Межслойные силы при слиянии мембран - Interbilayer forces in membrane fusion

Мембранный синтез это ключевой биофизический процесс, необходимый для функционирования самой жизни. Он определяется как событие, в котором два липидные бислои сближаются, а затем сливаются, образуя единую непрерывную структуру.^[1] У живых существ клетки состоят из внешней оболочки, состоящей из липидных бислоев; которые затем вызывают слияние в таких событиях, как оплодотворение, эмбриогенез и даже заражения различными видами бактерии и вирусы.^[2] Поэтому это чрезвычайно важное событие для изучения. С эволюционной точки зрения синтез - явление чрезвычайно контролируемое. Случайное слияние может привести к серьезным проблемам с нормальным функционированием человеческого тела. Слияние биологические мембраны опосредовано белки. Независимо от сложности системы, слияние по существу происходит из-за взаимодействия различных межфазных сил, а именно гидратационного отталкивания, гидрофобного притяжения и силы Ван дер Ваальса.^[3]

Межслойные силы

Липидные бислои структуры липид молекулы, состоящие из гидрофобный хвост и гидрофильный головная группа. Следовательно, эти структуры испытывают все характерные межслойные силы, задействованные в этом режиме.

Отталкивание гидратации

Два гидратированных бислоя испытывают сильное отталкивание, приближаясь друг к другу. Эти силы были измерены с помощью Аппарат поверхностных сил (S.F.A), инструмент, используемый для измерения сил между поверхностями. Это отталкивание было впервые предложено Langmuir и считалось, что он возник из-за молекул воды, которые гидрат бислои. Таким образом, гидратационное отталкивание можно определить как работу, необходимую для удаления молекул воды вокруг гидрофильный молекулы (как липид головные группы) в двухслойной системе.^[4] Поскольку молекулы воды имеют сродство к гидрофильный головные группы, они стараются организовать себя вокруг головных групп липид молекул, и становится очень трудно разделить эту благоприятную комбинацию.

Эксперименты, проведенные с помощью SFA, подтвердили, что природа этой силы - экспоненциальное снижение.^[5] В потенциал V_р дан кем-то^[6]

${\displaystyle V_{R}=C_{R}\cdot \exp \!\left[{-z \over \lambda _{R}}\right]}$

куда C_р (> 0) - мера энергии гидратного взаимодействия для гидрофильный молекулы данной системы, λ_р - характерный масштаб гидратного отталкивания и z расстояние разделения. Другими словами, именно на расстояниях до этой длины молекулы / поверхности полностью испытывают это отталкивание.

Гидрофобное притяжение

Гидрофобные силы являются привлекательными энтропийные силы между любыми двумя гидрофобными группами в водной среде, например силы между двумя длинными углеводородными цепями в водных растворах. Величина этих сил зависит от гидрофобность взаимодействующих групп, а также расстояние, разделяющее их (обнаружено, что они примерно экспоненциально убывают с расстоянием). Физическое происхождение этих сил - обсуждаемый вопрос но было обнаружено, что они действуют на большие расстояния и являются самыми сильными среди всех сил физического взаимодействия, действующих между биологическими поверхностями и молекулами.^[7] Из-за своей дальнобойности они отвечают за быстрое коагуляция гидрофобных частиц в воде и играют важную роль в различных биологических явлениях, включая сворачивание и стабилизацию макромолекул, таких как белки и слияние клеточных мембран.

Потенциал V_А дан кем-то^[7]

${\displaystyle V_{A}=C_{A}\cdot \exp \!\left[{-z \over \lambda _{A}}\right]}$

куда C_А (<0) - мера энергии гидрофобного взаимодействия для данной системы, λ_А - характерный масштаб гидрофобного притяжения и z расстояние разделения.

силы Ван-дер-Ваальса в бислоях

Эти силы возникают из-за диполь-дипольные взаимодействия (индуцированный / постоянный) между молекулами бислоев. По мере приближения молекул эта сила притяжения возникает из-за упорядочения этих диполей; как в случае магнитов, которые выравниваются и притягиваются друг к другу при приближении.^[7] Это также означает, что любая поверхность будет испытывать притяжение Ван-дер-Ваальса. В бислоевой форме потенциал взаимодействия Ван-дер-Ваальса V_VDW дан кем-то^[8]

${\displaystyle V_{VDW}=-{H \over 12\pi }*\left({1 \over z^{2}}-{2 \over (z+D)^{2}}+{1 \over (z+2D)^{2}}\right)}$

куда ЧАС это Постоянная Гамакера и D и z - толщина бислоев и расстояние разделения соответственно.

Фон

Для того, чтобы произошел синтез, он должен преодолеть огромные силы отталкивания из-за сильного гидратационного отталкивания гидрофильный липид головные группы.^[7] Однако точно определить связь между адгезия, термоядерные и межслойные силы. Силы, которые продвигают клеточная адгезия не то же самое, что и те, которые способствуют слиянию мембран. Исследования показывают, что, создавая стресс на взаимодействующих бислоев, слияние может быть достигнуто без нарушения межслойных взаимодействий. Также было высказано предположение, что слияние мембран происходит посредством последовательности структурных перестроек, которые помогают преодолеть барьер, предотвращающий слияние.^[7] Таким образом, межслойное слияние происходит через

• местный доступ мембраны
• структурные перестройки, вызывающие гидратация силы отталкивания, которые необходимо преодолеть
• полное слияние в единое целое

