的定量见解天然细胞膜的力学。
2018-10-03 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.QM
Antibody binding reports spatial heterogeneities in cell membrane organization
本研究结合实验与模拟，通过量化IgG抗体结合亲和力，以纳米级分辨率报告了活细胞膜上拥挤度的空间异质性，支持脂筏样结构域排除大蛋白的假说，为单抗设计提供新方法。
2022-12-06 cond-mat.soft physics.bio-ph
Fluctuations of a membrane nanotube covered with an actin sleeve
许多生物功能依赖于细胞膜的重塑，特别是纳米管，其在体内被动态肌动蛋白网络覆盖。纳米管受到热波动的影响，但这些对细胞功能的影响尚不清楚。在这里，我们使用粘附在脂质体膜上的光学捕获珠粒从脂质体形成纳米管。从这个珠子的功率谱密度，我们研究了在体内测量的膜张力范围内的纳米管波动。我们发现，覆盖在纳米管上的肌动蛋白套筒由于网络的粘弹性而抑制了其高频波动。我们的工作为进一步研究纳米管波动对细胞功能的影响铺平了道路。
2020-06-30 physics.bio-ph
Antibody-loading of biological nanocarrier vesicles derived from red-blood-cell membranes
本研究证明可将抗体装载到人红细胞膜衍生的外泌体模拟纳米囊泡中，并以单囊泡荧光方法量化装载率，为低免疫原性抗体递送提供新途径。
2023-12-06 physics.bio-ph
Near-critical fluctuations and cytoskeleton-assisted phase separation lead to subdiffusion in cell membranes
我们通过对双组分脂质膜进行蒙特卡罗模拟，研究了细胞膜微观异质性和异常亚扩散之间的关系。我们发现，近临界波动的膜导致瞬态亚扩散，而膜-细胞骨架相互作用强烈影响相分离，增强亚扩散，并最终导致跳扩散的脂质。因此，我们提出了一个最小的现实模型膜筏显示微观相分离和亚扩散的功能。
2010-11-23 cond-mat.soft physics.bio-ph
Membrane Heating in Living Tissues Exposed to Nonthermal Pulsed EM Fields
建立了一个由多层球形细胞组成的生物组织模型，该模型包括四个嵌套的径向区域（细胞核、核膜、细胞质和质膜），推导了在脉冲电磁辐射下存在膜电容色散时细胞的加热动力学。讨论了频率依赖膜模型的两种可能情况：质膜和核膜是色散的，只有核膜是色散的。在这两种模型中，发生膜的高局部加热，而在细胞质和核质中没有显著的温度升高。
2014-09-09 physics.bio-ph
Phase transitions in biological membranes
生物细胞的天然膜在低于体温10-20度的温度下显示其脂质的熔融转变。这种转变可以在各种细菌细胞、神经、癌细胞中观察到，也可以在肺表面活性剂中观察到。似乎在略低于生理温度的温度下存在转变是大多数细胞的一般特性。它们是重要的，因为它们影响膜的许多物理性质。在转变温度下，膜显示出更大的渗透性，即使在完全不存在蛋白质的情况下也伴随着离子通道样现象。膜较软，这意味着内吞作用和胞吐作用等现象得到促进。与神经脉冲相关的机械信号传播现象被强烈增强。转变的位置可受温度、压力、pH和盐浓度的变化或麻醉剂的存在的影响。因此，即使在生理温度下，这些转变也是相关的。在那里的位置，从而膜的物理性质可以通过改变强烈的热力学变量来控制。在这里，我们回顾了一些实验结果和热力学描述的膜功能的控制。
2018-05-29 physics.bio-ph
Mechanical Model for Fiber-laden Membranes
