Биоэлектрохимия нанодоменов в модельных и клеточных мембранах: теоретическое исследование тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.05, кандидат физико-математических наук Фролов, Владимир Александрович

• Фролов, Владимир Александрович
• кандидат физико-математических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Фролов, Владимир Александрович

Введение.

Часть I. Обзор литературы.

Глава 1. Липидные и белок-липидные микродомены.

Глава 2. Кинетика фазового разделения.

Глава 3. Теория смачивания.

Часть И. Образование доменов в липидных мембранах.

Глава 1. Постановка задачи.

Глава 2. Кинетика перераспределения вещества.

Глава 3. Стабилизация нанодоменов.

Глава 4. Определение упругих модулей мембраны электрохимическим методом.

Часть III. Образование доменов в клеточных мембранах.

Глава 1. Постановка задачи.

Глава 2. Смачивание в случае комплекса достаточно большого радиуса.

Глава 3. Смачивание в случае произвольного размера комплекса.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Биоэлектрохимия нанодоменов в модельных и клеточных мембранах: теоретическое исследование»

Известная модель Зингера-Никольсона (Singer, 1972), согласно которой белки «плавают» в однородном липидном море, за последние десятилетия претерпела значительные изменения. Сегодня общепринято, что клеточная мембрана крайне неоднородна: в ней присутствует целая иерархия различных липид-белковых структур, которые являются участниками всевозможных событий, протекающих в живой клетке. Простейшая из таких структур - это липид-белковые образования, обнаруженные лет 30 тому назад (Jost, 1973) и названные «граничными липидами». Они подобны гидратным оболочкам, которые образуются в водных растворах электролитов вокруг ионов. Иными словами, липиды, имеющие повышенное сродство к определенным белкам формируют вокруг них сольватные оболочки переменного липидного состава, который на масштабах нескольких нанометров сравнивается со средним по мембране. Несколько лет назад была высказана гипотеза, согласно которой вокруг белков могут образовываться довольно протяженные липидные области постоянного состава, который отличен от среднего (Anderson and Jacobson, 2002). Предполагается, что по своему фазовому состоянию они тождественны с окружающей средой. Количественного оформления эта гипотеза до сих пор не получила. Значительно большее распространение приобрела модель липид-белковых нанодоменов (рафтов), в рамках которой вокруг определенных белков возникают обогащенные сфинголипидами и холестерином области, где липиды находятся в новом фазовом состоянии, жидкоупорядоченном (Simons and Ikonen, 1997). Несмотря на целый поток публикаций на эту тему, надежных данных о механизме возникновения таких структур, их составе, размерах и динамике до сих пор нет. Экспериментальные данные, касающиеся рафтов в биологических мембранах, зачастую противоречат друг другу. Существуют даже предположения, что рафты в клеточной мембране являются короткоживущими нестабильными образованиями. Тем не менее, интерес к рафтам не убывает, поскольку появляется все больше экспериментальных данных, подтверждающих их участие в таких жизненно важных клеточных процессах, как сортировка белков, их доставка в мембраны, межклеточная сигнализация и многих других (Edidin, 2001; Ikonen, 2003; Mayor and Rao, 2004). Оценки размера рафтов в клеточных мембранах варьируются от нескольких до сотен нанометров. Кроме того, с помощью электронной микроскопии недавно были обнаружены липид-белковые «острова» размером до 300 нм и было показано, что в их состав входят как рафтовые, так и нерафтовые липидные образования (Lillemeier et al., 2006). Примером таких островов может служить кавеола, нанодомен размером 50-150 им, обогащенный сфинголипидами и холестерином. Стабилизация таких белок-липидных агрегатов во многом обеспечивается их взаимодействием с цитоскелетом. Несмотря на большое число работ, посвященных исследованию рафтов, физические механизмы, определяющие их возникновение и динамику, до сих пор не выяснены. Это обуславливает актуальность теоретического биоэлектрохимического исследования данного явления.

