Fractal analysis of lateral movement in biomembranes

Lech Gmachowski

Abstract

Lateral movement of a molecule in a biomembrane containing small compartments (0.23-μm diameter) and large ones (0.75 μm) is analyzed using a fractal description of its walk. The early time dependence of the mean square displacement varies from linear due to the contribution of ballistic motion. In small compartments, walking molecules do not have sufficient time or space to develop an asymptotic relation and the diffusion coefficient deduced from the experimental records is lower than that measured without restrictions. The model makes it possible to deduce the molecule step parameters, namely the step length and time, from data concerning confined and unrestricted diffusion coefficients. This is also possible using experimental results for sub-diffusive transport. The transition from normal to anomalous diffusion does not affect the molecule step parameters. The experimental literature data on molecular trajectories recorded at a high time resolution appear to confirm the modeled value of the mean free path length of DOPE for Brownian and anomalous diffusion. Although the step length and time give the proper values of diffusion coefficient, the DOPE speed calculated as their quotient is several orders of magnitude lower than the thermal speed. This is interpreted as a result of intermolecular interactions, as confirmed by lateral diffusion of other molecules in different membranes. The molecule step parameters are then utilized to analyze the problem of multiple visits in small compartments. The modeling of the diffusion exponent results in a smooth transition to normal diffusion on entering a large compartment, as observed in experiments.
Author Lech Gmachowski (FCEMP / IC)
Lech Gmachowski,,
- The Institute of Chemistry
Journal seriesEuropean Biophysics Journal With Biophysics Letters, ISSN 0175-7571, (A 20 pkt)
Issue year2018
Vol47
No3
Pages309-316
Publication size in sheets0.5
Keywords in PolishParametry kroku spacerowego · Ograniczona dyfuzja ·Dyfuzja skokowa · Transport sub-dyfuzyjny · Oddziaływania · DOPE
Keywords in EnglishWalking step parameters · Confined diffusion ·Hop diffusion · Sub-diffusive transport · Interactions · DOPE
ASJC Classification2700 General Medicine; 1304 Biophysics
Abstract in PolishRuch poprzeczny cząstki w membranie biologicznej zawierającej małe kompartmenty (o średnicy 0.23-μm) i duże (0.75 μm) jest analizowany z wykorzystaniem fraktalnego opisu jej spaceru. Zależność czasowa średniokwadratowego przemieszczenia cząsteczki początkowo różni się od liniowej z powodu udziału ruchu balistycznego. Molekuły poruszające się w małych kompartmentach nie mają wystarczającego czasu lub przestrzeni do rozwinięcia asymptotycznej relacji i współczynnik dyfuzji dedukowany z rejestrów doświadczalnych jest niższy od mierzonych bez ograniczeń. Model umożliwia dedukcję parametrów kroku molekuły, mianowicie długości kroku i czasu, z danych dotyczących współczynników dyfuzji ograniczonej i nieograniczonej. Jest to także możliwe z wykorzystaniem wyników eksperymentalnych dla transportu sub-dyfuzyjnego. Przejście od dyfuzji normalnej do anomalnej nie wpływa na parametry kroku molekuły. Eksperymentalne dane literaturowe trajektorii molekularnych zarejestrowanych przy wysokiej rozdzielczości wydają się potwierdzać modelowe wartości długości średniej drogi swobodnej cząsteczek DOPE dla dyfuzji brownowskiej i anomalnej. Chociaż długość kroku i czas dają właściwą wartość współczynnika dyfuzji, prędkość DOPE wyliczona jako ich iloraz jest kilka rzędów wielkości niższa od prędkości termicznej. Jest to interpretowane jako wynik oddziaływań intermolekularnych i potwierdzone przez dyfuzję poprzeczną innych molekuł w różnych membranach. Parametry kroku makromolekuły są następnie wykorzystane do analizy problemu wielokrotnych wizyt w małych kompartmentach. Modelowanie wykładnika dyfuzji daje w wyniku gładkie przejście do normalnej dyfuzji przy wejściu do dużego kompartmentu, zgodnie z obserwacjami eksperymentalnymi.
DOIDOI:10.1007/s00249-017-1264-0
URL https://link.springer.com/article/10.1007/s00249-017-1264-0
Languageen angielski
LicenseJournal (articles only); published final; Uznanie Autorstwa (CC-BY); with publication
Score (nominal)20
Score sourcejournalList
ScoreMinisterial score = 20.0, 25-10-2019, ArticleFromJournal
Publication indicators Scopus Citations = 2; Scopus SNIP (Source Normalised Impact per Paper): 2016 = 0.619; WoS Impact Factor: 2017 = 1.935 (2) - 2017=1.637 (5)
Citation count*
Cite
Share Share

Get link to the record


* presented citation count is obtained through Internet information analysis and it is close to the number calculated by the Publish or Perish system.
Back
Confirmation
Are you sure?