纤维负载膜的综合力学模型和代表性的预测相关的纤维素订购和取向的植物细胞壁。该模型描述了刚性纤维在任意弯曲的流体膜上的液晶自组装。流体膜的力学由Helfrich弯曲-扭转模型描述，纤维自组装由2D Landau-de Gennes四极Q-张量序参量模型描述，并且纤维-膜相互作用（受2D Maier-Saupe模型到弯曲表面的扩展的启发）包括竞争的曲线-亲（曲率寻求）和曲线-疏（曲率避免）效应。自由能的分析揭示了三种纤维取向制度：（a）沿主曲率，（b）沿次曲率，（c）远离主曲率，根据竞争的curvo-philic和curvo-phobic相互作用。导出的形状方程（法向应力平衡）现在包括曲率-曲率有序化的贡献，弯曲和扭转重整化。整合的形状和三阶方程给出了一个完整的模型，其解决方案描述了耦合膜形状/纤维的顺序状态。圆柱形膜，相关的植物细胞壁的应用程序，显示了如何增长减少纤维序参量和移动的纤维的董事从轴向方向的方位角取向，最终导致的纯膜预测的应力状态。普遍存在的54.7o纤维素原纤维在圆柱形的植物细胞壁的取向示出由预设的模型预测时，curvo-phobic和curvo-philic的相互作用的比例是在圆柱体半径的范围内。
2009-06-23 physics.bio-ph
Deformation of Bacterial Cell Membranes by Action of Metal Surface under Plasmon Resonance Condition
Educational Scientific Institute of High Technologies, Taras Shevchenko National University of Kyiv（基辅塔拉斯舍甫琴科国立大学高等技术教育科学研究所）；Optical Sciences Centre, Australian Research Council (ARC) Industrial Transformation Training Centre in Surface Engineering for Advanced Materials (SEAM), Swinburne University of Technology（斯威本科技大学、澳大利亚研究理事会（ARC）先进材料表面工程工业转型培训中心光学科学中心）
研究等离子共振条件下金属表面与细菌细胞膜的机械变形机制，揭示表面等离子体共振对细菌膜与纳米结构表面相互作用面积的影响，为抗菌策略提供理论支持。
2026-04-16 physics.bio-ph
Origin of subdiffusion of water molecules on cell membrane surfaces
水分子在为细胞膜上的生物反应提供独特的环境方面发挥着重要作用。人们普遍认为，水分子形成连接脂质分子和稳定细胞膜的桥梁。利用全原子分子动力学模拟，我们发现水分子在脂膜表面的平移和旋转扩散表现出亚扩散。此外，我们提供的证据表明，发散平均捕获时间（连续时间随机游走）和长期相关的噪声（分数布朗运动）有助于这种次扩散。这些结果表明，在细胞膜上的亚扩散导致水阻滞，细胞膜的稳定性增强，和更高的反应效率。
2014-01-30 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.comp-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
Optimal surface topography for cell adhesion is driven by cell membrane mechanics
在许多研究中使用用氧化钛纳米管处理的钛表面来量化表面形貌对细胞命运的影响。然而，预测的最佳直径的纳米管之间的研究有很大差异。我们提出了一个模型，解释细胞黏附纳米结构的表面，考虑变形能的细胞突起到钛纳米管和粘附表面。最佳表面拓扑被定义为使膜具有最小能量形状的几何形状。提出了一个无量纲参数--细胞相互作用指数，用以描述细胞膜弯曲、内曲率和细胞黏附强度之间的相互作用。模型模拟表明，最佳的纳米管直径范围为20 nm至100 nm（细胞相互作用指数之间的0.2和1，分别）是可行的，在一定范围内的参数描述的粘附力和弯曲能。结果表明，有可能调整纳米结构表面的拓扑结构，以提高细胞的增殖和分化与给定的表面几何形状机械兼容，同时抑制其他机械不兼容的细胞的生长。
2020-06-30 physics.bio-ph q-bio.CB
Theory on Plasmon Modes of the Cell Membranes
将细胞膜各层的等离子体激元振荡视为准粒子，引入一个简单的膜集体电荷激发模型，考虑了两层间等离子体激元-等离子体激元相互作用的表面有效势。利用Bogoliubov变换方法，我们很容易地得到了等离子体激元振荡频率与波数$k$和膜厚度$d$的函数关系式，这些频率的量级为$\sqrt{kd}$。我们的结果与E.马诺萨基斯
2007-06-12 physics.bio-ph physics.gen-ph
