Межбислойные силы при слиянии мембран

Слияние мембран — ключевой биофизический процесс, необходимый для функционирования самой жизни. Это определяется как событие, когда два липидных бислоя приближаются друг к другу, а затем сливаются, образуя единую непрерывную структуру. У живых существ клетки состоят из внешней оболочки, состоящей из липидных бислоев; которые затем вызывают слияние в таких событиях, как оплодотворение , эмбриогенез и даже инфекции различными типами бактерий и вирусов . Поэтому это чрезвычайно важное событие для изучения. С эволюционной точки зрения синтез — это чрезвычайно контролируемое явление. Случайное слияние может привести к серьезным проблемам с нормальным функционированием человеческого организма. Слияние биологических мембран осуществляется при помощи белков . Независимо от сложности системы, слияние по существу происходит за счет взаимодействия различных межфазных сил, а именно гидратного отталкивания, гидрофобного притяжения и сил Ван-дер-Ваальса .

Межбислойные силы

Липидные бислои представляют собой структуры липидных молекул, состоящие из гидрофобного хвоста и гидрофильной головной группы. Таким образом, эти структуры испытывают все характерные силы Межбислоя, участвующие в этом режиме.

Отталкивание гидратации

Два гидратированных бислоя испытывают сильное отталкивание при сближении друг с другом. Эти силы были измерены с помощью аппарата поверхностных сил (SFA), инструмента, используемого для измерения сил между поверхностями. Это отталкивание было впервые предложено Ленгмюром и считалось, что оно возникает из-за молекул воды, гидратирующих бислои. Таким образом, гидратационное отталкивание можно определить как работу, необходимую для удаления молекул воды вокруг гидрофильных молекул (например, головных групп липидов ) в бислойной системе. Поскольку молекулы воды имеют сродство к гидрофильным головным группам, они пытаются расположиться вокруг головных групп липидных молекул, и становится очень трудно разделить эту выгодную комбинацию.

Эксперименты, проведенные с помощью SFA, подтвердили, что природа этой силы заключается в экспоненциальном спаде. Потенциал выражением V _R определяется

$V_{R}=C_{R}\cdot \exp \!\left[{-z \over \lambda _{R}}\right]$

где C _R (>0) — мера энергии гидратационного взаимодействия гидрофильных молекул данной системы, λ _R — характерный масштаб гидратного отталкивания, z — расстояние разделения. Другими словами, именно на расстояниях до этой длины молекулы/поверхности в полной мере испытывают это отталкивание.

Гидрофобное притяжение

Гидрофобные силы притяжения – это энтропийные силы между любыми двумя гидрофобными группами в водных средах, например силы между двумя длинными углеводородными цепями в водных растворах. Величина этих сил зависит от гидрофобности взаимодействующих групп, а также от расстояния, разделяющего их (обнаружено, что они уменьшаются примерно экспоненциально с расстоянием). Физическое происхождение этих сил является дискуссионным вопросом , но было обнаружено, что они действуют на большие расстояния и являются самыми сильными среди всех сил физического взаимодействия, действующих между биологическими поверхностями и молекулами. Из-за своей дальнодействующей природы они ответственны за быструю коагуляцию гидрофобных частиц в воде и играют важную роль в различных биологических явлениях, включая сворачивание и стабилизацию макромолекул, таких как белки , и слияние клеточных мембран.

Потенциал V _A определяется выражением

$V_{A}=C_{A}\cdot \exp \!\left[{-z \over \lambda _{A}}\right]$

где C _A (<0) — мера энергии гидрофобного взаимодействия для данной системы, λ _A — характерный масштаб гидрофобного притяжения, а z — расстояние разделения.

силы Ван дер Ваальса в бислоях

Эти силы возникают за счет диполь-дипольных взаимодействий (индуцированных/постоянных) между молекулами бислоев. Когда молекулы приближаются, эта сила притяжения возникает из-за упорядочения этих диполей; как в случае с магнитами, которые выравниваются и притягивают друг друга при приближении. Это также означает, что любая поверхность будет испытывать притяжение Ван-дер-Ваальса. В бислоях форма потенциала взаимодействия Ван-дер-Ваальса V _VDW имеет вид

$V_{VDW}=-{H \over 12\pi }*\left({1 \over z^{2}}-{2 \over (z+D)^{2}}+{1 \over (z+2D)^{2}}\right)$

где H — постоянная Гамакера , а D и z — толщина бислоев и расстояние между ними соответственно.

Фон

Чтобы произошло слияние, ему необходимо преодолеть огромные силы отталкивания из-за сильного гидратного отталкивания между головными группами гидрофильных липидов . , слияния и межслойного взаимодействия оказалось затруднительно Однако точно определить связь между силами адгезии . Силы, способствующие адгезии клеток , отличаются от сил, способствующих слиянию мембран. Исследования показывают, что, создавая нагрузку на взаимодействующие бислои, можно добиться слияния, не нарушая межбислойных взаимодействий. Также было высказано предположение, что слияние мембран происходит посредством последовательности структурных перестроек, которые помогают преодолеть барьер, препятствующий слиянию. Таким образом, межбислойное слияние происходит за счет

• местный доступ мембраны
• структурные перестройки, вызывающие гидратного отталкивания преодоление сил
• полное слияние в единое целое

Межбислойные взаимодействия при слиянии мембран

Когда два липидных бислоя приближаются друг к другу, они испытывают слабые силы притяжения Ван-дер-Ваальса и гораздо более сильные силы отталкивания из-за гидратного отталкивания. Эти силы обычно доминируют над гидрофобными силами притяжения между мембранами. Исследования, проведенные на бислоях мембран с использованием аппарата поверхностных сил (SFA), показывают, что слияние мембран может произойти мгновенно, когда два бислоя все еще находятся на конечном расстоянии друг от друга, без необходимости преодолевать барьер силы отталкивания ближнего действия. Это объясняется происходящими молекулярными перестройками, приводящими к обходу этих сил мембранами. Во время слияния гидрофобные хвосты небольшого участка липидов на клеточной мембране подвергаются воздействию окружающей их водной фазы. Это приводит к очень сильному гидрофобному притяжению (которое доминирует над силой отталкивания) между подвергающимися воздействию группами, что приводит к слиянию мембран. Силы притяжения Ван-дер-Ваальса играют незначительную роль в слиянии мембран. Таким образом, слияние является результатом гидрофобного притяжения между группами внутренних углеводородных цепей, которые подвергаются воздействию обычно недоступной водной среды. Наблюдается, что слияние начинается в точках мембран, где мембранные напряжения либо самые слабые, либо самые сильные.

Приложения

Межбислойные силы играют ключевую роль в обеспечении слияния мембран, что имеет чрезвычайно важное биомедицинское применение.

• Наиболее важным применением слияния мембран является получение гибридом , которые представляют собой клетки, возникающие в результате слияния антитело -секретирующих и иммортализованных В-клеток . Гибридомы используются в промышленности для производства моноклональных антител .
• Слияние мембран также играет важную роль в иммунотерапии рака . В настоящее время один из подходов иммунотерапии рака заключается в вакцинации дендритных клеток , экспрессирующих на своих мембранах специфический опухолевый антиген . Вместо этого можно использовать гибридные клетки, полученные в результате слияния дендритных клеток с опухолевыми клетками. Эти гибриды помогут экспрессировать на своих мембранах ряд опухолеассоциированных антигенов.
• Лучшее понимание слияния мембран также может привести к улучшению генной терапии .

См. также

• Клеточная мембрана
• Гидратировать
• Гидрофобный эффект
• Липидные бислои
• Аппарат надводных сил