A Teflon-based system for applying multidirectional voltages to lipid bilayers as a novel platform for membrane proteins
人工双层类脂膜（BLM），以及膜片钳膜，经常用于膜蛋白的功能分析。在这两种方法中，膜的电特性仅由一个参数表征，即跨膜电位。本文报道了一种新型的BLM系统的构建，该系统除了传统的跨膜方向外，还可以在横向方向上控制膜电压。在聚四氟乙烯薄膜上制作了一个微孔，并在微孔周围蒸镀了钛电极。在孔中可再现地形成BLM，而不受电极存在的影响。横向电压的应用不会引起BLM的电特性，如基线电流，跨膜电阻和跨膜电容的显着变化。相反，横向电压明显影响生物离子通道的活动，这表明横向电压可能是一个有用的参数，用于分析通道活动。目前的聚四氟乙烯为基础的系统，其中多向电压可以施加到BLM代表一个很有前途的平台，用于分析膜蛋白的基本功能特性。
2019-07-12 physics.app-ph physics.bio-ph
Forces from Lipids and Ionic Diffusion: Probing lateral membrane effects by an optimized filter region of voltage dependent K+ channels
我们研究了细胞膜脂双层中的多不饱和脂肪酸（PUFAs）对电压门控离子通道选择性过滤器传导特性的可能影响。这种导电性的任何变化都可能对大脑和其他细胞中的电信号产生重大影响。在微观水平上，PUFA浓度的变化可引起脂质双层内压力分布的变化，这又可导致选择性过滤器长度的变化。为了估计的后果，这可能需要的离子通道的电导率，我们进行了高分辨率的分子动力学（MD）模拟的K+离子和H2O分子通过的KcsA钾离子通道的选择性过滤器的通道。我们的研究结果表明，在选择性过滤器的长度的变化小至4%，独立于是否过滤器是更长或更短，将减少约50%的K+离子电流。而进一步挤压或拉伸约10%就可以有效地阻止电流。为了指导性的目的，并促进进一步解释的结果，我们给出了详细的力模型中采用的MD模拟。最后，我们讨论了目前的结果的背景下，膜脂质组合物对千伏离子渗透的可能影响。
2020-02-28 physics.bio-ph q-bio.NC
Genesis of a Horizontal Electric Field within the Lipid Bilayer: A Bilayer-Embedded Actuation Platform
Laboratory for Nanoelectronics and Spintronics, Research Institute of Electrical Communication (RIEC), Tohoku University（东北大学电气通信研究所纳米电子与自旋电子学实验室）；Graduate School of Biomedical Engineering, Tohoku University（东北大学生物医学工程学院研究生院）；School of Mechatronical Engineering, Beijing Institute of Technology（北京理工大学机电学院）；Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR), Tohoku University（东北大学材料研究高等研究院）；Department of Molecular Neuroscience, Faculty of Medical Sciences, University of Fukui（福井大学医学科学部分子神经科学系）；Life Science Innovation Center, University of Fukui（福井大学生命科学创新中心）
本文提出一种生物电子平台，可控制生成脂双层中性层的水平电场，研究其对电压门控钾通道的影响及在生物膜电场中的应用。
2026-04-08 physics.bio-ph
Comparing ion conductance recordings of synthetic lipid bilayers with cell membranes containing TRP channels
在这篇文章中，我们比较电导事件从单通道记录的三个TRP通道蛋白（TRPA 1，TRPM 2和TRPM 8）在人胚肾细胞中表达的合成脂质膜上记录的通道事件接近熔化过渡。来自TRP家族的离子通道参与各种感觉过程，包括热和机械接收。接近相变的合成脂质膜显示通道样事件，其响应于与诸如压力和温度的密集热力学变量的变化相关的刺激。TRP通道活性的特征在于依赖于表达的蛋白质类型的电流事件的典型模式。合成的脂质双层显示了广泛的电现象，被认为是典型的蛋白质离子通道的活性。我们发现单一的电流，突发行为，闪烁，多步电导，和尖峰行为在这两个准备。此外，我们报告的电导和寿命的脂质通道所描述的蛋白质通道。在这两个系统中看到的非线性和不对称的电流-电压关系。在没有进一步了解记录条件的情况下，很难判断短电流迹线是来自通道蛋白还是来自纯脂质膜
