Кривизна мембраны - Membrane curvature

Кривизна мембраны геометрическая мера или характеристика кривизна из мембраны.Мембраны могут быть естественными или искусственными (синтетическими). Примером мембраны природного происхождения является липидный бислой ячеек, также известных 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 образовывать ламеллярные везикулы в растворе, тогда как более мелкие липиды (липиды с более короткими ацильными цепями, до 8 угли в длину), например, моющие средства, образует мицеллы если достигается ККМ (критическая концентрация мицелл).

Базовая геометрия

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 делаете поперечный разрез поверхности мембраны в рассматриваемой точке, используя две плоскости, которые перпендикулярны поверхности и ориентированы в двух специальных направлениях, называемых главными направлениями, главные кривизны - это кривизны двух линий пересечения между плоскостями и поверхности, 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

${ Displaystyle c1 = 1 / R1}$

${ Displaystyle c2 = 1 / R2}$

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, прокариотический клетки, такие как кокки, стержни и спирохета отображать форму сфера, а два последних имеют форму цилиндр. 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 кривизн.

Форма	C1	C2
Самолет	0	0
Цилиндр	+	0
Сфера	+	+
Седло	+	-

Хотя часто считается, что искривление мембраны является полностью самопроизвольным процессом, с термодинамической точки зрения должны быть факторы, действующие как движущая сила для кривизна существовать. В настоящее время существуют некоторые постулируемые механизмы общепринятых теорий кривизны; тем не менее, несомненно, двумя основными движущими силами являются липид состав и белки встроены и / или связаны с мембранами.

Самопроизвольное искривление липидов

Возможно, самая простая и интуитивно понятная движущая сила искривления мембраны - это естественная спонтанная кривизна выставлены некоторыми липиды. Это связано с тем, 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 (ДОПЭ) и холестерин проявляют отрицательную самопроизвольную кривизну.^[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).

Липид	J_s (нм⁻¹)^[5]
Лизофосфолипиды
L-лизо ПК	1/5.8
О-лизо ПК	1/3.8
P-лизо ПК	1/6.8
L-лизо PE	<1/40
О-лизо ПЭ	<1/40
S-лизо PE	<1/40
Другие липиды
DOPS	1/14.4
DOPC	-1/20
PA	-1/4.6
ДОПЭ	-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

${ displaystyle {FCyl} = pi LK_ {b} ({ frac {1} {R}} - 2J_ {B})}$

где L - длина цилиндра, J_B - разность спонтанной кривизны, J_s, для липидов во внутренней и внешней створке, разделенных пополам, а K_б - 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. Как J_B в результате 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 необходимое J_B могут быть достигнуты, только если они сильно сконцентрированы во внутреннем монослое.

Белки могут вызывать искривление

Некоторые биологически встречающиеся липиды действительно проявляют спонтанную кривизну, что может объяснить форму биологических мембран. Тем не менее, расчеты показывают, что одного спонтанного искривления липидов либо недостаточно, либо требуются условия, которые нереальны для управления степенью кривизны, наблюдаемой в большинстве случаев. клетки. Теперь известно, что искривлению липидов «помогают» белковые структуры, чтобы вызвать полное искривление клеток.

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

Кластеризация липидов
Белок образует жесткий каркас
Вставка амфипатических доменов
Белковая толпа

1. Кластеризация липидов

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

2. Жесткие подмости

Классический пример изгиба мембраны жестким белковым каркасом: 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] Рисунок А показывает белковое покрытие, вызывающее искривление. Как упоминалось выше, белки, такие как клатрин попадают 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.

Другой пример белковых взаимодействий, которые непосредственно влияют на кривизну мембраны, - это взаимодействие белков. БАР (Бин, амфифизин, Rvs ’) домен. 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 аминокислота остатки в вогнутой области BAR-домена вступали бы в контакт 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] Рисунок B показывает изгиб мембраны за счет банановой формы, подобной BAR-домену.

3. Вставка гидрофобных белковых мотивов.

Гидрофобная часть белка может действовать как «клин» при вставке в липидный бислой. Эпсин является одним из примеров, в котором этот механизм используется для изгиба мембраны. Эпсин имеет несколько амфипатический альфа спирали что позволяет ему разделяться между гидрофобной сердцевиной мембраны и окружающей водной гидрофильной средой. Другой интересной характеристикой эпсина и других белков, которые связываются с мембранами, является тот факт, что он демонстрирует высокую аффинность связывания с довольно распространенным мембранным липидом, фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфат (ПИ-4,5-П2).^[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 вбок. Это смещение липидов только на одной из створок увеличивает кривизну бислоя. Рисунок C показывает изгиб 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 кривизну мембраны. В А, 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 аминокислота остатки 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 попадают 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.

C иллюстрирует несколько иной механизм. В этом случае изгибающий мембрану белок не проявляет собственной жесткости. Вместо этого они часто шаровидный и растворимый. Белок эпсин является примером. Эпсин имеет ENTH (эпсин N-концевую гомологию) домен, который вставляет его амфипатический 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

Этот рисунок иллюстрирует изгиб мембраны, вызванный скоплением белков. Когда высокая локальная концентрация белков (показана зеленым) присутствует на поверхности мембраны (показана черным), может возникнуть кривизна 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.