Zwischenschichtkräfte bei der Membranfusion - Interbilayer forces in membrane fusion

Die Membranfusion ist ein wichtiger biophysikalischer Prozess, der für das Funktionieren des Lebens selbst wesentlich ist. Es ist definiert als das Ereignis, bei dem sich zwei Lipiddoppelschichten nähern und dann zu einer einzigen kontinuierlichen Struktur verschmelzen. Bei Lebewesen bestehen die Zellen aus einer Außenschicht aus Lipiddoppelschichten; die dann bei Ereignissen wie Befruchtung , Embryogenese und sogar Infektionen durch verschiedene Arten von Bakterien und Viren zu einer Fusion führen . Es ist daher ein äußerst wichtiges Ereignis zu studieren. Aus evolutionärer Sicht ist die Fusion ein äußerst kontrolliertes Phänomen. Zufällige Fusion kann zu schwerwiegenden Problemen für die normale Funktion des menschlichen Körpers führen. Die Fusion biologischer Membranen wird durch Proteine vermittelt . Unabhängig von der Komplexität des Systems erfolgt die Fusion im Wesentlichen aufgrund des Zusammenspiels verschiedener Grenzflächenkräfte, nämlich Hydratationsabstoßung, hydrophobe Anziehung und Van-der-Waals-Kräfte .

Membranfusion über Stielbildung.jpg

Kräfte zwischen zwei Schichten

Lipiddoppelschichten sind Strukturen von Lipidmolekülen , die aus einem hydrophoben Schwanz und einer hydrophilen Kopfgruppe bestehen. Daher erfahren diese Strukturen alle charakteristischen Interbilayer-Kräfte, die an diesem Regime beteiligt sind.

Hydratationsabstoßung

Zwei hydratisierte Doppelschichten erfahren eine starke Abstoßung, wenn sie sich nähern. Diese Kräfte wurden mit dem Surface Forces Apparat (SFA) gemessen , einem Instrument zur Messung von Kräften zwischen Oberflächen. Diese Abstoßung wurde zuerst von Langmuir vorgeschlagen und es wurde angenommen, dass sie aufgrund von Wassermolekülen entsteht, die die Doppelschichten hydratisieren . Die Hydratationsabstoßung kann somit als die Arbeit definiert werden, die erforderlich ist, um die Wassermoleküle um hydrophile Moleküle (wie Lipidkopfgruppen ) im Doppelschichtsystem zu entfernen . Da Wassermoleküle eine Affinität zu hydrophilen Kopfgruppen haben, versuchen sie, sich um die Kopfgruppen der Lipidmoleküle herum anzuordnen, und es wird sehr schwierig, diese günstige Kombination zu trennen.

Durch SFA durchgeführte Experimente haben bestätigt, dass die Natur dieser Kraft ein exponentieller Rückgang ist. Das Potential V R ist gegeben durch

wobei C R (> 0) ein Maß für die Hydratationsenergie für hydrophile Moleküle des gegebenen Systems ist, λ R eine charakteristische Längenskala der Hydratationsabstoßung ist und z der Abstand der Trennung ist. Mit anderen Worten, auf Entfernungen bis zu dieser Länge erfahren Moleküle / Oberflächen diese Abstoßung vollständig.

Hydrophobe Anziehung

Hydrophobe Kräfte sind die anziehenden entropischen Kräfte zwischen zwei beliebigen hydrophoben Gruppen in wässrigen Medien, z. B. die Kräfte zwischen zwei langen Kohlenwasserstoffketten in wässrigen Lösungen. Die Größe dieser Kräfte hängt von der Hydrophobizität der wechselwirkenden Gruppen sowie dem Abstand zwischen ihnen ab (es wird festgestellt, dass sie mit dem Abstand ungefähr exponentiell abnehmen). Der physikalische Ursprung dieser Kräfte ist umstritten , es wurde jedoch festgestellt, dass sie weitreichend sind und die stärksten unter allen physikalischen Wechselwirkungskräften sind, die zwischen biologischen Oberflächen und Molekülen wirken. Aufgrund ihrer weitreichenden Natur sind sie für die schnelle Koagulation hydrophober Partikel in Wasser verantwortlich und spielen eine wichtige Rolle bei verschiedenen biologischen Phänomenen, einschließlich der Faltung und Stabilisierung von Makromolekülen wie Proteinen und der Fusion von Zellmembranen.

