Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Мембрана кривизна является геометрической мерой или характеристика кривизны из мембран . Мембраны могут быть естественными или искусственными (синтетическими). Примером встречающейся в природе мембраны является липидный бислой клеток, также известный как клеточные мембраны . [1] Синтетические мембраны можно получить путем приготовления водных растворов определенных липидов. Затем липиды будут «агрегироваться» и образовывать различные фазы и структуры. В зависимости от условий (концентрация, температура, ионная сила раствора и т. Д.) И химической структуры липида будут наблюдаться разные фазы. Например, липид POPC(пальмитоил олеилфосфатидилхолин) имеет тенденцию к образованию ламеллярных везикул в растворе, тогда как более мелкие липиды (липиды с более короткими ацильными цепями, до 8 атомов углерода в длину), такие как детергенты, будут образовывать мицеллы при достижении КМЦ (критической концентрации мицелл).

Базовая геометрия [ править ]

Биологическая мембрана обычно описывается как двумерная поверхность, охватывающая трехмерное пространство. Таким образом, для описания формы мембраны недостаточно определить изгиб мембраны, который наблюдается в одном поперечном сечении объекта, потому что, как правило, есть две кривизны, которые характеризуют форму каждой точки в пространстве. Математически эти две кривизны называются главными кривизнами, c1 и c2, и их значение можно понять с помощью следующего мысленного эксперимента. Если вы сделаете поперечный разрез поверхности мембраны в рассматриваемой точке, используя две плоскости, перпендикулярные поверхности и ориентированные в двух особых направлениях, называемых главными направлениями,основные изгибы - это изгибы двух линий пересечения между плоскостями и поверхностью, которые имеют почти круглую форму в непосредственной близости от рассматриваемой точки. Радиусы этих двух круговых фрагментов, R1 и R2, называются главными радиусами кривизны, а их обратные значения называются двумя главными радиусами кривизны.[2]

Радиусы кривизны

Основные кривизны C1 и C2 могут изменяться произвольно и, таким образом, давать начало различным геометрическим формам, таким как цилиндр, плоскость, сфера и седло. Анализ основной кривизны важен, так как ряд биологических мембран имеют формы, аналогичные этим скобкам общей геометрии. Например, прокариотические клетки, такие как кокки , палочки и спирохета, имеют форму сферы , а последние две - форму цилиндра . Эритроциты, обычно называемые эритроцитами, имеют форму седла, хотя эти клетки способны к некоторой деформации формы. В таблице ниже перечислены общие геометрические формы и качественный анализ двух их основных кривизны.

ФормаC1C2
Самолет00
Цилиндр+0
Сфера++
Седло+-

Хотя часто считается, что кривизна мембраны является полностью спонтанным процессом, с термодинамической точки зрения должны быть факторы, действующие как движущая сила для существования кривизны . В настоящее время существует несколько постулируемых механизмов общепринятых теорий кривизны; тем не менее, несомненно, двумя основными движущими силами являются липидный состав и белки, встроенные и / или связанные с мембранами.

Самопроизвольное искривление липидов [ править ]

Возможно, наиболее простой и интуитивно понятной движущей силой кривизны мембраны является естественная спонтанная кривизна, проявляемая некоторыми липидами . Это потому, что, в зависимости от их химической структуры, липиды имеют тенденцию изгибаться с небольшой спонтанной отрицательной или положительной кривизной. Липиды, такие как DOPC (диолеоилфосфатидилхолин), диацилглицерин , диолеилфосфатидилэтаноламин (DOPE) и холестерин, обладают отрицательной спонтанной кривизной. [3] С другой стороны, липиды с меньшим отношением площади ацильной цепи к площади полярной головной группы имеют тенденцию к положительной кривой, другими словами, они демонстрируют положительную спонтанную кривизну. [4] В таблице ниже перечислены экспериментально определенные спонтанные искривления для различных липидов в ДОФЭ (диолеилфосфатидилэтаноламин).

