научная статья по теме СЛИЯНИЕ МЕМБРАН. ДВА ВОЗМОЖНЫХ МЕХАНИЗМА ПОНИЖЕНИЯ ВЫСОТЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БАРЬЕРА ПРИ УЧАСТИИ БЕЛКОВ СЛИЯНИЯ Биология

Текст научной статьи на тему «СЛИЯНИЕ МЕМБРАН. ДВА ВОЗМОЖНЫХ МЕХАНИЗМА ПОНИЖЕНИЯ ВЫСОТЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БАРЬЕРА ПРИ УЧАСТИИ БЕЛКОВ СЛИЯНИЯ»

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.

Показать целиком