Das Potential V A ist gegeben durch

wobei C A (<0) ein Maß für die hydrophobe Wechselwirkungsenergie für das gegebene System ist, λ A eine charakteristische Längenskala der hydrophoben Anziehung ist und z der Abstand der Trennung ist.

van der Waals Kräfte in Doppelschichten

Lipiddoppelschichtflüssigkeit.JPG

Diese Kräfte entstehen durch Dipol-Dipol-Wechselwirkungen (induziert / permanent) zwischen Molekülen von Doppelschichten. Wenn Moleküle näher kommen, entsteht diese Anziehungskraft aufgrund der Ordnung dieser Dipole; wie im Fall von Magneten, die sich ausrichten und anziehen, wenn sie sich nähern. Dies impliziert auch, dass jede Oberfläche eine Van-der-Waals-Anziehungskraft erfahren würde. In Doppelschichten ist die Form des Van-der-Waals-Wechselwirkungspotentials V VDW gegeben durch

Dabei ist H die Hamaker-Konstante und D und z die Doppelschichtdicke bzw. der Abstand.

Hintergrund

Damit eine Fusion stattfinden kann, müssen enorme Abstoßungskräfte aufgrund der starken Hydratationsabstoßung zwischen hydrophilen Lipidkopfgruppen überwunden werden. Es war jedoch schwierig, den Zusammenhang zwischen Adhäsions- , Schmelz- und Zwischenschichtkräften genau zu bestimmen . Die Kräfte, die die Zelladhäsion fördern , sind nicht die gleichen wie die, die die Membranfusion fördern. Studien zeigen, dass durch die Belastung der wechselwirkenden Doppelschichten eine Fusion erreicht werden kann, ohne die Wechselwirkungen zwischen den Schichten zu stören. Es wurde auch vorgeschlagen, dass die Membranfusion durch eine Folge von strukturellen Umlagerungen stattfindet, die dazu beitragen, die Barriere zu überwinden, die die Fusion verhindert. Somit findet eine Zwischenschichtfusion durch statt

  • lokaler Ansatz der Membran
  • strukturelle Umlagerungen , die die Überwindung von Hydratationsabstoßungskräften bewirken
  • vollständige Zusammenführung zu einer einzigen Einheit

Interbilayer-Wechselwirkungen während der Membranfusion

Wenn sich zwei Lipiddoppelschichten nähern, erfahren sie schwache Van-der-Waals-Anziehungskräfte und viel stärkere Abstoßungskräfte aufgrund der Hydratationsabstoßung. Diese Kräfte dominieren normalerweise die hydrophoben Anziehungskräfte zwischen den Membranen. Untersuchungen an Membrandoppelschichten mit dem Surface Forces Apparat (SFA) zeigen, dass eine Membranfusion sofort auftreten kann, wenn sich zwei Doppelschichten noch in einem endlichen Abstand voneinander befinden, ohne dass sie die kurzreichweitige Abstoßungskraftbarriere überwinden müssen. Dies wird auf die auftretenden molekularen Umlagerungen zurückgeführt, die zur Umgehung dieser Kräfte durch die Membranen führen. Während der Fusion werden die hydrophoben Schwänze eines kleinen Lipidfleckens auf der Zellmembran der sie umgebenden wässrigen Phase ausgesetzt. Dies führt zu sehr starken hydrophoben Anziehungskräften (die die Abstoßungskraft dominieren) zwischen den exponierten Gruppen, was zur Membranfusion führt. Die attraktiven Van-der-Waals-Kräfte spielen bei der Membranfusion eine vernachlässigbare Rolle. Somit ist die Fusion ein Ergebnis der hydrophoben Anziehungskräfte zwischen internen Kohlenwasserstoffkettengruppen, die der normalerweise unzugänglichen wässrigen Umgebung ausgesetzt sind. Es wird beobachtet, dass die Fusion an Punkten auf den Membranen beginnt, an denen die Membranspannungen entweder am schwächsten oder am stärksten sind.

Anwendungen

Zwischenschichtkräfte spielen eine Schlüsselrolle bei der Vermittlung der Membranfusion, die äußerst wichtige biomedizinische Anwendungen hat.

Siehe auch

Verweise