2011-11-14 physics.bio-ph
Study of Selectivity and Permeation In Voltage-Gated Ion Channels
离子通道是一种膜蛋白，具有广泛的生物学功能。离子选择性和渗透是基于简单的物理和化学定律。因此，离子通道是物理研究的理想候选者。一个简化的模型产生的电压门控L-型钙通道的选择性在广泛的离子条件下，使用只有两个参数不变的值。这个简化模型的成功背后的原因进行了调查。进行蒙特卡罗模拟，研究在宽范围的离子条件下侧链的灵活性在钙通道的选择性中的作用。结果表明，氧离子的确切位置和迁移率对钙通道的选择性行为几乎没有影响。钙通道中选择性的一阶决定因素是选择性过滤器中的电荷密度。灵活性似乎是一个二级决定因素。进行单通道平面脂质双层实验以确定大肠杆菌的细菌外膜通道NanC的选择性、渗透性和唾液酸特异性。NanC表现出随施加电压极性、阴离子选择性和电压门控而变化的大的单位电导。在缓冲液HEPES的存在下，NanC的单位电导显著降低。检测替代缓冲液。结果表明，NanC的唾液酸特异性应在低浓度盐溶液中进行，而无需调节至中性pH 7.0的pH缓冲液。Neu 5Ac改变了门控并显著增加了NanC的离子电导。Neu 5Ac对通过NanC的单位电流的影响在较高Neu 5Ac浓度下饱和。有趣的是，Neu 5Ac降低了OmpF的离子电导：观察到频繁的长闭合。因此，在大肠杆菌中，唾液酸易位由NanC特异性促进，而不是由OmpF促进。
2012-06-13 physics.bio-ph
Lateral trapping of DNA inside a voltage gated nanopore
当穿孔膜包含嵌入式电极时，解决了短DNA片段通过纳米孔的移位。精确的数值解耦合泊松，能斯特-普朗克，斯托克斯方程的一个现实的，完全三维的设置，以及分析近似的简化模型。通过向膜电极施加合适的电压，可以迫使DNA优选沿着孔轴或在离孔壁很小但有限的距离处穿过孔。
2017-06-28 cond-mat.soft physics.bio-ph
Lipid Ion Channels
生物膜中的电现象的解释通常基于这样的假设，即实验发现的离散离子传导事件是由于称为离子通道的特定类别的蛋白质，而脂质膜被认为是惰性电绝缘体。这种特殊的蛋白质结构被认为与离子特异性、受体对药物的特异性识别以及神经脉冲传播等宏观现象有关。然而，已知脂膜在其链熔融状态下对离子、水和小分子是高度可渗透的，因此并不总是惰性的。在电压钳实验中，人们发现通过不含蛋白质的膜的量化传导事件在它们的熔化状态下与归因于蛋白质的那些类似，甚至无法区分。这构成了一个概念性的问题，从生物膜制剂获得的电生理数据的解释。在这里，我们回顾了脂质离子通道的实验证据，它们的性质和物理化学基础上创建。我们引入了膜波动的热力学理论，从脂质通道的起源。此外，我们演示了如何的外观的脂质通道可以通过改变的热力学变量（温度，压力，张力，化学势）在一个连贯的描述，是免费的参数的影响。这种描述导致孔显示停留时间密切耦合的波动寿命通过波动耗散定理。麻醉剂和神经递质的药物被证明会以可预测的方式影响通道的可能性和它们的寿命。我们还讨论了蛋白质在影响脂质通道形成的可能性中的作用。
2010-01-14 physics.bio-ph
The $(2 + δ)$-dimensional theory of the electromechanics of lipid membranes: I. Electrostatics
针对现有纯力学二维脂质膜模型无法描述电场耦合的问题，本文提出基于低阶谱展开的通用降维方法，构建考虑有限厚度的$(2+δ)$维脂质膜静电学理论，经多几何结构验证与三维理论吻合良好。
2023-01-23 cond-mat.soft physics.bio-ph
Physical properties of voltage gated pores
单离子通道的实验在很大程度上促成了我们目前对细胞膜功能的看法。在这些实验中，主要的观测量是物理量：离子浓度、膜静电势和离子通量，它们都表现出很大的波动。Goldman-Hodking-Katz的经典理论假设开放通道可以很好地描述为物理孔隙，其中离子遵循统计物理学。然而，真正的分子通道是具有开放和封闭动力学状态的活性孔。通过跳过真实通道的分子复杂性，在这里，我们提出了两个活性孔模型的内部结构和校准。这些模型提出了一组最小的自由度，特别是离子位置和门状态，它遵循朗之万方程从一个独特的势能泛函，并通过使用统计物理的标准规则。对这两种模型进行了数值模拟，结果表明它们的动力学性质与Na和K分子通道的实验结果非常接近。特别是一个显着的影响，外部离子浓度上的门控动力学的预测，这是与以前的实验观察。这种方法可以扩展到具有更具体现象学的其他通道类型。
2018-04-16 physics.bio-ph
Ion channels in critical membranes: clustering, cooperativity, and memory effects
本文提出状态依赖性脂质亲和力统一解释离子通道的聚集、协同性与滞后现象，并通过临界膜模型揭示脂筏驱动的长程相互作用和电流记忆效应。