Концепция рафтов в клеточных мембранах как островков новой фазы получила мощную поддержку со стороны экспериментов с модельными липидными мембранами -гигантскими липосомами и плоскими бислоями. В таких системах после понижения температуры образуются рафты диаметром 5-10 мкм, которые молено легко наблюдать методами флуоресцентной микроскопии (Feigenson and Buboltz, 2001; Samsonov et al., 2001; Veatch and Keller, 2002; Yeatch et al., 2004). Общепринятой является точка зрения, согласно которой эти рафты возникают в результате фазового перехода. Это связано с тем, что процедура получения таких рафтов выглядит следующим образом: мембрана формируется при достаточно высокой температуре, затем следует резкое охлаждение, и появляются рафты. Было показано, что такие рафты толще, чем окружающая мембрана, они находятся в более упорядоченном состоянии, чем окружающая мембрана (так называемое жидкоупорядоченное состояние), т.е. средняя площадь на липидную головку в рафте меньше, чем в окружающей мембране. Рафты - это бислойные структуры, до сих пор монослойных рафтов не наблюдалось. Они быстро восстанавливают первоначальную круглую форму после возмущения, что свидетельствует о существовании значительного линейного натяжения на границе рафта и окружающей мембраны. Одной из причин возникновения этого натяжения является несоответствие равновесных толщин рафта и окружающей мембраны, так называемое гидрофобное несоответствие. Кроме микронных рафтов, с помощью ЯМР в липидных мембранах были обнаружены рафты размера порядка десятков нанометров (Mayor and Rao, 2004; Veatch and Keller, 2002; Veatch et al., 2004), следовательно, возникает вопрос о механизмах стабилизации столь малых рафтов. Таким образом, исследование фазового превращения в липидных мембранах является ключевым для объяснения этих экспериментальных данных.

В литературе можно встретить попытки распространить изложенные выше представления о возникновении и эволюции нанодоменов в липидных бислоях на случай клеточных мембран. При этом предполагается, что в липидной субфазе формируются чисто липидные нанодомены, а белкам отводится сугубо пассивная роль: они просто распределяются между жидконеупорядоченной и жидкоупорядоченной подсистемами, исходя из энергетических соображений. Такие подходы не популярны в научном сообществе, так как до сих пор в литературе нет каких-либо свидетельств в пользу существования в клеточных мембранах чисто липидных доменов. По-видимому, при физиологических температурах в мембранах нет пересыщения по липиду, т.е. нет условий для глобального фазового перехода в липидной субфазе. Тем не менее, можно предположить, что образование рафтов в клеточных мембранах связано с локальным фазовым переходом вблизи белка, инициированным самим белком. В такой модели и белки, и липиды участвуют в образовании нанодоменов, причем именно белки являются центрами конденсации новой фазы. Иными словами, здесь имеет место явление смачивания, которое детально изучено, как экспериментально, так и теоретически в различных трехмерных системах (Dietrich, 1988; Schick, 1990). Выяснение условий, при которых возможно смачивание, и свойств образовавшегося домена несомненно важно для описания процессов кластеризации мембранных белков.

Целью настоящей работы является исследование возникновения и динамики рафтов в липидных и клеточных мембранах. В ходе работы были поставлены следующие задачи:

1) количественно проанализировать кинетику фазового превращения в многокомпонентной липидной мембране, первоначально находящейся в метастабильном состоянии;

2) исходя из результатов анализа кинетики перехода, определить условия стабилизации нанорафтов в липидной мембране;

3) исследовать возникновение белок-липидных рафтов в клеточных мембранах по механизму смачивания в условиях недонасыщения.

Работа состоит из введения, трех основных частей (десяти глав) и заключения. Часть I содержит обзор литературы. Часть II посвящена исследованию образования и стабилизации нанодоменов в липидных мембранах. В Части III рассматривается образование нанодоменов в клеточных мембранах по механизму смачивания. Теоретические результаты, полученные в настоящей работе, сопоставлены с экспериментальными данными.

Часть I. Обзор литературы.

Заключение диссертации по теме «Электрохимия», Фролов, Владимир Александрович

Выводы.

1. Сделаны оценки характерных времен всех стадий фазового разделения в двумерной многокомпонентной липидной мембране. Первые две стадии (нуклеации и независимого роста) являются быстрыми: характерные времена равны tH = 0,2 мс и /нр = 1,5 мс соответственно. После их окончания перераспределение вещества определяется, в основном, процессами слияния доменов и отщепления нанодоменов (характерные времена tc ~ tn ~ 0,1 с).

2. Для ансамбля нанодоменов, образовавшегося в результате быстрых стадий фазового перехода, найдено распределение доменов по размерам в зависимости от линейного натяжения границы домена. Показано, что при достаточно малом линейном натяжении ансамбль нанодоменов стабилизируется за счет энтропийного члена в свободной энергии, при большем — образуется глобальная фаза.

3. Разработана теоретическая интерпретация электрохимического метода определения упругих модулей бислойной мембраны, основанного на измерении зависимости проводимости нанотрубки, вытянутой из мембраны, от приложенного напряжения.

4. Для клеточных мембран, находящихся в состоянии недонасыщения по липидной субфазе, на основе модели смачивания белков липидами получены условия, при которых возникают устойчивые белок-липидные нанодомены. Принципиально новый вывод состоит в том, что подобные структуры реализуются только на основе крупных белковых агрегатов с радиусом гр, превосходящим ~ 15 нм, вокруг которых формируется пленка шириной порядка 5 нм, которая состоит из липидов в жидкоупорядоченном состоянии.

