カチオン性細胞浸透ペプチドの膜結合の飽和における静電効果

細胞透過性、抗菌性、または細胞毒性機能を示す膜活性ペプチドは、そのアミノ酸配列が多様ですが、短い長さ、膜環境における両親媒性立体構造、高位電荷などの一般的な物理化学的特徴を共有します。塩基性ペプチド残基とアニオン膜脂質との非特異的静電相互作用は、細菌および哺乳類細胞の原形質膜へのそのようなペプチドの初期結合において重要な役割を果たします。同時に、脂質膜に高濃度で局在する場合、多くの膜活性ペプチドが機能します。この機能的なペプチド条件における静電気の役割を分析することは、それらの大部分が高い正電荷を負担する理由を理解するために重要です。EB1細胞透過ペプチド（電荷 +8）とモデルアニオン膜との相互作用を研究しました。負に帯電した脂質の5％、10％、および25％を含むリポソームへのペプチド結合の飽和（POPC/POPG混合）が観察されました。ペプチドはリポソームを充電し、その表面飽和濃度は、表面電荷（結合ペプチドとアニオン性脂質）として、膜内のアニオン性脂質の量とともに増加することがわかりました。この観察結果は、ペプチドペプチドとペプチド脂質相互作用の独立した有効ペプチド電荷、および立体飽和項を添加したGouy-Chapman理論ベースのモデルで説明することができます。さらに、特定の条件では、膜結合ペプチドはリポソーム凝集につながります。一部の脂質とペプチドの比率では、迅速な初期ペプチド結合後の追加のゆっくりした平衡プロセスを示す可能性のある分解領域が続きます。

Membrane-active peptides that demonstrate cell-penetrating, antimicrobial or cytotoxic functions are diverse in their amino acid sequences, but share common physicochemical features like short length, amphipathic conformation in membrane environment and high net charge. Nonspecific electrostatic interactions of basic peptide residues with anionic membrane lipids play a crucial role in the initial binding of such peptides to plasma membranes of bacterial and mammalian cells. At the same time, a number of membrane-active peptides functions when they are localized at high concentrations on the lipid membranes. Dissecting the role of electrostatics in this functional peptide conditions is important to understand why the majority of them bear high positive charge. We have studied interaction of EB1 cell-penetrating peptide (charge + 8) with model anionic membranes. The saturation of peptide binding to liposomes that comprises 5%, 10% and 25% of negatively charged lipids (POPC/POPG mixture) was observed. We have found that peptide recharges liposomes and its surface saturating concentration increases with the amount of anionic lipids in a membrane so as a surface charge (bound peptide plus anionic lipids). This observation may be explained with the Gouy-Chapman theory based model with addition of independent effective peptide charges for peptide-peptide and peptide-lipid interactions, as well as steric saturation term. Additionally, in certain conditions, membrane bound peptide leads to liposome aggregation. In some lipid-to-peptide ratio regions disaggregation follows that may indicate an additional slow equilibration process after fast initial peptide binding.