Theoretical Calculation of the Electric Field in the Vicinity of a Pore Formed in a Cell Membrane
生物细胞膜的电穿孔是在约1000 mV的跨膜电位下几乎普遍发生的现象。孔形成的理论已经基于电压缩（Crowley 1972，Malderelli和Steebe 1992）、局部膜缺陷（Abidor和Chizdhmazdev 1979，Weaver和Mintzer 1981，Sugar 1981）提出，并且统计模型由（Sowers和Lieber 1986）提出。然而，这些理论一般不导出孔内的电场的形式。在本文中，我们提出了一个观点，这是有用的描述生物膜。我们还推导出一个近似的功能形式的电场的区域中的孔形成的膜。
2002-06-11 physics.bio-ph q-bio.QM
Forced- and Self-Rotation of Magnetic Nanorods Assembly at the Cell Membrane: A Biomagnetic Torsion Pendulum
为了深入了解各向异性纳米物体如何与活细胞膜相互作用，并可能自组装，我们通过在磁场下在聚合物基质内组装氧化铁纳米立方体来设计平均尺寸约为100 nm x 1 $μ$ m的磁性纳米棒。然后，我们探讨了在旋转磁场的影响下，在细胞膜的纳米生物界面。我们观察到纳米棒与膜交织在一起的复杂结构。出乎意料的是，在磁旋转刺激后，所产生的macrorods能够自由旋转多次旋转，揭示了生物磁扭摆的创造。
2018-07-24 cond-mat.soft physics.bio-ph
Lipid bilayer fluidity and degree of order regulates small EVs adsorption on model cell membrane
本研究利用三阴性乳腺癌来源sEVs与合成脂质双层模型，通过时间分辨原子力显微镜揭示细胞膜流动性与有序度对sEVs吸附与融合的调控作用，强调膜生物物理特性在摄取中的关键地位。
2023-07-27 physics.bio-ph q-bio.BM
Cell membrane disruption by vertical nanopillars: the role of membrane bending and traction forces
获得进入细胞内部的通道对于许多应用是基本的，例如电记录、药物和生物分子递送。一种非常有前途的技术包括在纳米/微柱上培养细胞。与纳米结构接触的细胞的紧密粘附和高度局部变形可以促进脂质在质膜处的透化，从而提供进入内部隔室的途径。然而，关于何时以及如何靶向细胞内环境以及几何形状和与表面相互作用的作用，仍然存在很多实验争议。因此，我们研究，粗粒度的分子动力学模拟的细胞膜，高应变和弯曲条件下的脂双层的机械性能。我们发现，脂质双层的高曲率显著降低了实现膜破裂所需的牵引力。之后，我们实验研究了具有可比的纵横比，但在边缘不同的锐度值的柱的细胞膜的透化速率。实验数据支持模拟结果：即使是直径在微米范围内的柱，当它们的边缘足够尖锐时，也可能导致局部膜破裂。因此，透化可能性与柱的局部几何特征有关，而不是与直径或纵横比有关。本研究也可以为组织工程和细胞生长的三维生物界面的设计提供显着的贡献。
2018-04-27 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Quantitative description of ion transport via plasma membrane of yeast and small cells
通过质膜离子运输的建模需要识别和定量的了解所涉及的过程。酵母细胞的主要离子转运系统（Pma1，Ena1，TOK1，Nha1，Trk1，Trk2，非选择性阳离子电导）的简要表征和确定每个典型细胞的每个转运蛋白的分子的确切数量使我们能够预测相应的离子流。本文对酵母细胞和几种动物细胞的离子转运进行了比较。强调了细胞体积与表面比的重要性。细胞壁和脂筏的作用进行了讨论，在所需的增加测量的空间和时间分辨率。结论是制定在酵母细胞中的离子运输的具体特点。基于这些假设，本文提出了未来研究的可能方向。
2016-01-16 physics.bio-ph q-bio.SC
Theory of cell membrane interaction with glass
