Membrankrökning - Membrane curvature

Membrankrökning är det geometriska måttet eller karakteriseringen av membranets krökning . Membranen kan vara naturligt förekommande eller konstgjorda (syntetiska). Ett exempel på naturligt förekommande membran är lipid -dubbelskiktet i celler, även känt som cellulära membran . Syntetiska membran kan erhållas genom framställning av vattenhaltiga lösningar av vissa lipider. Lipiderna kommer sedan att "aggregera" och bilda olika faser och strukturer. Enligt förhållandena (koncentration, temperatur, lösningens jonstyrka etc.) och lipidens kemiska strukturer kommer olika faser att observeras. Till exempel tenderar lipiden POPC (palmitoyl oleylfosfatidylkolin) att bilda lamellära vesiklar i lösning, medan mindre lipider (lipider med kortare acylkedjor, upp till 8 kol i längd), såsom tvättmedel, kommer att bilda miceller om CMC ( kritisk micellkoncentration ) uppnåddes.

Grundläggande geometri

Ett biologiskt membran beskrivs vanligen som en tvådimensionell yta, som sträcker sig över ett tredimensionellt utrymme. Så för att beskriva membranform är det inte tillräckligt att bestämma membrankrullningen som ses i ett enda tvärsnitt av objektet, eftersom det i allmänhet finns två krökningar som kännetecknar formen varje punkt i rymden. Matematiskt kallas dessa två krökningar för de huvudsakliga krökningarna, och deras betydelse kan förstås genom följande tankeexperiment. Om du tvärsnittar membranytan vid en punkt som övervägs med två plan som är vinkelräta mot ytan och orienterade i två speciella riktningar som kallas huvudriktningarna, är huvudkurvorna krökningarna av de två avlyssningslinjerna mellan planen och yta som har nästan cirkulära former i närheten av den aktuella punkten. Radierna för dessa två cirkulära fragment, och , kallas huvudkrökradierna, och deras inversa värden kallas de två huvudkurvaturerna. ${\ displaystyle c_ {1}}$${\ displaystyle c_ {2}}$${\ displaystyle R_ {1}}$${\ displaystyle R_ {2}}$

Krökningsradier

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

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

Den huvudsakliga krökning och kan variera godtyckligt och därigenom ge upphov till olika geometriska former, såsom cylinder, plan, sfär och sadel. Analys av huvudkrökningen är viktig, eftersom ett antal biologiska membran har former som är analoga med dessa vanliga geometriklammer. Till exempel visar prokaryota celler som kocker , stavar och spirokett formen på en sfär , och de två senare formen på en cylinder . Erytrocyter , vanligen kallade röda blodkroppar, har formen av en sadel, även om dessa celler har en viss formdeformation. Tabellen nedan listar vanliga geometriska former och en kvalitativ analys av deras två huvudsakliga krökningar. ${\ displaystyle c_ {1}}$${\ displaystyle c_ {2}}$

Form	${\ displaystyle c_ {1}}$	${\ displaystyle c_ {2}}$
Plan	0	0
Cylinder	+	0
Sfär	+	+
Sadel	+	-

Även om membrankrökning ofta anses vara en helt spontan process måste det termodynamiskt sett finnas faktorer som verkar som drivkraften för att krökning ska existera. För närvarande finns det några postulerade mekanismer för accepterade teorier om krökning; icke desto mindre är tveklöst två av de viktigaste drivkrafterna lipidsammansättning och proteiner inbäddade och/eller bundna till membran.

Lipid spontan krökning

Den kanske mest enkla och intuitiva drivkraften i membrankrökning är den naturliga spontana krökning som vissa lipider uppvisar . Detta beror på att lipider, beroende på deras kemiska strukturer, tenderar att kurva med en lätt spontant negativ eller positiv krökning. Lipider som DOPC (dioleoylfosfatidylkolin), diacylglycerol , dioleylfosfatidyletanolamin (DOPE) och kolesterol uppvisar en negativ spontan krökning. Å andra sidan tenderar lipider med mindre acylkedjearea till förhållande till polärt huvudgruppsarea att kurva positivt, med andra ord uppvisar de positiv spontan krökning. Tabellen nedan listar experimentellt bestämda spontana krökningar för olika lipider i DOPE (dioleylfosfatidyletanolamin).

