БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ, 2014, том 31, № 1, с. 14-24
УДК 577.352
МОДЕЛЬ СЛИЯНИЯ МЕМБРАН: НЕПРЕРЫВНЫЙ ПЕРЕХОД В ПОРУ СЛИЯНИЯ С УЧЕТОМ ГИДРОФОБНЫХ И ГИДРАТАЦИОННЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ
© 2014 г. С. А. Акимов1, 2, 3*, Р. Ю. Молотковский1, Т. Р. Галимзянов2, А. В. Радаев1, 3, Л. А. Шилова1, 3, П. И. Кузьмин1, О. В. Батищев1, 3, Г. Ф. Воронина1, Ю. А. Чизмаджев1
Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН, 119071, Москва, Ленинский проспект, 31, стр. 5; *электронная почта: akimov@misis.ru Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС", 119049, Москва, Ленинский просп., 4 3Московский физико-технический институт (государственный университет), 141700, Московская обл.,
Долгопрудный, Институтский пер., 9 Поступила в редакцию 30.08.2013 г.
Теоретически рассмотрен процесс слияния липидных мембран от стадии сталка минимального радиуса до формирования поры слияния. Предполагалось, что сталк при расширении напрямую переходит в пору слияния, минуя триламинарую структуру. Энергия промежуточных состояний вычислена на основе классической теории упругости жидких кристаллов, адаптированной к липид-ным мембранам. Получена траектория перехода сталка в пору с учетом гидрофобных и гидратационных взаимодействий. Вдоль траектории происходит непрерывное изменение ориентации липидов дистальных монослоев от направления вдоль оси вращения системы, характерного для сталка, до направления, соответствующего поре слияния. Получена зависимость энергии промежуточных состояний от величины спонтанной кривизны дистальных монослоев сливающихся мембран. Показано, что энергетический барьер перехода сталка в пору уменьшается при положительной спонтанной кривизне дистальных монослоев, что согласуется с имеющимися экспериментальными данными.
Ключевые слова: слияние мембран, пора слияния, сталк, модель слияния.
Б01: 10.7868/80233475514010022
Мембранные структуры являются важнейшими компонентами как животных, так и растительных клеток. Они отделяют и защищают содержимое клетки от внешней среды, обеспечивают транспорт необходимых веществ внутрь и наружу клетки, являются необходимой опорой белков и рецепторов и т.д. В процессе жизнедеятельности клетки ее мембраны постоянно делятся и сливаются, разрушаются и синтезируются. Процесс слияния играет важнейшую роль во многих биологических процессах, таких как экзоцитоз, оплодотворение, выделение, синаптическая передача и т.д. Под слиянием понимается объединение материала самих мембран и окруженных ими водных объемов. В клетках слияние опосредовано работой специализированных белков. В настоящее время о процессах слияния накоплено значительное количество экспериментальных данных. В частности, было показано, что скорость процесса зависит от липидного состава сливаю-
щихся мембран [1]. Это позволяет заключить, что энергетика процесса определяется не только работой белков, но и свойствам липидных бислоев. Считается, что белки обеспечивают плотный контакт мембран, и дальнейшее объединение бислоев происходит спонтанно за счет энергии тепловых флуктуаций [2].
В процессе слияния мембран выделяют несколько последовательных стадий. Первая стадия — плотный контакт бислоев — обеспечивается в клетках специальными белками [3], а в модельных системах — как правило, за счет приложения к мембранам гидростатического давления [4, 5]. При сближении мембран на расстояние порядка 0.5 нм между полярными головками липидов контактных монослоев начинает действовать сильное гидратационное отталкивание, связанное с взаимодействием гидратных оболочек полярных групп [2]. Считается, что при этом полярные группы вытесняются из области контакта, и,
таким образом, в контактных монослоях формируются гидрофобные участки. Притяжение между участками приводит к слиянию контактных монослоев и формированию так называемого сталка [6]. Для слияния удаленных монослоев необходимо расширение сталка. Согласно расчетам ряда теоретических работ, расширение может происходить по двум различным направлениям — радиальному и линейному [2, 7]. При линейном расширении сталка мембрана в его окрестности становится нестабильной, и в одном из бислоев формируется сквозная пора. Линейно расширяясь, сталк полностью окружает пору. При последующей переориентации липидных молекул формируется пора слияния, связывающая сливающиеся объемы [7]. Для такой траектории слияния характерно формирование сквозной поры в одном из сливающихся бислоев. Это означает, что слияние при линейном расширении сталка происходит с утечкой, т.е. один из водных объемов, заключенных в сливающихся мембранах, некоторое время оказывается непрерывно связанным с окружающей водной средой. Утечка действительно наблюдалась экспериментально при вирусном слиянии [8]. Однако в физиологических условиях слияние, как правило, происходит без утечки [4]. Отсутствие утечки характерно для процесса слияния, связанного с радиальным расширением сталка. Ранее считалось, что при радиальном расширении дистальные монослои, "проваливаясь" в зазор между разошедшимися контактными монослоями, формируют протяженный бислой — так называемую диафрагму слияния, или триламинар-ную структуру. Разрыв или порация триламинар-ной структуры приводит к формированию поры слияния. Однако согласно расчетам [2], энергия триламинарной структуры очень велика, порядка 10 квТна нанометр периметра (квТ~ 4 х 10-21 Дж). Эта энергия связана с сильными деформациями липидных монослоев. Таким образом, образование протяженной триламинарной структуры в физиологических условиях сомнительно. Согласно современным теоретическим расчетам, диаметр триламинарной структуры в клетках не должен превышать приблизительно 2 нм [9]. Это означает, что практически происходит прямой переход из сталка в пору слияния [10].
