心磷脂对质子通量的纳米尺度空间限域驱动线粒体内高速横向质子传输

细胞呼吸依赖于质子沿线粒体内膜快速横向流动，以驱动 ATP 合成。限制质子处于这一局部回路中的精确纳米尺度热力学力，迄今仍存在高度争议。此前对宏观界面质子扩散进行建模的尝试，受到参数等效性和几何伪影的阻碍，因而无法将结构水网络的作用与脂质静电作用解卷积。在此，我们采用受约束的高分辨率二维连续介质模型，解决了这一歧义。通过将实验验证的缓冲液质子消耗速率作为严格的生物学先验纳入模型，我们打破了数学退化，并分离出平面脂质双层中特定的热力学组分。基于时间分辨的 DOPG 荧光动力学对模型进行校准后，我们将普适性的结构水屏障（5.7 kBT）与特异性的 -1e 静电陷阱（4.3 kBT）解耦。根据这些第一性原理进行外推，我们预测了心磷脂的约束结构——这种具有 -2e 电荷的二聚体脂质是线粒体的标志性脂质。我们的模拟揭示了一个深的 kBT 级热力学势阱。至关重要的是，这一巨大的势垒将质子限制在距膜表面 1 至 2 纳米的范围内，几乎完全消除了其向膜间隙大体积水相中的垂直泄漏。我们证明，这种空间约束会触发维度挤压效应，维持稳健的横向浓度梯度，从而主动加速质子波的径向传播。在生物学层面，这些发现表明，心磷脂并非仅仅防止质子耗散；它还充当一种高效的准二维纳米尺度天线，捕获质子并将其快速直接传导至 ATP 合酶，从而确保真核生物能量产生在动力学上的可行性。

细胞呼吸依赖于质子沿线粒体内膜快速横向流动，以驱动 ATP 合成。将质子限制在这一局部回路中的精确纳米尺度热力学驱动力，至今仍存在高度争议。此前对宏观界面质子扩散进行建模的尝试，受到参数等效性与几何伪影的阻碍，因而无法将结构水网络的作用与脂质静电效应解卷积。本文采用受约束的高分辨率二维连续介质模型，解决了这一歧义。通过将经实验验证的缓冲液质子消耗速率作为严格的生物学先验引入模型，我们打破了数学退化，并分离出平面脂质双层的特异性热力学组分。以时间分辨的 DOPG 荧光动力学对模型进行标定后，我们将普适性的结构水屏障（5.7 kBT）与特异性的 −1e 静电陷阱（4.3 kBT）区分开来。在这些第一性原理基础上进行外推，我们预测了心磷脂的质子限域结构；心磷脂是线粒体中具有标志性的 −2e 二聚体脂质。模拟结果揭示了一个深的 kBT 级热力学势阱。尤为关键的是，这一巨大的势垒将质子限制在距膜表面 1 至 2 纳米的范围内，几乎完全消除了质子向膜间隙体相水相中的垂直泄漏。我们证明，这种空间限域会触发维度压缩，维持强劲的横向浓度梯度，从而主动加速质子波的径向传播。从生物学角度看，这些发现表明，心磷脂并非仅仅防止质子耗散；它还充当一种高效的、准二维纳米尺度天线，捕获质子并将其快速直接输送至 ATP 合酶，从而确保真核生物能量产生在动力学上的可行性。

📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.09.04.749086v1?rss=1

🏷️ 心磷脂 线粒体内膜 质子横向传输 纳米尺度空间限域 ATP合酶 质子梯度