БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ, 2015, том 32, № 2, с. 79-92
УДК 577.352.26
СЛИЯНИЕ МЕМБРАН. ДВА ВОЗМОЖНЫХ МЕХАНИЗМА ПОНИЖЕНИЯ ВЫСОТЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БАРЬЕРА ПРИ УЧАСТИИ БЕЛКОВ СЛИЯНИЯ
© 2015 г. Р. Ю. Молотковский1, П. И. Кузьмин1, С. А. Акимов12*
Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН, 119071, Москва, Ленинский просп., 31, стр. 5, 2Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС", 119049, Москва, Ленинский просп., 4; *электронная почта: akimov@misis.ru Поступила в редакцию 19.11.2014 г.
Изучается влияние белков слияния на первую стадию процесса слияния двух мембран — образование сталка. Рассматриваются два возможных механизма воздействия белков на мембраны: индуцирование спонтанной кривизны и прямое приложение силы к мембранам. Вычисляется высота энергетического барьера, связанного с гидратационным отталкиванием между мембранами и деформацией мембран и находится зависимость высоты барьера от характеристик белков, в частности, от спонтанной кривизны. В отсутствие прикладываемого белками усилия высота барьера не понижается вне зависимости от величины спонтанной кривизны белков. Это свидетельствует о том, что белки, не способные развивать силу, не могут обеспечить монослойное слияние мембран.
Ключевые слова: теория упругости мембран, слияние мембран, энергетический барьер образования сталков, белки слияния.
DOI: 10.7868/S0233475515020073
ВВЕДЕНИЕ
Процесс слияния мембран играет важнейшую роль во многих биологических процессах, таких как экзоцитоз, оплодотворение, синаптическая передача и т.д [1]. На основании экспериментальных данных при исследовании слияния in vitro была предложена концепция, согласно которой слияние мембран происходит в несколько этапов [2]. Ключевым этапом является формирование сталка, — структуры, в которой контактные монослои мембран уже слились, а дистальные монослои — еще нет [3, 4]. Для того чтобы в системе из двух мембран образовался сталк, мембранам необходимо преодолеть энергетический барьер, связанный с деформацией и гидратационным отталкиванием мембран [5]; последнее обусловлено взаимодействием слоев воды, ассоциированных с полярными головками липидов. Теоретические оценки, проделанные в ряде работ [6, 7], показывают, что без дополнительного воздействия мембраны не сольются за физически разумное время, составляющее несколько секунд. В биологических системах такое воздействие осуществляется специфическими белками, называемыми белками слияния. Экспериментально подтверждено, что белки слияния содержат домены, внедренные
в обе сливающиеся мембраны [8, 9]. При этом известно, что во многих системах домены, внедряющиеся в мембрану-мишень, располагаются в ней так, что симметрия монослоев мембраны нарушается [10]. Естественно предположить, что такие белки будут локально искривлять мембрану. Кроме того, из экспериментов известно, что при слияния мембран белки слияния претерпевают конформационную перестройку, при которой высвобождается энергия, запасенная в химических связях [11, 12]. Эта энергия оценена в ряде экспериментальных и теоретических работ [13]. Полученная энергия может преобразовываться в усилие, прилагаемое белками слияния к мембранам. В соответствии с этими соображениями в настоящее время выдвинуты две гипотезы относительно механизма понижения высоты барьера белками [14]. Согласно первой гипотезе, белки слияния индуцируют в мембране ненулевую спонтанную кривизну [15—17]. Согласно второй гипотезе, белковый комплекс изменяет свою конформа-цию и стягивает друг с другом домены, находящиеся в разных мембранах, в результате чего мембраны сближаются и сливаются. Цель нашей работы состоит в теоретической проверке данных гипотез и выяснении того, насколько эти общие механизмы воздействия белков на мембраны по-
нижают энергетический барьер слияния. Понижение барьера по второму механизму не вызывает сомнений и на настоящий момент считается экспериментально подтвержденным [8]. Так, примером могут служить комплексы SNARE, участвующие во множестве процессов слияния [14, 16]. Еще один пример — белок гемагглютинин (ГА) вируса гриппа, участвующий в инфицировании вирусом клетки. Известно, что в процессе слияния белок меняет свою конформацию и сводит домены, находящиеся в двух мембранах [9, 18, 19]. Экспериментально установлено, что блокирование конформационного перехода приводит к резкому уменьшению количества актов слияния вирусов [20]. В то же время понижение высоты барьера по первому механизму путем индуцирования спонтанной кривизны пока мало изучено экспериментально и теоретически.
ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ
В данной работе мы рассматриваем монослой-ное слияние мембран под действием белков, индуцирующих спонтанную кривизну в одной из мембран и прикладывающих к мембранам силу. В результате воздействия белков мембраны деформируются и сближаются на расстояние порядка нескольких нанометров, на котором сила белкового стягивания уравновешивается силой гидра-тационного отталкивания между мембранами. В процессе сближения мембран на их вершинах возможно образование гидрофобных дефектов, которые притягиваются. Такие дефекты могут служить зародышами для монослойного слияния, поскольку их формирование приводит к локальному разупорядочиванию гидратационных слоев и появлению гидрофобного притяжения между ними. Кроме того, гидрофобные дефекты помогают перераспределить упругое напряжение в мембране и образовать локальную выпуклость, что также способствует слиянию мембран [5]. В результате уменьшения гидратационного отталкивания между мембранами и притяжения дефектов контактные монослои мембран сливаются, и образуется сталк.
Наша задача сводится к расчету работы, необходимой для осуществления монослойного слияния. В работу вносит вклад упругая деформация мембран, гидратационное отталкивание между мембранами, гидрофобное притяжение между дефектами и работа белкового комплекса.
Деформация мембран рассматривается в рамках модели Хамма—Козлова [21]. Для описания деформаций монослоя мембраны вводится поле единичных векторов директоров п, описывающих среднюю ориентацию углеводородных хвостов липидов в данной точке монослоя. Директор будем считать заданным на некоторой разделяющей
поверхности, выбранной внутри монослоя. Также мы вводим в рассмотрение поле единичных внутренних нормалей N к разделяющей поверхности. Мы учитываем две деформационные моды — наклона и изгиба. Деформация изгиба количественно описывается дивергенцией директора вдоль разделяющей поверхности, а деформация наклона описывается вектором наклона 1 = = п/(п^ — N ~ п — N. Мы предполагаем, что при изменении формы мембраны ее деформации будут малы. В предположении малости деформаций энергия деформированного монослоя может быть представлена в виде [21]
Ж = + 70)2 - В+ К12 + (1)
В формуле (1) В, К и Кв — упругие модули, /0 — спонтанная кривизна монослоя, а dS — элемент площади поверхности. Последний член в формуле (1) соответствует члену с гауссовой кривизной в случае приближения Хельфриха [22].
Для описания гидратационного отталкивания между мембранами применяется соотношение [23, 24]:
W =
= h J-
exp
z (r У
dS,
(2)
где z(r) — расстояние между мембранами как функция радиальной координаты г, а Р0 и — константы, определяемые экспериментально.
Энергия притяжения гидрофобных дефектов вычисляется согласно теории, предложенной в работе [23]
С С Wf = 2а0пр 1 - exp
\\
±
% f ))
(3)
где ^ — определяемая экспериментально длина гидрофобного притяжения [25], а р — радиус дефекта.
Работа белкового комплекса считается зависимой от расстояния dprot между белковыми доменами в мембранах; она определяется по формуле:
W = Ad
rr protein ^-"prot'
(4)
где А — усилие, прилагаемое белками. Усилие А, прилагаемое белками к мембране, можно грубо оценить, как А = Жр/АЬ, где Щ> — работа, производимая белками в процессе своей конформаци-онной перестройки, а АХ изменение эффективной длины эктодомена белка при переходе из начального в конечное состояния. Поскольку АЬ составляет по порядку величины ~1 нм, то мы считаем, что сила А в процессе монослойного слияния остается постоянной. Такая же модель предполагается и в работах [7, 13].
Рис. 1. Мембраны с гидрофобными дефектами. Штриховыми линиями показаны сферические части мембран, которые не деформируются, и межслойные поверхности. Серым цветом выделены белковые внедрения в мембраны и схематические изображения эктодоменов. Стрелками обозначены силы, действующие на мембраны — гидратационное отталкивание, белковое стягивание и гидрофобное притяжение дефектов. Ь — расстояние между дефектами, р — радиус дефектов.
Геометрия системы. Мембраны моделируются сферами одинакового радиуса Яс. Предполагается, что белки не распределены по мембране равномерно, а собраны в локальные белковые кластеры. Домены белкового кластера, находящиеся в мембранах, моделируются двумя коаксиальными кольцами радиуса Я1 и толщины 2Е0. Таким образом, считается, что белковый кластер обладает цилиндрической симметрией. Учитывается различие свойств белков в верхней и нижней мембранах. Предполагается, что в нижней мембране белок индуцирует спонтанную кривизну /0 в контактном монослое, в то время как в верхней мембране белок никак не возмущает мембрану. После образования гидрофобных дефектов силы гидратационного отталкивания между мембранами уменьшаются, и появляется сила гидрофобного притяжения между дефектами. Система с гидрофобными дефектами показана на рис. 1.
Алгоритм расчета. Мы рассматриваем модель с двумя координатами реакции — расстоянием Ь между гидрофобными дефектами и радиусом дефекта р. В ходе вычислений мы не рассчитываем величину энергетического барьера монослойного слияния, а делаем для него оценку сверху. Сначала мембраны сводятся до расстояния, при котором действие белков уравновешивается силами гидратационного отталкивания; при этом не учитывается возможность разрыва контактных монослоев. После этого рассматривается возможность существования гидрофобных дефектов в мембранах, и вычисляется энергия системы как функция двух переменных — Ь и р. Затем численно находится высота энергетического барьер
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.