5. Показано, что смачивающая пленка, окружающая белок-липидный агрегат, с одной стороны, препятствует выходу белков из агрегата, а с другой - облегчает слияние малых агрегатов.

6. Установлено, что одиночные белки с гр порядка нескольких нанометров не способны инициировать локальный фазовый переход липидов и образование пленки. В этом случае имеет место адсорбция определенных липидов, порождающая шлейф переменного состава, что характерно для явлений сольватации.

Заключение.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Фролов, Владимир Александрович, 2008 год

1. Akimov S.A., Frolov V.A., Kuzmin P.I. // Biologicheskie Membrany. 2005. V. 22. N 5. P. 413-426.

2. Akimov S.A., Kuzmin P.I., Zimmerberg J., Cohen F.S., Chizmadzhev Y.A. // Journal of Electroanalytical Chemistry. 2004. V. 564. P. 13-18.

3. Anderson R.G., Jacobson K. // Science. 2002. V. 296. N 5574. P. 1821-5.

4. Anderson T.G., McConnell H.M. // Biophys. J. 2001. V. 81. N 5. P. 2774-2785.

5. Anderson T.G., McConnell H.M. // Biophys. J. 2002. V. 83. N 4. P. 2039-2052.

6. Apodaca G. // Am J Physiol Renal Physiol. 2002. V. 282. N 2. P. F179-90.

7. Aranda-Espinoza H., Berman A., DanN., Pincus P., Safran S. // Biophys J. 1996. V. 71. N 2. P. 648-56.

8. Bagatolli L.A., Gratton E. // Biophys J. 2000. V. 78. N 1. P. 290-305.

9. Bagnat M., Keranen S., Shevchenko A., Simons K. // Proc Natl Acad Sci USA. 2000. V. 97. N 7. P. 3254-9.

10. Baumgart Т., Hess S.T., Webb W.W. // Nature. 2003. V. 425. N 6960. P. 821-824.

11. Дерягин Б.В., Чураев H.B., Муллер B.M. Поверхностные силы. Москва: Наука, 1987. с.

12. Bohinc К., Lombardo D., Kraljiglic V., Fosnaric М., May S., Pernus F., Hagerstrand H., Iglic A. // Cell Mol Biol Lett. 2006. V. 11. N 1. P. 90-101.

13. Brannigan G., Brown F.L. // Biophys J. 2006. V. 90. N 5. P. 1501-20.

14. Brannigan G., Brown F.L. // Biophys J. 2007. V. 92. N 3. P. 864-76.

15. Brown D.A., London E.//J. Membr. Biol. 1998. V. 164. N2. P. 103-114.

16. Brown D.A., London E. // Annu Rev Cell Dev Biol. 1998. V. 14. P. 111-36.

17. Chaikin P.M., Lubensky T.C. Principles of condensed matter physics. Cambridge: Cambridge University Press., 1995. c.

18. Chen Z., Rand R.P. // Biophys. J. 1997. V. 73. P. 267-276.

19. Chiu S.W., Jakobsson E., Mashl R.J., Scott H.L. // Biophys. J. 2002. V. 83. N 4. P. 18421853.

20. Davis H.T. Statistical Mechanics of Phases, Interfaces and Thin Films. New York: Wiley-VCH, 1996.C.

21. Debenedetti P.G. Metastable Liquids. Concepts and Principles. New Jersey: Princeton Univercity Press, 1996. c.

22. Dietrich S. // Phase Transition and Critical Phenomena. T. 12. Wetting phenomena / Ред. Domb D., Lebowitz J. New York: Academic Press, 1988. C. 1-218.

23. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. Москва: Наука, 1976. с.

24. Edholm О., Nagle J.F. // Biophys J. 2005. V. 89. N 3. P. 1827-32.

25. Edidin M. // Trends Cell. Biol. 2001. V. 11. N 12. P. 492-496.

26. Evans D.F., Wennerstrom H. The Colloidal Domain. New York: Wiley-VCH, 1999. c.

27. Evans E., Needham D. // J. Phys. Chem. 1987. V. 91. P. 4219-4228.

28. Evans E., Rawics W. // Phys. Rev. Lett. 1990. V. 64. P. 2094-2097.

29. Fabbri M., Di Meglio S., Gagliani M.C., Consonni E., Molteni R., Bender J.R., Tacchetti C., Pardi R. // Mol Biol Cell. 2005. V. 16. N 12. P. 5793-803.