Концепция прямого перехода сталка в пору слияния была предложена и проанализирована в работе [2]. В работе процесс слияния был рассмотрен в обратном порядке, т.е. от поры слияния к сталку. В качестве координаты обратного перехода использовался радиус внешнего монослоя поры. Исходно, при больших размерах поры, уменьшение радиуса внешнего монослоя сопровождается синхронным уменьшением радиуса внутреннего монослоя. Считалось, что, когда радиус внутреннего монослоя достигает 0.5 нм, его движение останавливается вследствие действия
сил гидратационного отталкивания в просвете поры, и дальнейшее уменьшение радиуса внешнего монослоя происходит за счет сжатия бислоя — формируется так называемая сжатая пора [2]. Таким образом, в энергию сжатой поры вносят вклад деформации изгиба и латерального растяжения/сжатия. Согласно расчетам, при сжатии поры ее энергия монотонно возрастает, и при некотором радиусе внешнего монослоя оказывается равна энергии сталка. Предполагалось, что в этой точке возможен переход "сжатая пора о сталк". При рассмотрении процесса в прямом направлении, т.е. от сталка к поре, энергетический барьер перехода оказывался равным приблизительно 40 квТ. Как показано в работе [2], такой барьер может быть преодолен за счет энергии тепловых флуктуаций за время ~1 мин.
Одним из основных критериев адекватности моделей процесса слияния является качественное согласие зависимости расчетной скорости процесса от липидного состава монослоев мембран с измеряемой экспериментально. На языке теории упругости эта скорость определяется энергией деформации промежуточных состояний, тогда как спонтанная кривизна монослоев — их липидным составом. Экспериментально было обнаружено, что положительная спонтанная кривизна контактных монослоев и отрицательная спонтанная кривизна дистальных монослоев ин-гибируют слияние, в то время как отрицательная спонтанная кривизна контактных монослоев и положительная спонтанная кривизна дистальных монослоев ускоряют его [1]. В работе [2] зависимость энергии промежуточных структур от спонтанной кривизны не рассматривалась. Обобщение этой работы на случай ненулевой спонтанной кривизны дистальных монослоев было проведено в работе [11]. В ней было показано, что энергетический барьер перехода "сталк ^ сжатая пора" увеличивается при положительной спонтанной кривизне дистальных монослоев. Это связано с тем, что переход в данной модели не рассматривается детально. В работе [11] предполагалось, что переход термодинамически возможен в точке, где энергии сталка и поры слияния оказываются равными. При этом в явном виде не рассматривалась конкретная траектория перехода из сталка в сжатую пору той же энергии, связанная с нарушением непрерывности дистальных монослоев и переориентацией липидных молекул.
В настоящей работе процесс слияния рассматривается в рамках концепции прямого перехода сталка в пору слияния. При этом явно вычисляется траектория перехода из сталка в пору слияния с учетом нарушения непрерывности дистальных монослоев и действия сил гидратационного отталкивания в просвете поры. В рамках модели рассматривается случай ненулевой спонтанной кривизны дистальных монослоев. Разработанная
I
1 I
Рис. 1. Сталк минимального радиуса. 1 — дистальный монослой; 2 — контактный (слившийся) монослой;
3 — гидрофобная полость, выделена серым цветом;
4 — пептид слияния белка слияния; 5 — эктодомен белка слияния; 6 — трансмембранный домен белка слияния. Штриховой линией показана вращательная ось симметрии системы, пунктирными линиями — продольные оси липидов дистальных монослоев. Жирными горизонтальными стрелками указано направление расширения сталка.
модель процесса слияния согласуется с экспериментальными данными по зависимости скорости слияния от состава монослоев сливающихся мембран [1].
В следующем разделе кратко рассмотрен модифицированный сталк — промежуточное состояние в процессе слияния, которое, согласно модели работы [2], возникает в результате слияния контактных монослоев. Также на качественном уровне описано новое промежуточное состояние — предпора, посредством которой возможен практически непрерывный переход модифицированного сталка в пору слияния. В разделе "Решение задачи" последовательно вычисляется энергия предпоры и находится ее зависимость от радиуса контактного монослоя в экваториальной плоскости
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.