细胞膜与玻璃的相互作用有三种方式-紧密和松散的粘附，由排斥分开。解释包括水合作用，本文评估的离子相关和离子屏蔽静电，和电磁波动的距离的函数之间的表面的压力。结果与紧密粘附能（0.5-3 vs 0.4-4 mJ/m2）、脱离压力（7.9 vs 9 MPa）和峰值排斥（3.4-7.5 vs 5-10 kPa）的数据一致，也匹配排斥的距离依赖于主要来自波动的空间压力的重整化。
2021-03-08 cond-mat.soft physics.bio-ph
Membrane Mechanics of Endocytosis in Cells with Turgor
内吞作用是细胞将细胞外膜和物质内化的一个重要过程。在具有膨压的细胞中，压力对抗膜变形，并且增加必须由内吞机制产生的力的量。为了确定这个力，并计算膜的形状，我们使用物理理论来模拟压力下的弹性表面。假设包被的膜是高度刚性的，并优先弯曲的内吞部位的实验配置文件的准确拟合。肌动蛋白机械所需的力在变形开始时达到峰值，这表明一旦内陷开始，内吞就不太可能在完成之前停止。外壳蛋白不降低起始力，但可能通过它们诱导的曲率影响该过程。在各向同性曲率诱导剂的存在下，拉动内陷的尖端可以触发在内陷的基部处形成颈部。因此，可能不需要肌动蛋白直接收缩颈部，而它的牵拉作用是必不可少的。最后，该理论表明，各向异性曲率效应器稳定膜内陷，因此新月形BAR结构域蛋白（如Rvs167）的丢失可能引发膜断裂。
2015-09-02 physics.bio-ph q-bio.SC
Important factors for cell-membrane permeabilization by gold nanoparticles activated by nanosecond-laser irradiation
目的：脉冲激光照射附着在细胞上的吸光金纳米颗粒（AuNPs）瞬时增加细胞膜通透性，用于靶向分子递送。在这里，我们用AuNPs靶向卵巢癌细胞系OVCAR-3上的EGFR。为了优化膜渗透性并证明分子递送到贴壁OVCAR-3细胞中，我们系统地研究了不同的实验条件。材料和方法：通过缀合针对EGFR的抗体西妥昔单抗使AuNP（30 nm）官能化。通过银染、多光子成像和荧光寿命成像证明了颗粒的选择性结合。激光照射后，OVCAR-3细胞的膜通透性在不同条件下的金纳米粒子浓度，细胞孵育介质，和细胞-金纳米粒子孵育时间进行了研究。通过流式细胞术、测量碘化丙啶和异硫氰酸荧光素-葡聚糖摄取来评估膜渗透性和细胞活力。结果：EGFR-AuNP可有效靶向贴壁生长的OVCAR-3细胞。激光照射导致成功的透化，150 kDa的葡聚糖被成功地递送到细胞中，效率约为70%。结论：抗体靶向和激光照射的金纳米粒子可用于将分子递送到粘附细胞中。功效不仅取决于激光参数，而且取决于AuNP：细胞比率、细胞孵育介质和细胞- AuNP孵育时间。
2018-10-07 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.TO
Effects of disorder in location and size of fence barriers on molecular motion in cell membranes
从理论上研究了跨膜分子如蛋白质和脂质在细胞膜中运动时遇到的能量高度和栅栏屏障物理位置的无序效应。调查作为其出发点最近的分析周期性系统的恒定距离之间的障碍和恒定值的障碍高度，并采用有效介质理论来治疗的障碍。的计算使得可能的，在原则上，提取的限制参数，如平均房室大小和平均房室间的过渡率从实验报告发表的意见。作为有效介质理论的一个不寻常的应用，以及对细胞膜中观察到的分子运动的研究，这种分析应该是有帮助的。
2008-04-25 physics.bio-ph q-bio.QM
Mapping the energy and diffusion landscapes of membrane proteins at the cell surface using high-density single-molecule imaging and Bayesian inference: application to the multi-scale dynamics of glycine receptors in the neuronal membrane
