Membrán görbület - Membrane curvature

Membrán görbület van a geometriai intézkedés vagy jellemzése görbület a membránok . A membránok lehetnek természetes vagy mesterséges (szintetikus). A természetben előforduló membránra példa a sejtek lipid kettősrétege , más néven sejtmembrán . Szintetikus membránokat nyerhetünk bizonyos lipidek vizes oldatainak elkészítésével. A lipidek ezután "aggregálódnak" és különböző fázisokat és szerkezeteket alkotnak. A körülményektől (koncentráció, hőmérséklet, oldat ionerőssége stb.) És a lipid kémiai szerkezetétől függően különböző fázisok figyelhetők meg. Például a lipid POPC (palmitoil -oleil -foszfatidil -kolin) hajlamos arra, hogy lamellás vezikulákat képezzen az oldatban, míg a kisebb lipidek (rövidebb acil láncú lipidek, legfeljebb 8 szén hosszúságúak), például mosószerek, micellákat képeznek, ha a CMC ( kritikus) micella koncentráció ).

Alapvető geometria

A biológiai membránt általában kétdimenziós felületként írják le, amely háromdimenziós teret ölel fel. Tehát a membrán alakjának leírásához nem elegendő a tárgy egyetlen keresztmetszetében látható membrán görbület meghatározása, mert általában két görbület jellemzi az alakzatot a tér minden pontján. Matematikailag ezt a két görbületet fő görbületnek nevezik, és , és jelentésük megérthető a következő gondolatkísérlettel. Ha a vizsgált pontban a membránfelületet két, a felszínre merőleges és két, a főiránynak nevezett speciális irányban elhelyezkedő sík segítségével metszi, akkor a fő görbületek a síkok és a felület, amely majdnem kör alakú, a vizsgált pont közvetlen közelében. A sugarak a két kör alakú fragmentumokat, és , az úgynevezett fő görbületi sugár, és ezek inverz értékeket a továbbiakban a két fő görbületei. ${\ displaystyle c_ {1}}$ ${\ displaystyle c_ {2}}$ ${\ displaystyle R_ {1}}$ ${\ displaystyle R_ {2}}$

Görbületi sugarak

${\ displaystyle c_ {1} = 1/R_ {1}}$

${\ displaystyle c_ {2} = 1/R_ {2}}$

A fő görbületeket és változhat önkényesen és így kapjuk az eredete a különböző geometriai alakzatok, mint például hengeres, sík, gömb és a nyereg. A fő görbület elemzése fontos, mivel számos biológiai membrán formája megegyezik ezekkel a közös geometriai kapcsokkal. Például a prokarióta sejtek, mint a kokcuk , rúd és spirochette gömb alakúak, utóbbi kettő pedig henger alakú . Az eritrociták , amelyeket általában vörösvértesteknek neveznek, nyereg alakúak, bár ezek a sejtek bizonyos alakváltozásra képesek. Az alábbi táblázat felsorolja a gyakori geometriai alakzatokat és két fő görbületük minőségi elemzését. ${\ displaystyle c_ {1}}$ ${\ displaystyle c_ {2}}$

Alak	${\ displaystyle c_ {1}}$	${\ displaystyle c_ {2}}$
Repülőgép	0	0
Henger	+	0
Szféra	+	+
Nyereg	+	-

Annak ellenére, hogy gyakran a membrángörbületet teljesen spontán folyamatnak tartják, termodinamikailag meg kell határozni azokat a tényezőket, amelyek a görbület létezésének hajtóerejeként működnek. Jelenleg léteznek bizonyos feltételezett mechanizmusok az elfogadott görbületi elméletekhez; mindazonáltal kétségkívül két fő hajtóerő a lipidösszetétel és a membránokba ágyazott és/vagy megkötött fehérjék .

A lipidek spontán görbülete

Talán a legegyszerűbb és legegyszerűbb hajtóerő a membrán görbületében a természetes spontán görbület, amelyet egyes lipidek mutatnak . Ennek oka az, hogy kémiai szerkezetüktől függően a lipidek hajlamosak enyhén spontán negatív vagy pozitív görbületű görbületre. A lipidek, például a DOPC (dioleoil -foszfatidil -kolin ), a diacil -glicerin , a dioleil -foszfatidil -etanol -amin (DOPE) és a koleszterin negatív spontán görbületet mutatnak. Másrészt a lipidek, amelyek kisebb acil láncterülettel rendelkeznek a poláris fejcsoport területtel, pozitív görbületet mutatnak, más szóval pozitív spontán görbületet mutatnak. Az alábbi táblázat a DOPE (dioleil -foszfatidil -etanol -amin) különböző lipidjeinek kísérletileg meghatározott spontán görbületeit sorolja fel.