ЛипидДж с (нм −1 ) [5]
Лизофосфолипиды
L-лизо ПК1 / 5,8
О-лизо ПК1 / 3,8
P-лизо ПК1 / 6,8
L-лизо PE<1/40
О-лизо ПЭ<1/40
S-лизо PE<1/40
Другие липиды
DOPS1 / 14,4
DOPC-1/20
PA-1 / 4,6
НАРКОТИК-1/3
Холестерин-1 / 2,9
DCG-1 / 1,3

Энергия, необходимая для создания элемента цилиндрической формы из изначально плоской мембраны, может быть выражена как

где L - длина цилиндра, J B - разница между спонтанной кривизной, J s , для липидов во внутренней и внешней створке, разделенная на два, а K b - модуль изгиба бислоя.

Радиусы мембранных цилиндров, которые образуются во внутриклеточных путях мембранного транспорта, обычно составляют ~ 25-30 нм. [6] Таким образом, спонтанная кривизна, необходимая для создания таких цилиндров, составляет ~ (1/50) нм – 1. Поскольку J B является результатом разницы в спонтанной кривизне монослоев, для создания такой кривизны потребуется необычный липидный состав мембраны. Липиды холестерин, диолеоилфосфатидилэтаноламин ( ДОФЭ ) и диацилглицерин характеризуются сильно отрицательной спонтанной кривизной (рис. 1) и, следовательно, могут вызывать большую кривизну мембраны. Однако даже для этих липидов требуемое J B может быть достигнуто только в том случае, если они сильно сконцентрированы во внутреннем монослое.

Белки могут вызывать искривление [ править ]

Некоторые биологически встречающиеся липиды действительно проявляют спонтанную кривизну, которая может объяснять формы биологических мембран. Тем не менее, расчеты показывают, что одного спонтанного изгиба липидов либо недостаточно, либо требуются условия, которые нереалистичны, чтобы управлять степенью кривизны, наблюдаемой в большинстве клеток . Теперь известно, что искривлению липидов «помогают» белковые структуры, чтобы вызвать полное искривление клеток.

В настоящее время предлагается 4 механизма, объясняющих опосредованное белком изгибание мембраны:

  1. Кластеризация липидов
  2. Белок образует жесткий каркас
  3. Вставка амфипатических доменов
  4. Белковая толпа

1. Кластеризация липидов [ править ]

Бактериальные токсины, такие как холерный токсин B , шига-токсин B, способствуют связыванию и, таким образом, кластеризации определенных липидных молекул. Эффект липидной кластеризации вместе с внутренней формой отдельной липидной молекулы приводит к искривлению мембраны.

2. Жесткие подмости [ править ]

Классическим примером изгиба мембраны жестким белковым каркасом является клатрин . Клатрин участвует в клеточном эндоцитозе и секвестрируется специфическими сигнальными молекулами. Клатрин может присоединяться к комплексам адаптерных белков на клеточной мембране и полимеризуется в решетки, вызывая большую кривизну, что приводит к эндоцитозу везикулярной единицы. Комплекс белков оболочки I (COP1) и комплекс белков оболочки II (COPII) следуют аналогичному механизму в управлении кривизной мембраны. [7] На рисунке A показано белковое покрытие, вызывающее искривление. Как упоминалось выше, белки, такие как клатринпопадают в мембрану через сигнальные молекулы и собираются в более крупные полимерные структуры, которые образуют жесткую структуру, которая служит каркасом для мембраны. Клатрин связывается со своими рецепторами, присутствующими в мембране.

Другим примером белковых взаимодействий, которые непосредственно влияют на кривизну мембраны, является домен BAR (Bin, амфифизин, Rvs '). Домен BAR присутствует в большом семействе белков. По отношению к липидному бислою клетки этот домен является жестким и имеет форму «банана». Было высказано предположение, что положительно заряженные аминокислотные остатки в вогнутой области домена BAR будут контактировать с отрицательно заряженными полярными головными группами липидов в бислое, таким образом обеспечивая процесс связывания. [3] После связывания кривизна мембраны увеличивается за счет жесткого домена. [8] На рисунке B показано изгибание мембраны за счет BAR-домена в форме банана.