Межслойные взаимодействия во время слияния мембран

Когда два липидные бислои приближаются друг к другу, они испытывают слабые силы притяжения Ван-дер-Ваальса и гораздо более сильные силы отталкивания из-за гидратационного отталкивания.^[9] Эти силы обычно преобладают над гидрофобный силы притяжения между мембранами. Исследования, проведенные на бислоев мембран с использованием Аппарат поверхностных сил (SFA) указывают на то, что слияние мембран может происходить мгновенно, когда два бислоя все еще находятся на конечном расстоянии друг от друга, и им не нужно преодолевать ближний барьер силы отталкивания.^[7] Это связано с молекулярными перестройками, которые происходят в результате обхода этих сил мембранами. Во время слияния гидрофобный хвосты небольшого участка липиды на клеточная мембрана подвергаются воздействию окружающей их водной фазы. Это приводит к очень сильному гидрофобный притяжения (которые доминируют над силой отталкивания) между открытыми группами, ведущие к слиянию мембран.^[10] Силы притяжения Ван-дер-Ваальса играют незначительную роль в слиянии мембран. Таким образом, слияние является результатом гидрофобного притяжения между группами внутренней углеводородной цепи, которые подвергаются обычно недоступной водной среде. Наблюдается слияние, которое начинается в тех точках на мембранах, где мембранные напряжения либо самые слабые, либо самые сильные.^[7]

Приложения

Межслойные силы играют ключевую роль в обеспечении слияния мембран, которое имеет чрезвычайно важное биомедицинское применение.^[11]

• Наиболее важное применение слияния мембран - производство гибридомы которые представляют собой клетки, возникающие в результате слияния антитело -секретный и бессмертный В-клетки. Гибридомы используются в промышленности для производства моноклональные антитела.
• Слияние мембран также играет важную роль в иммунотерапия рака. В настоящее время один из подходов в иммунотерапии рака включает: вакцинация из дендритные клетки которые выражают конкретную опухоль антиген на их мембранах. Вместо этого можно использовать гибридные клетки, полученные в результате слияния дендритных клеток с опухолевыми клетками. Эти гибриды могут способствовать экспрессии ряда опухолевых антигенов на их мембранах.
• Лучшее понимание слияния мембран также может привести к улучшению генная терапия.

Смотрите также

• Клеточная мембрана
• Гидратировать
• Гидрофобный эффект
• Липидные бислои
• Аппарат поверхностных сил

Рекомендации

1. Ян, Л. (13 сентября 2002). «Наблюдение за промежуточной структурой мембранного слияния». Наука. Американская ассоциация развития науки (AAAS). 297 (5588): 1877–1879. Дои:10.1126 / science.1074354. ISSN  0036-8075.
2. Ян, Рейнхард; Грубмюллер, Гельмут (2002). «Мембранный синтез». Текущее мнение в области клеточной биологии. Elsevier BV. 14 (4): 488–495. Дои:10.1016 / s0955-0674 (02) 00356-3. ISSN  0955-0674.
3. Helm, Christiane A .; Исраэлашвили, Яков Н .; Макгуигган, Пэтти М. (18 февраля 1992 г.). «Роль гидрофобных сил в двухслойной адгезии и слиянии». Биохимия. Американское химическое общество (ACS). 31 (6): 1794–1805. Дои:10.1021 / bi00121a030. ISSN  0006-2960.
4. Рэнд, Р. П. (1981). «Взаимодействующие фосфолипидные бислои: измеренные силы и индуцированные структурные изменения». Ежегодный обзор биофизики и биоинженерии. Ежегодные обзоры. 10 (1): 277–314. Дои:10.1146 / annurev.bb.10.060181.001425. ISSN  0084-6589.
5. Макинтош, Т. Дж .; Magid, A.D .; Саймон, С. А. (1987). «Стерическое отталкивание между бислоями фосфатидилхолина». Биохимия. Американское химическое общество (ACS). 26 (23): 7325–7332. Дои:10.1021 / bi00397a020. ISSN  0006-2960.
6. Мансиу, Мариан; Рукенштейн, Эли (2001). «Свободная энергия и тепловые флуктуации нейтральных липидных бислоев». Langmuir. Американское химическое общество (ACS). 17 (8): 2455–2463. Дои:10.1021 / la0016266. ISSN  0743-7463.
7. Лекбанд, Дебора; Исраэлашвили, Яков (2001). «Межмолекулярные силы в биологии». Ежеквартальные обзоры биофизики. Издательство Кембриджского университета (CUP). 34 (2): 105–267. Дои:10,1017 / с0033583501003687. ISSN  0033-5835.
8. Petrache, Horia I .; Гуляев Николай; Тристрам-Нэгл, Стефани; Чжан, Жуйтянь; Suter, Роберт М .; Нэгл, Джон Ф. (1998-06-01). «Межслойные взаимодействия от рассеяния рентгеновских лучей высокого разрешения». Физический обзор E. Американское физическое общество (APS). 57 (6): 7014–7024. Дои:10.1103 / Physreve.57.7014. ISSN  1063-651X.
9. Лейкин, Сергей Л .; Козлов, Михаил М .; Черномордик, Леонид В .; Маркин, Владислав С .; Чизмаджев, Юрий А. (1987). «Мембранный синтез: преодоление гидратационного барьера и локальная реструктуризация». Журнал теоретической биологии. Elsevier BV. 129 (4): 411–425. Дои:10.1016 / с0022-5193 (87) 80021-8. ISSN  0022-5193.
10. Helm, C .; Israelachvili, J .; Макгуигган, П. (1989-11-17). «Молекулярные механизмы и силы, участвующие в адгезии и слиянии амфифильных бислоев». Наука. Американская ассоциация развития науки (AAAS). 246 (4932): 919–922. Дои:10.1126 / science.2814514. ISSN  0036-8075.
11. Чен, Э. Х. (2005-04-15). «Раскрытие механизмов слияния клеток». Наука. Американская ассоциация развития науки (AAAS). 308 (5720): 369–373. Дои:10.1126 / science.1104799. ISSN  0036-8075.