Lipid	J _s (nm⁻¹ )
Lizofoszfolipidek
L-lyso PC	1/5.8
O-lyso PC	1/3.8
P-lyso PC	1/6.8
L-lyso PE	<1/40
O-lyso PE	<1/40
S-lyso PE	<1/40
Más lipidek
DOPS	1/14.4
DOPC	-1/20
PA	-1/4,6
KÁBÍTÓSZER	-1/3
Koleszterin	-1/2,9
DCG	-1/1,3

Az eredetileg lapos membránból henger alakú cella előállításához szükséges energiaigény kifejezhető

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

ahol L a henger hossza, J _B a spontán görbület különbsége, J _s , a belső és külső levélben lévő lipidek között kettővel osztva, és K _b a kettősréteg hajlítási modulusa.

Az intracelluláris membránszállító útvonalakban kialakuló membránhengerek sugara jellemzően ~ 25-30 nm. Tehát az ilyen hengerek előállításához szükséges spontán görbület ~ (1/50) nm – 1. Mivel J _B ered különbség a spontán görbületei az egyrétegű, szokatlan membrán lipid készítmény lenne szükséges ahhoz, hogy az ilyen görbületet. A lipid koleszterint, dioleoil -foszfatidil -etanol -amint (DOPE) és diacil -glicerint erősen negatív spontán görbületek jellemzik (1. ábra), ezért nagy membrángörbületet okozhatnak. Azonban még ezeknél a lipideknél is csak akkor érhető el a szükséges J _B , ha nagymértékben koncentrálódnak a belső egyrétegben.

A fehérjék görbületet okozhatnak

Néhány biológiailag előforduló lipid spontán görbületet mutat, ami megmagyarázhatja a biológiai membránok alakját. Mindazonáltal a számítások azt mutatják, hogy a spontán lipid görbület önmagában vagy nem elegendő, vagy olyan körülményekre lenne szükség, amelyek irreálisak ahhoz, hogy a legtöbb sejtben megfigyelt görbületet vezessék . Ma már ismert, hogy a lipid görbületet fehérje szerkezetek "segítik" annak érdekében, hogy teljes sejtgörbületet hozzanak létre.

Jelenleg 4 javasolt mechanizmus magyarázza a fehérje által közvetített membránhajlítást:

Lipid csoportosulás
A fehérje merev állványt képez
Amfipatikus domének beillesztése
Fehérje zsúfoltság

1. Lipidcsoportok

A bakteriális toxinok, mint például a kolera B toxin , a shiga toxin B elősegítik bizonyos lipidmolekulák kötődését és ezáltal csoportosulását. A lipidhalmozódás hatása az egyes lipidmolekulák belső alakjával együtt membrángörbületet eredményez.

2. Merev állvány

A merev fehérjeállvány által a membrán hajlítására klasszikus példa a klatrin . A Clathrin részt vesz a sejtek endocitózisában, és specifikus jelzőmolekulák zárják le. A Clathrin a sejtmembránon lévő adapterfehérje -komplexekhez kötődhet, és rácsokká polimerizálódik, hogy nagyobb görbületet hajtson végre, ami egy hólyagos egység endocitózisát eredményezi. A kabátfehérje -komplex I (COP1) és a kabátfehérje -komplex II (COPII) hasonló mechanizmust követ a membrán görbületének megteremtésében. Az A. ábra görbületet kiváltó fehérjebevonatot mutat be. Amint fentebb említettük, a fehérjéket, például a klatrinot jelzőmolekulákon keresztül toborozzák a membránba, és nagyobb polimer struktúrákba gyűlnek össze, amelyek merev szerkezetet képeznek, amely keretként szolgál a membránhoz. A Clathrin a membránban lévő receptorokhoz kötődik.

Egy másik példa a fehérje kölcsönhatásokra, amelyek közvetlenül befolyásolják a membrán görbületét, a BAR (Bin, amfifizin, Rvs) domén. A BAR domén a fehérjék nagy családjában van jelen. A sejtes lipid kettősréteghez képest ez a domén merev és "banán" alakú. Feltételezték, hogy a pozitív töltésű aminosavak a BAR domén konkáv régiójában érintkezésbe kerülnek a kétrétegű lipidek negatív töltésű poláris fejcsoportjaival, így lehetővé teszik a kötési folyamatot. Kötéskor a merev domén növeli a membrán görbületét. A B ábra a membrán banán alakú hajlítását mutatja, mint a BAR domén.