蛋白质迁移率通常是根据有效扩散来分析的。然而，这种描述往往不能正确区分和评估的物理参数（如膜摩擦）和生化相互作用的运动。在这里，我们提出了一种结合高密度单分子成像和统计推断的方法，以约100 nm的分辨率（采集时间为几分钟）分别绘制细胞表面膜蛋白的扩散和能量景观。当将这些分析工具应用于抑制性突触处的甘氨酸神经递质受体（GlyR）时，我们发现桥蛋白支架充当GlyR的浅能量陷阱（~3 kBT），其深度由受体-桥蛋白相互作用回路的生化性质调制。反过来，推断的地图可以用来模拟膜中蛋白质的动态，从单个受体的水平到群体的水平，从而模拟生理参数的随机波动（例如突触处的受体数量）。总的来说，我们的方法提供了一个强大而全面的框架，用于分析活细胞中的生化相互作用，并破译复杂细胞环境中生物分子的多尺度动力学。
2015-02-25 physics.bio-ph q-bio.QM
Single-molecule imaging of the H-ras membrane-anchor reveals domains in the cytoplasmic leaflet of the cell membrane
在过去的十年中，有证据表明，直径为50-700 nm的小区域位于质膜的外质小叶中。这些结构域中的大多数被认为由特定的脂质和蛋白质组成，并且被认为协调信号转导级联。类似的结构域是否也存在于质膜的细胞质小叶中，目前尚不清楚。为了研究胞质小叶结构域的存在，将H-Ras膜靶向序列融合到增强型黄色荧光蛋白的C末端。使用单分子荧光显微镜，记录单个分子在质膜的细胞质小叶中扩散的轨迹。从这些轨迹，个别膜锚定的增强黄色荧光蛋白分子的扩散进行了研究，在活细胞的时间尺度从5到200毫秒。结果表明，30-40%的分子的扩散被限制在域与一个典型的大小为200 nm。肌动蛋白的分解和胆固醇的提取都没有显著改变结构域的特征，这表明所观察到的结构域可能与迄今为止确定的膜结构域无关。
2007-04-29 physics.bio-ph physics.optics
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
Critical Casimir forces in cellular membranes
最近的实验表明，活细胞的膜被调谐到接近2D伊辛普适性类中的可分辨性临界点。我们建议，这种接近活细胞中的临界性的一个作用是提供一个管道相对较长的临界卡西米尔部队。利用共形场论的技术，我们计算了膜结合夹杂物介导的局部相互作用与组成序参量之间的平均力的潜力。我们验证这些计算使用蒙特卡洛，我们也比较临界和非临界的结果。我们的研究结果表明，膜结合蛋白质的经验弱，但长距离的部队介导的关键组成波动的活细胞的质膜。
2012-08-03 math-ph math.MP physics.bio-ph
Molecular motion in cell membranes: analytic study of fence-hindered random walks
提出了一种描述细胞膜中跨膜分子受限运动的理论计算方法。这项研究是分析的基础上，主方程的分子移动的概率随机游走，并导致明确可用的解决方案，包括分子的均方位移和有效扩散常数的表达式。一个结果是详细了解的时间变化的均方位移的初始位置的分子内的封闭区域的依赖性。如何使用的计算说明提取（限制）室大小从实验报告发表的意见，从单粒子跟踪实验的金标记的G-蛋白偶联μ阿片受体在正常大鼠肾细胞膜的扩散，并通过进一步比较分析结果观察磷脂的扩散，也在正常大鼠肾细胞。
2008-04-25 physics.bio-ph q-bio.QM
Protein over-expression can induce the elongation of cell membrane nanodomains
在细胞膜中，蛋白质和脂质被组织成不同大小、形状和组成的亚微米纳米结构域，执行特定的功能。尽管它们的生物学重要性，这些纳米结构域的详细形态仍然未知。由于它们的小尺寸，它们不仅很难被传统的显微镜观察到，而且在描述它们的结构和形状的理论模型上也没有完全的共识。在这里，我们使用的分析计算和蒙特卡罗模拟的基础上耦合膜的组成和形状的模型的组合，以显示，增加蛋白质浓度导致膜纳米结构域的延长。这些结果得到了HIV受体单粒子跟踪测量的证实，HIV受体在专门设计的活细胞膜中的表达水平可以调节。这些发现强调了蛋白质丰度可以调节纳米结构域的形状和潜在的生物学功能。除了生物膜之外，这种介观模式化机制在几种软物质系统中具有相关性，因为它依赖于通用的物理参数。
2022-12-09 cond-mat.soft physics.bio-ph
The surface charge of a cell lipid membrane