3. Вставка гидрофобных белковых мотивов [ править ]

Гидрофобная часть белка может действовать как «клин» при вставке в липидный бислой. Эпсин - один из примеров, в котором этот механизм используется для изгиба мембраны. Эпсин имеет несколько амфипатических альфа-спиралей, которые позволяют ему разделяться между гидрофобным ядром мембраны и окружающей водной гидрофильной средой. Другой интересной характеристикой эпсина и других белков, которые связываются с мембранами, является то, что он демонстрирует высокую аффинность связывания с довольно распространенным мембранным липидом, фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфатом (PI-4,5-P2). [8]В отличие от других белков, которые просто изгибают мембрану за счет явной жесткости, эпсин является глобулярным растворимым белком и, следовательно, не жестким. Внедрение его спиралей в мембрану заставляет соседние липиды листочка, который должен расширяться в латеральном направлении. Это смещение липидов только на одной из листочков увеличивает кривизну бислоя. На рисунке C показано изгибание мембраны за счет встраивания гидрофобных частей белка в липидный бислой.

Механизмы индукции искривления белками

На рисунке справа показаны различные механизмы, с помощью которых белки могут способствовать и / или вызывать искривление мембраны. На A - иллюстрация BAR-домена, присутствующего в ряде белков. Искривление вызвано самой формой этой белковой области. Этот домен прикрепляется к липидному бислою посредством сильных кулоновских взаимодействий. Эта идея подтверждается наличием положительно заряженных аминокислотных остатков в вогнутой области BAR-домена. [9] Эти аминокислоты вступают в контакт с отрицательно заряженными полярными головными группами липидов в бислое. Это явление формы также называют «механизмом каркаса».

B показывает белковое покрытие, вызывающее искривление. Как упоминалось выше, белки, такие как клатрин , привлекаются к мембране через сигнальные молекулы и собираются в более крупные полимерные структуры, которые образуют жесткую структуру, которая служит каркасом для мембраны. Клатрин связывается со своими рецепторами, присутствующими в мембране.

C иллюстрирует немного другой механизм. В этом случае изгибающий мембрану белок не обладает собственной жесткостью. Вместо этого они часто являются шаровидными и растворимыми. Белок эпсин является примером. Эпсин имеет ENTH (эпсин N-концевую гомологию) домен, который вставляет свою амфипатическую альфа-спираль в мембрану. Эпсин имеет высокое сродство связывания с мембраной, если присутствует PI-4,5-P2. [8]

Этот рисунок иллюстрирует изгиб мембраны, вызванный скоплением белков. Когда высокая локальная концентрация белков (показана зеленым) присутствует на поверхности мембраны (показана черным), может быть вызвано искривление мембраны. Эта гипотеза заключалась в том, что высокая концентрация белка увеличивает вероятность отталкивания между белками, следовательно, создает стерическое давление между белками. Чтобы уменьшить такое давление, липидная мембрана должна изгибаться, чтобы уменьшить отталкивание белков.

4. Белковая скученность [ править ]

Этот рисунок иллюстрирует изгиб мембраны, вызванный скоплением белков. Когда высокая локальная концентрация белков (показана зеленым) присутствует на поверхности мембраны (показана черным), может быть индуцировано искривление мембраны. Эта гипотеза заключалась в том, что высокая концентрация белка увеличивает вероятность отталкивания между белками, следовательно, создает стерическое давление между белками. Чтобы уменьшить такое давление, липидная мембрана должна изгибаться, чтобы уменьшить отталкивание белков.

Механизм белкового краудинга предполагает, что белки могут изгибать мембрану, не нарушая напрямую мембранные структуры, подобные вышеуказанным механизмам. [10] [11] Когда на поверхности мембраны присутствует достаточно высокая локальная концентрация белка, отталкивание между молекулами белка на поверхности мембраны может вызвать искривление мембраны. [12] Хотя вклад этого механизма остается неясным, многочисленные экспериментальные и расчетные данные показали его потенциал в изгибе мембраны. Недавнее исследование даже показывает, что скопление белков может вызвать изгиб мембраны и привести к ее делению. [13] [14] Эти исследования показывают, что высокая локальная концентрация белка может преодолеть энергетический барьер для изгиба липидной мембраны и, таким образом, может способствовать изгибу мембраны.