2024-01-22 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
A Quantum-mechanical description of ion motion within the confining potentials of voltage gated ion channels
电压门控通道蛋白在神经细胞之间的膜电位传递中合作。随着原子尺度生物化学的最新进展，现在已经确定这些通道蛋白提供高度相关的原子环境，即使在温暖的温度下也可以保持电子相干性。在这里，我们展示了薛定谔方程的解决方案，代表了一个单一的钾离子在周围的羰基偶极子在Berneche-Roux模型的细菌\textit{KcsA}模型通道的相互作用。我们表明，根据周围的羰基衍生的潜力，碱金属离子可以成为高度离域的蛋白质在温暖的温度下的过滤器区域。我们提供的离子的动能的时间演变的估计取决于它们与其他离子的相互作用，它们的位置内的蛋白质过滤器区域的氧笼，并取决于周围的羰基不同的振荡频率。我们的研究结果提供了第一个证据表明，需要量子力学性质来解释一个基本的生物学特性，如跨膜离子电流中的离子选择性和对门控动力学的影响，并在电可兴奋细胞中形成经典电导。
2012-06-04 physics.bio-ph q-bio.NC
Homeostatic and Adaptive Energetics: Nonequilibrium Fluctuations Beyond Detailed Balance in Voltage-Gated Ion Channels
随机热力学在描述平衡态和远离平衡态的现象方面取得了很大的成功。然而，应用于介观复杂系统--尤其是生物系统--仍然有许多机会，这些系统的有效动力学常常违反细致平衡，而且其微观自由度往往未知或棘手。在回顾过剩和内务能量-系统的耗散的自适应和稳态组件-我们扩展随机热力学与轨迹类波动定理的非平衡稳态，非详细平衡的复杂系统。然后，我们采取的电压门控钠和钾离子通道的神经生物学的例子来应用和说明的理论，阐明他们的非平衡行为下的生物药理学合理的动作电位驱动。这些结果揭示了未来实验的挑战，并强调了理解复杂系统热力学的可能进展-而无需详尽了解每个潜在的自由度。
2022-11-06 cond-mat.stat-mech nlin.AO physics.bio-ph
Active quantum memory: Exploring the quantum dynamical process of voltage-gated ion channel
National Cheng Kung University（国立成功大学）
研究基于电压门控离子通道开闭受膜电位差触发，将其建模为纳米级双端离子隧穿结，施加时变电压推导方程得出离子传输电流，发现有源量子记忆，可描述其强度并探索温度依赖性，为离子通道动力学机制提供量子力学理解。
2026-07-28 cond-mat.mes-hall physics.bio-ph quant-ph
Generalized microscopic theory of ion selectivity in voltage-gated ion channels
离子通道是存在于活细胞膜中的特定蛋白质。它们控制特定离子通过细胞的流动，由离子通道的电化学梯度启动。在此过程中，它们控制着重要的生理过程，如肌肉收缩和神经元连接，如果这些通道失控，这些过程就无法正常激活，从而导致危及生命的疾病和心理障碍。在这里，我们将开发一个广义的离子选择性的微观理论适用于KcsA，Na $_{\rm v}$ Rh和Ca $_{\rm v}$（L型）离子通道。我们明确地揭示了为什么以及如何一个给定的离子通道可以是高度选择性的，但具有每秒一百万离子或更高的电导率。我们将确定并证明正确的物理生化机制，负责在给定的离子通道中的特定离子的高选择性。上述机制由五个条件组成，其可以直接与这些参数相关-（i）脱水能量，（ii）“正确”离子的浓度，（iii）库仑-范德华吸引力，（iv）孔和离子尺寸，以及间接与（v）热力学稳定性和（vi）“撞击”辅助渗透相关。
2012-09-12 physics.bio-ph q-bio.SC
Finite Membrane Thickness Influences Hydrodynamics on the Nanoscale
本文提出考虑有限膜厚度的连续介质模型，揭示膜厚度介导的剪切流、压力反转和拉伸驻点等效应会减缓纳米尺度膜涨落弛豫并产生新的体相耗散模式，表明膜厚度是纳米尺度流体动力学的关键因素。
2025-08-28 cond-mat.soft physics.bio-ph
Voltage sensing in ion channels: Mesoscale simulations of biological devices