本文研究了浸于生理溶液中的脂膜表面电荷问题。结果表明，双层磷脂膜表面两侧均带负电荷。建立了溶液中电位的自洽模型，发现膜表面存在一个固定的电荷密度，表明表面电荷离子位于相对较深的势阱中（与kBT相比），该势阱位于磷脂膜的偶极头附近。它使得离子不可能沿着膜表面滑动。简单的实验验证所考虑的模型的正确性。一个发达的方法可以用于估计的细胞的外膜和内膜上的表面电荷。
2014-10-26 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Models of dynamic extraction of lipid tethers from cell membranes
当与完整的膜受体结合的配体被拉动时，膜和下面的细胞骨架可以在膜从细胞骨架脱层或配体从受体分离之前变形。如果膜从细胞骨架脱层，它可能会被进一步挤压并形成膜系链。我们开发了一个现象学模型，这个过程假设变形服从胡克定律的临界力，在该临界力下，细胞膜局部脱离细胞骨架和膜系链的形式。我们计算系绳形成的概率，并表明，它们只能在一个中间范围内的力加载速率和拉速度被挤出。计算配体脱离时产生的平均系链长度，以及产生最长系链的力加载速率和牵拉速度。
2010-02-16 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Inferring maps of forces inside cell membrane microdomains
细胞膜中生物分子上的力的映射已经刺激了有效标记的发展，例如有机荧光团和纳米颗粒，以跟踪单个生物分子的轨迹。标准方法使用特定的统计数据，即均方位移，来分析潜在的动力学。在这里，我们引入一般的推理方法，充分利用实验轨迹中的信息，提供膜微区中的力和扩散系数的精确估计。快速和可靠的收敛性的推理方案证明了数值生成的轨迹。然后，该方法被应用于推断力和电位作用于由镧系元素离子纳米颗粒标记的$ε$ -毒素的受体。我们的方案适用于任何标记的生物分子，结果显示其与膜区室化的一般相关性。
2015-02-21 physics.bio-ph q-bio.QM
Cooperative response and clustering: consequences of membrane-mediated interactions among mechanosensitive channels
机械敏感（MS）通道是离子通道，充当细胞的安全阀，当渗透压变得太高时打开，并通过释放离子使细胞避免损伤。它们存在于大量生物体的细胞膜上。它们通过它们在膜中引起的变形而相互作用。我们发现，集体动力学所产生的通道间的相互作用导致第一和第二阶相变在平衡有关的形成通道集群的开放通道的分数。我们发现，这导致在相当大的延迟的细胞对渗透压冲击的反应，并在其响应时间的极端细胞到细胞的随机变化，尽管大量的通道存在于每个细胞。我们讨论了我们的结果是如何相关的{ \it E。coli}。
2017-06-27 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Monte Carlo simulation for statistical mechanics model of ion channel cooperativity in cell membranes
电压门控离子通道是在可兴奋细胞膜中产生和传播电信号的关键分子。这些通道在传导和非传导状态之间的电压依赖性切换是控制跨膜电压的主要因素。本文在二维自旋模型的基础上讨论了这些分子的统计力学模型。引入一种新的哈密顿量和一种新的蒙特卡罗模拟算法来模拟这种模型。结果表明，该结果与使用切开轴突技术从乌贼巨轴突中的蛙毒素修饰的钠通道获得的实验数据很好地匹配。
2008-12-22 physics.bio-ph physics.comp-ph
Planar Optical Nanoantennas Resolve Cholesterol-Dependent Nanoscale Heterogeneities in the Plasma Membrane of Living Cells
光学纳米天线可以有效地将光限制在纳米级热点，从而在生物相关条件下实现单分子检测灵敏度。这种突破衍射极限的创新方法提供了一个多功能平台，用于研究活细胞膜中单个生物分子的动力学及其分配到胆固醇依赖性脂质纳米结构域中。在这里，我们提出了光学纳米天线阵列与可访问的表面热点研究的特征扩散动力学的磷酸乙醇胺（PE）和鞘磷脂（SM）在纳米级的活细胞质膜。对不同间隙尺寸的纳米天线进行的荧光猝发分析和荧光相关光谱表明，与PE不同，SM被瞬时捕获在直径为10 nm的富含胆固醇的纳米结构域中，特征时间约为100 μs。胆固醇的去除导致SM的自由扩散，与纳米畴的分散一致。我们的研究结果是一致的存在高度瞬态和波动的纳米级组件富含胆固醇和鞘脂在活细胞膜，也被称为脂筏。鞘脂分配到脂筏的定量数据是至关重要的，以了解在纳米级的活细胞膜上的瞬时分子复合物的时空异质组织。所提出的技术是完全生物相容的，因此为生物物理学和活细胞研究提供了各种机会，以揭示仍然隐藏在共焦衍射限制测量中的细节。