Ссылки [ править ]

  1. ^ "Соблазнительная биология" . Липидные хроники .
  2. Перейти ↑ Spivak M (1970). Комплексное введение в дифференциальную геометрию . Уолтем: Университет Брандейса.
  3. ^ a b Martens S, McMahon HT (июль 2008 г.). «Механизмы слияния мембран: разные игроки и общие принципы». Обзоры природы. Молекулярная клеточная биология . 9 (7): 543–56. DOI : 10.1038 / nrm2417 . PMID 18496517 . 
  4. ^ Камаль М., Миллс D, Grzybek M, Howard J (декабрь 2009). «Измерение предпочтения фосфолипидов кривизне мембраны выявляет только слабую связь между формой липида и кривизной створки» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 106 (52): 22245–50. DOI : 10.1073 / pnas.0907354106 . PMC 2797532 . PMID 20080790 .  
  5. ^ Zimmerberg J, Козлов М.М. (январь 2006). «Как белки вызывают искривление клеточной мембраны». Обзоры природы. Молекулярная клеточная биология . 7 (1): 9–19. DOI : 10.1038 / nrm1784 . PMID 16365634 . 
  6. ↑ Полищук Р.С., Полищук Е.В., Марра П., Альберти С., Буччионе Р., Луини А., Миронов А.А. (январь 2000 г.). «Корреляционная световая электронная микроскопия выявляет трубчато-мешковидную ультраструктуру носителей, действующих между аппаратом Гольджи и плазматической мембраной» . Журнал клеточной биологии . 148 (1): 45–58. DOI : 10,1083 / jcb.148.1.45 . PMC 2156208 . PMID 10629217 .  
  7. ^ Prinz WA, Хиншоу JE (2009-09-25). «Белки, изгибающие мембраны» . Критические обзоры в биохимии и молекулярной биологии . 44 (5): 278–91. DOI : 10.1080 / 10409230903183472 . PMC 3490495 . PMID 19780639 .  
  8. ^ a b c Stahelin RV, Long F, Peter BJ, Murray D, De Camilli P, McMahon HT, Cho W (август 2003 г.). «Контрастные механизмы мембранного взаимодействия доменов N-концевой гомологии AP180 (ANTH) и N-концевой гомологии эпсина (ENTH)» . Журнал биологической химии . 278 (31): 28993–9. DOI : 10.1074 / jbc.M302865200 . PMID 12740367 . 
  9. ^ Zimmerberg J, S McLaughlin (март 2004). «Кривизна мембраны: как BAR-домены изгибают бислои» . Текущая биология . 14 (6): R250–2. DOI : 10.1016 / j.cub.2004.02.060 . PMID 15043839 . 
  10. ^ Stachowiak JC, Schmid EM, Райан CJ, Ann HS, Sasaki DY, Шерман MB, Geissler PL, Флетчер Д., Hayden CC (сентябрь 2012). «Изгиб мембраны за счет белок-белкового скопления». Природа клеточной биологии . 14 (9): 944–9. DOI : 10.1038 / ncb2561 . PMID 22902598 . 
  11. ^ Stachowiak JC, Hayden CC, Sasaki DY (апрель 2010). «Стерическое ограничение белков на липидных мембранах может вызвать искривление и образование канальцев» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 107 (17): 7781–6. DOI : 10.1073 / pnas.0913306107 . PMC 2867881 . PMID 20385839 .  
  12. ^ Гигас G, Вайс M (октябрь 2016). «Влияние белкового краудинга на мембранные системы» . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Биомембраны . 1858 (10): 2441–2450. DOI : 10.1016 / j.bbamem.2015.12.021 . PMID 26724385 . 
  13. ^ "Исследователи UT открывают неизвестный механизм деления мембраны" . www.bmes.org . Проверено 25 сентября 2018 .
  14. ^ Snead WT, Hayden CC, Gadok А.К., Чжао C, Lafer Е.М., Rangamani P, Stachowiak JC (апрель 2017). «Деление мембраны за счет скопления белков» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 114 (16): E3258 – E3267. DOI : 10.1073 / pnas.1616199114 . PMC 5402459 . PMID 28373566 .