30. Feigenson G.W., Buboltz J.T. // Biophys. J. 2001. V. 80. N 6. P. 2775-2788.

31. Filippov A., Oradd G., Lindblom G. // Biophys J. 2004. V. 86. N 2. P. 891-6.

32. Fournier J.-B. // Eur. Phys. J. B. 1999. V. 11. P. 261-272.

33. Frolov V.A.J., Chizmadzhev Y.A., Cohen F.S., Zimmerberg J. // Biophys J. 2006. V. 91. N 1. P. 189-205.

34. Fuller N. Rand R.P. //Biophys. J. 2001. V. 81. P. 243-254.

35. Gandhavadi M., AUende D., Vidal A., Simon S.A., Mcintosh T.J. // Biophys. J. 2002. V. 82. P. 1469-1482.

36. Gibbs J.W. On the equilibrium of heterogeneous substances 1876/1878. New Haven: Yale University Press, 1948. c.

37. Gil Т., Ipsen J.H. // Phys. Rev. E. 1997. V. 55. N 2. P. 1713-1721.

38. Gil Т., Mikheev L.V. // Phys. Rev. E. 1995. V. 52. N 1. P. 772-780.

39. Gil Т., Sabra M.C., Ipsen J.H., Mouritsen O.G.//Biophys. J. 1997. V. 73. N 4. P. 1728-1741.

40. Gunton J.D., San Miguel M., Sahni P.S. // Phase Transitions and Critical Phenomena. T. 8. The dynamics of First-order Phase Transitions / Ред. Domb С., Lebowitz J.L. New York: Academic Press, 1983. C. 267-507.

41. Hamm M., Kozlov M.M.//Eur. Phys. J. B. 1998. V. 6. P. 519-528.

42. Hamm M., Kozlov M.M. // Eur. Phys. J. E. 2000. V. 3. P. 323-335.

43. Hess S.T., Kumar M., Verma A., Farrington J., Kenworthy A., Zimmerberg J. // J Cell Biol. 2005. V. 169. N6. P. 965-76.

44. Huang J., Feigenson G.W. // Biophys. J. 1999. V. 76. N 4. P. 2142-2157.

45. Huse D.A. // Physical Review B. Condensed Matter. 1986. V. 34. N 11. P. 7845-7850.

46. Ikonen E. // Curr. Opin. Cell Biol. 2003. V. 13. P. 470-477.

47. Israelachvili J.N., Marcelja S., Horn R.J. // Quart. Rev. Biophys. 1980. V. 13. N 2. P. 121200.

48. Kahya N. Scherfeld D., Bacia K., Poolman В., Schwille P. // J Biol Chem. 2003. V. 278. N 30. P. 28109-15.

49. Kenworthy A.K., Nichols B.J., Remmert C.L., Hendrix G.M., Kumar M., Zimmerberg J., Lippincott-Schwartz J. // J Cell Biol. 2004. V. 165. N 5. P. 735-46.

50. Koch S.W., Desai R.C., Abraham F.F. // Phys. Rev. A. 1983. V. 27. P. 2152-2167.

51. Kozlov M.M., Helfrich W. // Langmiur. 1992. V. 8. P. 2792-2797.

52. Kozlovsky Y, Kozlov M.M. // Biophys. J. 2002. V. 82. P. 882-895.

53. Kruyt H.R. Colloid Science, Volume 1, Irreversible Systems. Amsterdam: Elsevier, 1952. c.

54. Kuzmin P.I., Akimov S.A., Chizmadzhev Y.A., Zimmerberg J., Cohen F.S. // Biophys J. 2005. V. 88. N2. P. 1120-33.

55. Lague P., Zuckermann M.J., Roux B. // Faraday Discuss. 1998. V. 111. P. 165-172.

56. Landau D.L., Lifshitz E.M. Statistical Physics. Massachusetts: Addison-Wesley, 1969. c.

57. Landau D.L., Lifshitz S.M. Theory of elasticity. New York: Pergamon Press, 1970. c.

58. Landau L.D., Lifshitz E.M. Fluid Mechanics, 2nd Ed. Oxford: Pergamon Press, 1987. c.

59. Leidy C., Linderoth L., Andresen T.L., Mouritsen O.G., Jorgensen K., Peters G.H. // Biophys J. 2006. V. 90. N9. P. 3165-75.

60. Leikin S., Kozlov M.M., FullerN.L., Rand R.P. //Biophys. J. 1996. V. 71. P. 2623-2632.

61. Lifshitz E.M., Pitaevskii L.P. Physical Kinetics. Oxford: Pergamon Press, 1981. c.

62. Lifshitz E.M., Slezov V.V. // Journal of Physics and Chemistry of Solids. 1961. V. 19. N 1-2. P. 35-50.

63. Lillemeier B.F., Pfeiffer J.R., Surviladze Z., Wilson B.S., Davis M.M. // Proc Natl Acad Sci USA. 2006. V. 103. N 50. P. 18992-7.

64. London E. // Curr. Opin. Struct. Biol. 2002. V. 12. N 4. P. 480-486.65.