2017-11-17 physics.bio-ph physics.optics
Membrane Thickness Sensitivity of Avian Prestin: Implications
本文提出鸟类 prestin 虽无膜面积变化，但可通过膜蛋白剪切变形的构象转变实现运动功能，从而解释其膜厚度敏感性。
2023-07-05 physics.bio-ph q-bio.SC
Electroporation of Biological Cells Embedded in a Polycarbonate Filter
每当施加的场超过阈值时，通过施加外场发生生物细胞膜的电透化。对于高于该阈值但小于另一临界值的场，膜中形成的孔是瞬时的或可逆的。已经提出了几种机制，这些瞬态孔的形成。在这里，我们研究的本地电场产生的配置嵌入在聚碳酸酯过滤器中的细胞，无论是在该地区的孔隙和周围。我们考虑由于沿膜表面的场的梯度而在膜中产生的剪切力，以及膜中的带电分子与该场的相互作用。推导出了电场强度与所形成孔隙大小的关系。
2003-08-04 physics.bio-ph q-bio.QM
Three-dimensional imaging of single nanotube molecule endocytosis on plasmonic substrates
研究单个分子或单个纳米物体的细胞内化途径对于理解细胞-物质相互作用以及在药物递送和发现中的应用是重要的。对细胞质膜上单个分子的运动进行成像和跟踪需要高的三维空间分辨率。具有纳米分辨率的沿轴向尺寸的荧光成像具有高度挑战性，但对于揭示跨膜事件中的位移至关重要。在这里，利用基于金等离子体基底上碳纳米管的近红外荧光增强（NIR-FE）的敏感距离依赖性的等离子体标尺，我们通过纳米管荧光强度的变化探测~10 nm尺度的跨膜位移，从而能够在3D中观察单个纳米管内吞。细胞摄取和跨膜位移显示出明显的温度依赖性和网格蛋白组装在细胞膜上，这表明纳米管分子的细胞进入机制是通过网格蛋白依赖性的内吞作用，通过形成网格蛋白包被的凹坑在细胞膜上。
2012-01-29 physics.bio-ph physics.optics
Active emulsions in living cell membranes driven by contractile stresses and transbilayer coupling
细胞表面蛋白质和脂质的时空组织对信号传导、分选和内吞作用具有直接的功能性后果。早期的研究表明，多种类型的膜蛋白，包括具有细胞质肌动蛋白结合能力的跨膜蛋白和脂质束缚的GPI锚定蛋白（GPI-AP），形成由肌动蛋白皮质产生的主动收缩流驱动的纳米级簇。为了深入了解脂质在活细胞中组织膜结构域的作用，我们研究了促进GPI-AP和跨膜蛋白的积极生成的纳米簇的分子相互作用。这激发了理论描述，其中主动收缩应力和跨双层耦合的组合驱动活性乳液、GPI-AP和脂质的中尺度液体有序（lo）域在大于平衡脂质相分离的温度下的产生。为了测试这些想法，我们使用空间成像的homo-FRET结合本地膜秩序，并证明介观域丰富的GPI-AP的纳米簇保持皮层肌动蛋白活性和transbilayer相互作用，并表现出显着的脂质秩序，与预测的活性复合模型一致。
2022-04-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
An Open-channel Microfluidic Membrane Device for In situ Hyperspectral mapping of enzymatic cellulose hydrolysis
同步辐射红外超光谱显微镜是一种无标记和非侵入性的技术，非常适合原位成像的化学事件。它可以通过分子的特征振动模式来跟踪样品中感兴趣分子的时空分布。尽管近年来取得了巨大进展，但由于对环境控制的苛刻要求和水的强红外吸收，液体中生物材料中化学事件的红外高光谱成像仍然具有挑战性。在这里，我们报告了一个多相毛细管驱动的膜装置，用于无标记和实时的研究从刚毛藻纯化的藻纤维素酶解。