Energikraven för att generera en cylinderformad cell från ett ursprungligen plant membran kan uttryckas som

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

där L är längden av cylindern, J _B är skillnaden mellan den spontana krökningen, J _s , för lipiderna i den inre och yttre bladet dividerat med två, och K _b är böjmodulen av dubbelskiktet.

Radierna för membrancylindrar som bildas i intracellulära membrantransportvägar är typiskt ~ 25–30 nm. Den spontana krökning som är nödvändig för att generera sådana cylindrar är alltså ~ (1/50) nm – 1. Som J _B är resultatet av en skillnad i de spontana krökningar monoskikten, skulle en ovanlig membran lipidkomposition krävas för att producera en sådan krökning. Lipiderna kolesterol, dioleoylfosfatidyletanolamin (DOPE) och diacylglycerol kännetecknas av starkt negativa spontana krökningar (figur 1) och har därför potential att generera en stor membrankrökning. Men även för dessa lipider, önskad J _B kan nås endast om de är i stor utsträckning koncentrerade på den inre monolager.

Proteiner kan framkalla krökning

Vissa biologiskt förekommande lipider uppvisar spontan krökning som kan förklara formen på biologiska membran. Beräkningar visar dock att spontan lipidkurvatur ensam antingen är otillräcklig eller skulle kräva förhållanden som är orealistiska för att driva graden av krökning som observeras i de flesta celler . Det är nu känt att lipidkurvatur "stöds" av proteinstrukturer för att generera fullständig cellulär krökning.

För närvarande finns det fyra föreslagna mekanismer för att förklara proteinbaserad membranböjning:

1. Lipidkluster
2. Protein bildar styv ställning
3. Infogning av amfipatiska domäner
4. Protein trängsel

1. Lipidklustering

Bakterietoxiner som koleratoxin B , shigatoxin B gynnar bindning och därmed sammansättning av vissa lipidmolekyler. Effekten av lipidklustering, tillsammans med den inneboende formen av individuell lipidmolekyl, ger upphov till membrankrökning.

2. Styv ställning

Ett klassiskt exempel på membranböjning av styvt proteinställning är klatrin . Clathrin är involverat i cellulär endocytos och sekvestreras av specifika signalmolekyler. Clathrin kan fästa på adapterproteinkomplex på cellmembranet, och det polymeriseras i gitter för att driva större krökning, vilket resulterar i endocytos av en vesikulär enhet. Pälsproteinkomplex I (COP1) och pälsproteinkomplex II (COPII) följer liknande mekanism för att driva membrankrökning. Figur A visar en proteinbeläggning som inducerar krökning. Som nämnts ovan rekryteras proteiner såsom klatrin till membranet genom signalmolekyler och samlas i större polymera strukturer som bildar en stel struktur som fungerar som en ram för membranet. Clathrin binder till dess receptorer som finns i membranet.

Ett annat exempel på proteininteraktioner som direkt påverkar membrankrökning är BAR -domänen (Bin, amfifysin, Rvs '). BAR -domänen finns i en stor proteinfamilj. I förhållande till det cellulära lipid -tvåskiktet är denna domän styv och uppvisar en "banan" -form. Det har postulerats att de positivt laddade aminosyraresterna i det konkava området i BAR -domänen skulle komma i kontakt med de negativt laddade polära huvudgrupperna av lipider i tvåskiktet, vilket möjliggör bindningsprocessen. Vid bindning ökar membranets krökning av den styva domänen. Figur B visar membranböjning med bananform som BAR-domän.