通过电压门控离子通道的电信号依赖于电压传感器（VS）的功能，其在电压门控K+通道中被鉴定为S1-S4结构域。在这里，我们调查一些充满活力的方面的滑动螺旋模型的VS使用模拟的基础上VS收费，线性闪烁和全身运动。采用边界元法求解了电压箝位边界条件下的模型静电问题。的静电构型能量的统计机械后果的计算，以获得洞察的滑动螺旋机制，并预测实验测得的合奏性能，如门控电荷所施加的电压位移。这些后果和系综性质的研究两个交替的S4组态，α-和3（10）-螺旋。发现这两种形式的VS具有固有的静电稳定性。最大电荷位移受到几何形状的限制，特别是S4电荷和反电荷在弱电介质区域重叠的移动范围。在α螺旋传感器中，电荷位移对电压的响应比3（10）螺旋传感器更陡。这种差异是由于静电能量的景观中0.1 eV量级的差异。作为将这些VS模型集成到全通道模型中的一步，我们在系统的哈密顿量中包括一个假设的外部负载，并分析VS的能量输入/输出关系。
2012-07-13 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.QM
Electrostatic determinants of voltage sensitivity in ion channels: Simulations of sliding-helix mechanisms
通过电压门控离子通道的电信号依赖于电压传感器（VS）的功能，其被鉴定为电压门控K通道的S1-S4结构域。在这里，我们调查一些物理方面的滑动螺旋模型的VS使用模拟的基础上VS收费，线性闪烁和全身运动。采用边界元法求解了电压箝位边界条件下的模型静电问题。的静电构型能量的统计机械后果的计算，以获得洞察的滑动螺旋机制，并预测实验测得的合奏性能，如门控电荷所施加的电压位移。这些后果和系综性质的变化进行了研究：S4配置（α-和3（10）-螺旋），内在的反电荷，蛋白质极化率，几何形状的门控通道，屏蔽S4电荷的浴，和蛋白质电荷位于浴界面。我们发现，滑动螺旋VS具有固有的静电稳定性，其功能作为VS是强大的参数空间探索。最大电荷位移受到几何形状的限制，特别是S4电荷和反电荷在弱电介质区域重叠的移动范围。在生理电压范围内电荷重排的陡度对静电能的景观很敏感：<2 kT的能量差异具有实质性后果。能源格局的这种变化是由测试的模型特征的所有变化产生的。滑动螺旋VS可以传递到通道的其他部分的每单位电压的自由能的量（电导电压灵敏度）受到最大位移电荷和电压引起的电荷再分布的陡度（传感器电压灵敏度）的限制。
2011-12-13 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.QM
Electrostatic models of electron-driven proton transfer across a lipid membrane
我们提出了两种模型的电子驱动的质子上坡跨脂质膜的运输，与电子能量转换为质子梯度通过静电相互作用。在第一个模型中，与线粒体内膜中的细胞色素c氧化酶复合物相关，与电子占据的位点的静电耦合降低了质子结合位点的能级，使得质子转移成为可能。在第二个模型中，大致描述了E.在大肠杆菌中，一个电子将质子从膜的负侧置换到穿梭体，穿梭体随后穿过膜扩散并将质子卸载到其正侧。我们表明，这两种模型可以用相同的方法来描述，这可以显着简化，如果系统被分成几个集群，每个集群内的强库仑相互作用和它们之间的弱传输耦合。我们推导并求解了电子和质子产生/湮灭算子的运动方程，同时考虑到适当的库仑项，隧道耦合，以及与环境的相互作用。对于第二个模型，这些方程的运动共同解决了一个朗之万型方程的梭子位置。我们得到的电子和质子电流的表达式，并确定其依赖于电子和质子的电压建立，现场充电能量，重组能量，温度和其他系统参数。我们发现，在我们的模型中的量子产率可以高达100%，功率转换效率可以达到35%。
2010-11-29 cond-mat.mes-hall physics.bio-ph q-bio.SC
Electrical properties of polar membranes
生物膜是电容器，可以通过在膜上施加电场来充电。电容器上的电荷在膜上施加力，导致电致伸缩，即膜变薄。由于力是电压的平方，负电压和正电压对对称膜的物理性质具有相同的影响。然而，对于具有导致永久电极化的强度的不对称性的膜，情况并非如此。大小相同的正电压和负电压导致不同的性质。这种不对称性可能源于膜的两个单层上不同的脂质组成，或源于膜曲率。后一种效应被称为“挠曲电性”。作为永久极化的结果，膜电容器在不同于零的电压下放电。这导致了有趣的电现象，例如膜渗透性的向外或向内整流。在这里，我们介绍了一个广义的理论框架，对待电容，极化，挠曲和压电在同一语言。
2014-11-25 cond-mat.soft physics.bio-ph
Ion channel gating: a first passage time analysis of the Kramers type
电压门控钾离子通道的开放速率表现出特征性的膝状周转，其中常见的指数电压依赖性突然变为线性。这种令人困惑的交叉提出了一个随机的首次通过时间分析的解释。该理论预测，指数电压依赖性与封闭停留时间的指数分布相关。当通道主要关闭时，该特征在大的负电压下发生。与此相反，电压依赖性的线性部分出现在一起的非指数分布的封闭停留时间随着电压的增加，产生一个大的开放率。取决于参数集，封闭时间分布显示出幂律行为，该行为持续了几十年。
2001-11-26 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.chem-ph