2021-07-16 physics.bio-ph q-bio.CB
Curvature instability of an active gel growing on a wavy membrane
本文建立耦合黏性活性肌动蛋白凝胶、膜变形与曲率敏感成核因子募集的理论模型，揭示曲率反馈可使膜线性失稳并自发形成细胞突起。
2025-10-20 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Pattern formation, localized and running pulsation on active spherical membranes
肌动蛋白-肌球蛋白皮质与细胞膜偶联产生的主动力允许细胞变形，对环境做出反应，并介导细胞运动和分裂。几种膜结合的激活蛋白沿着它移动，并耦合到膜曲率。此外，它们还可以作为丝状肌动蛋白生长的成核位点。肌动蛋白聚合可以在膜上产生局部向外的推力。来自收缩性肌动球蛋白皮质的向内拉力可以通过肌动蛋白丝沿着膜传播。我们使用场的耦合演化来进行线性稳定性分析和数值计算。由于活性克服了诸如表面张力和抗弯刚度的稳定因素，球形膜显示出朝向斑图形成、局部脉动和极间运行脉动的不稳定性。我们提出我们的结果在相图和耦合场的演化。它们与活细胞相关，并且可以在人工细胞样构建体的实验中得到验证。
2021-09-16 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Active matter as the underpinning agency for extraordinary sensitivity of biological membranes to electric fields
University of Houston（休斯顿大学）
本文提出非平衡统计力学模型，揭示活性物质如何使生物膜能检测极低电场，从而解释生物膜对电场异常敏感性的机制。
2025-01-02 cond-mat.soft physics.bio-ph
A simple model of Keratocyte membrane dynamics
我们在[1]中提出的细胞运动的最小相场模型的框架下对细胞界面动力学进行了分析研究，该模型由两个耦合的序参量演化方程和一个描述肌动蛋白网络极化（取向）的二维矢量场组成。我们推导出一个控制细胞界面动力学的封闭进化积分-微分方程。该方程包括膜的法向速度、曲率、体积松弛和由细胞骨架中的非平衡效应确定的参数。该方程可以简化为Burgers型方程。得到了系统参数存在稳定胞形的条件。
2019-10-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
Cell-Scale Dynamic Modeling of Membrane Interactions with Arbitrarily Shaped Particles
本文提出一个基于力的计算框架，用于模拟任意形状颗粒与脂质囊泡在细胞尺度下的动态相互作用，通过朗之万动力学和两种粘附方案，揭示了质量比对包裹行为的影响，并展示了多种几何形状的适用性。
2025-08-27 cond-mat.soft physics.bio-ph
Unitary response of solvatochromic dye to pulse excitation in lipid and cell membranes
在空气-水界面处的脂质单分子层中存在声脉冲传播是众所周知的。这些脉冲由脂质膜的热力学状态控制。然而，声脉冲在细胞内和细胞间通讯中的作用仍然是一个有争议的问题。在这里，我们使用的染料二4-ANEPPDHQ，这是已知的是敏感的物理状态和跨膜电位的膜，为了深入了解压缩波在基于脂质的膜界面。将染料掺入到由磷脂酰丝氨酸或磷脂酰胆碱在空气-水界面制成的脂质单层中。当单分子膜的状态从液体膨胀（LE）到液体凝聚（LC）相时，检测到发射光谱的显著蓝移。在使用本体溶剂二甲基亚砜（DMSO）的实验中，二-4-ANEPPDHQ的这种转变敏感性被概括。在溶剂结晶时，发射光谱也经历蓝移。在脂质单层的压缩脉冲，一个显着的荧光响应时，只观察到在主要的过渡制度。这些波的光学特征，在符号和幅度方面，是相同的二-4-ANEPPDHQ在神经元和可兴奋的植物细胞的动作电位过程中的反应。这些发现证实了动作电位是在细胞膜中传播的非线性状态变化的建议。
2022-11-14 cond-mat.soft physics.bio-ph