3. Hidrofób fehérje motívumok beillesztése

A fehérje hidrofób része "ékként" működhet, amikor a lipid kettősrétegbe illeszkedik. Az Epsin az egyik példa, amely ezt a mechanizmust használja a membrán hajlításának elősegítésére. Epsin több amfipatikus alfa-hélixet képeznek , amely lehetővé teszi, hogy partíció közötti hidrofób mag a membrán és a környező vizes, hidrofil környezetet. Az epsin és más, a membránokhoz kötődő fehérjék másik érdekes tulajdonsága, hogy nagy kötési affinitást mutat egy meglehetősen gyakori membrán lipidhez, a foszfatidil-inozitol 4,5-biszfoszfáthoz (PI-4,5-P2). Ellentétben más fehérjékkel, amelyek egyszerűen meghajlítják a membránt puszta merevség révén, az epsin gömb alakú oldható fehérje, és így nem merev. A spirálok membránba való behelyezése erőlteti a szórólap szomszédos lipidjeit, amelyek oldalirányban tágultak. Ez a lipidek elmozdulása csak az egyik szórólapon növeli a kettősréteg görbületét. A C. ábra a membrán hajlítását mutatja hidrofób fehérjerészek lipid kettősrétegbe történő beillesztésével.

A fehérjék görbületi indukciójának mechanizmusai

A jobb oldali ábra szemlélteti a különböző mechanizmusokat, amelyek révén a fehérjék segíthetik és/vagy indukálhatják a membrán görbületét. Az A -ban egy BAR domén illusztrációja, amely számos fehérjében van jelen. A görbületet ennek a proteikus régiónak az alakja idézi elő. Ez a domén erős coulombikus kölcsönhatások révén kapcsolódik a lipid kettősréteghez. Ezt az elképzelést támasztja alá a pozitív töltésű aminosavmaradékok megléte a BAR domén konkáv régiójában. Ezek az aminosavak érintkezésbe kerülnek a kétrétegű lipidek negatív töltésű poláris fejcsoportjaival. Ezt a formajelenséget "állványmechanizmusnak" is nevezik.

A B fehérje bevonatot mutat, amely görbületet idéz elő. Amint fentebb említettük, a fehérjéket, például a klatrinot jelzőmolekulákon keresztül toborozzák a membránba, és nagyobb polimer struktúrákba gyűlnek össze, amelyek merev szerkezetet képeznek, amely keretként szolgál a membránhoz. A Clathrin a membránban lévő receptorokhoz kötődik.

A C egy kissé eltérő mechanizmust mutat be. Ebben az esetben a membrán hajlító fehérje nem mutat belső merevséget. Ehelyett gyakran gömb alakúak és oldhatók. Példa erre az epsin fehérje. Az Epsin rendelkezik egy ENTH (epsin N-terminális homológia) doménnel, amely behelyezi amfipátiás alfa-hélixét a membránba. Az Epsin nagy kötési affinitással rendelkezik a membránhoz, ha PI-4,5-P2 van jelen.

Ez az ábra szemlélteti a fehérje kiszorulása okozta membránhajlítást. Ha a fehérjék magas helyi koncentrációja (zölden látható) van jelen a membrán felületén (feketén), akkor a membrán görbülete kiváltható. Ez a hipotézis indokolta, hogy a magas fehérjekoncentráció növeli a fehérjék közötti taszítások valószínűségét, ezért sztérikus nyomást generál a fehérjék között. Az ilyen nyomás enyhítésére a lipid membránnak meg kell hajlítania a fehérje taszításának csökkentése érdekében.

4. Fehérje zsúfoltság

Ez az ábra szemlélteti a fehérje kiszorulása okozta membránhajlítást. Ha a fehérjék magas helyi koncentrációja (zölden látható) van jelen a membrán felületén (feketén), akkor a membrán görbülete kiváltható. Ez a hipotézis indokolta, hogy a magas fehérjekoncentráció növeli a fehérjék közötti taszítások valószínűségét, ezért sztérikus nyomást generál a fehérjék között. Az ilyen nyomás enyhítésére a lipid membránnak meg kell hajlítania a fehérje taszításának csökkentése érdekében.

A fehérjeszorító mechanizmus feltételezi, hogy a fehérjék hajlíthatják a membránt anélkül, hogy közvetlenül megzavarnák a membránszerkezeteket, mint a fenti mechanizmusok. Ha elég magas helyi fehérjekoncentráció van jelen a membrán felületén, a membrán felületén lévő fehérjemolekulák közötti taszítás membrángörbületet okozhat. Bár ennek a mechanizmusnak a hozzájárulása továbbra sem világos, számos kísérleti és számítási bizonyíték megmutatta a membrán hajlításában rejlő lehetőségeket. Egy friss tanulmány még azt is kimutatja, hogy a fehérjék kiszorulása membrán hajlítást okozhat, és membránhasadáshoz vezethet. Ezek a tanulmányok azt sugallják, hogy a magas helyi fehérjekoncentráció képes leküzdeni a lipid membrán hajlításának energiagátját, és így hozzájárulhat a membrán hajlításához.

Languages

In other projects