3. Insättning av hydrofoba proteinmotiv

Hydrofobisk del av proteinet kan fungera som "kil" när det sätts in i lipid tvåskikt. Epsin är ett exempel som använder denna mekanism för att driva membranböjning. Epsin har flera amfipatiska alfa -spiraler som gör det möjligt att dela mellan den hydrofoba kärnan i membranet och den omgivande vattenhaltiga, hydrofila miljön. En annan intressant egenskap hos epsin och andra proteiner som binder till membran är det faktum att den uppvisar hög bindningsaffinitet för en ganska vanlig membranlipid, fosfatidylinositol 4,5-bisfosfat (PI-4,5-P2). Till skillnad från andra proteiner som helt enkelt böjer membranet genom ren styvhet är epsin ett globulärt lösligt protein och därmed inte styvt. Insättningen av dess spiraler i membranet tvingar de närliggande lipiderna i bipacksedeln som har tvingats expandera i sidled. Denna förskjutning av lipider på endast en av broschyrerna ökar dubbelskiktets krökning. Figur C visar membranböjning genom införande av hydrofoba proteindelar i lipiddubbelskiktet.

Mekanismer för krökningsinduktion av proteiner

Figuren till höger illustrerar de olika mekanismer genom vilka proteiner kan hjälpa och/eller inducera membrankrökning. I A , en illustration av en BAR -domän som finns i ett antal proteiner. Krökningen induceras av själva formen av denna proteiska region. Denna domän fäster sig till lipiddubbelskiktet genom starka coulombiska interaktioner. Denna idé stöds av förekomsten av positivt laddade aminosyrarester i den konkava regionen i BAR -domänen. Dessa aminosyror skulle komma i kontakt med de negativt laddade polära huvudgrupperna av lipider i tvåskiktet. Detta formfenomen kallas också "ställningsmekanismen".

B visar en proteinbeläggning som inducerar krökning. Som nämnts ovan rekryteras proteiner såsom klatrin till membranet genom signalmolekyler och samlas i större polymera strukturer som bildar en stel struktur som fungerar som en ram för membranet. Clathrin binder till dess receptorer som finns i membranet.

C illustrerar en något annorlunda mekanism. I detta fall uppvisar det membranböjande proteinet inte inneboende styvhet. Istället är de ofta globulära och lösliga. Proteinet epsin är ett exempel. Epsin har en ENTH (epsin N-terminal homologi) domän som sätter in sin amfipatiska alfa-helix i membranet. Epsin har hög bindningsaffinitet för membranet om PI-4,5-P2 är närvarande.

Denna figur illustrerar membranböjning orsakad av protein trängsel. När en hög lokal koncentration av proteiner (visas i grönt) finns på membranytan (visas i svart) kan membrankrökning induceras. Denna hypotes resonerade att den höga proteinkoncentrationen ökar sannolikheten för avstötningar mellan proteiner och därför genererar steriskt tryck mellan proteiner. För att lindra sådant tryck måste lipidmembranet böja sig för att minska proteinavstötningar.

4. Protein trängsel

Denna figur illustrerar membranböjning orsakad av protein trängsel. När en hög lokal koncentration av proteiner (visas i grönt) finns på membranytan (visas i svart) kan membrankrökning induceras. Denna hypotes resonerade att den höga proteinkoncentrationen ökar sannolikheten för avstötningar mellan proteiner och därför genererar steriskt tryck mellan proteiner. För att lindra sådant tryck måste lipidmembranet böja sig för att minska proteinavstötningar.

Proteinträngningsmekanismen antar att proteiner kan böja membran utan att direkt störa membranstrukturer som ovanstående mekanismer. När en tillräckligt hög lokal koncentration av protein finns på membranytan kan avstötning mellan proteinmolekyler på membranytan inducera membrankrökning. Även om bidraget från denna mekanism fortfarande är oklart, har flera experimentella och beräkningsbevis visat sin potential i böjningsmembran. En ny studie visar till och med att protein trängsel kan orsaka membranböjning och leder till membransplittring. Dessa studier tyder på att hög lokal proteinkoncentration kan övervinna energibarriären för att böja lipidmembranet och därmed kan bidra till membranböjning.

Referenser