Влияние кривизны мембраны на энергетический барьер порообразования

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Образование сквозных проводящих дефектов – пор в липидном бислое – влияет на множество процессов в живых клетках и может приводить к сильнейшим изменениям в клеточном метаболизме. Порообразование представляет собой сложную топологическую перестройку и происходит в несколько этапов: сначала образуется гидрофобная сквозная пора, затем она перестраивается в гидрофильную пору с искривленной кромкой, расширение которой приводит к разрыву мембраны. Формирование поры не происходит спонтанно, так как требует значительных затрат энергии, связанных с деформацией мембраны. Эволюция системы связана с преодолением одного или двух энергетических барьеров, соотношение высот которых влияет на стабильность поры и вероятность ее образования. Мы исследуем влияние кривизны мембраны на высоту энергетического барьера перехода поры в метастабильное гидрофильное состояние. Мы применяем теорию упругости липидных мембран и обобщаем модель порообразования в плоских мембранах на случай произвольной кривизны. Мы показываем, что барьер на порообразование уменьшается на 8 kBT при уменьшении радиуса кривизны с 1000 до 10 нм, что облегчает формирование метастабильной поры. Полученные нами результаты согласуются с экспериментальными данными и могут применяться при моделировании сложных процессов, происходящих в искривленных участках мембран живых клеток.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Р. Ю. Молотковский

Институт системной биологии и медицины Роспотребнадзора

Автор, ответственный за переписку.
Email: rodion.molotkovskiy@gmail.com
Россия, Москва, 117246

П. В. Башкиров

Институт системной биологии и медицины Роспотребнадзора

Email: rodion.molotkovskiy@gmail.com
Россия, Москва, 117246

Список литературы

  1. Watson H. 2015. Biological membranes. Essays Biochem. 59, 43–69.
  2. Casares D., Escribá P. V., Rosselló C. A. 2019. Membrane lipid composition: Effect on membrane and organelle structure, function and compartmentalization and therapeutic avenues. Int. J. Mol. Sci. 20, 2167.
  3. Xu J., Huang X. 2020. Lipid metabolism at membrane contacts: Dynamics and functions beyond lipid homeostasis. Front. Cell Dev. Biol. 8, 615856.
  4. Ammendolia D.A., Bement W.M., Brumell J.H. 2021. Plasma membrane integrity: Implications for health and disease. BMC Biol. 19, 71.
  5. Kulkarni C.V. 2012. Lipid crystallization: From self-assembly to hierarchical and biological ordering. Nanoscale. 4, 5779.
  6. Subczynski W.K., Wisniewska A., Yin J.-J., Hyde J.S., Kusumi A. 1994. Hydrophobic barriers of lipid bilayer membranes formed by reduction of water penetration by alkyl chain unsaturation and cholesterol. Biochemistry. 33, 7670–7681.
  7. Kilinc D., Gallo G., Barbee K. A. 2008. Mechanically-induced membrane poration causes axonal beading and localized cytoskeletal damage. Exp. Neurol. 212, 422–430.
  8. Khandelia H., Ipsen J.H., Mouritsen O.G. 2008. The impact of peptides on lipid membranes. Biochim. Biophys. Acta – Biomembr. 1778, 1528–1536.
  9. Agner G., Kaulin Y.A., Schagina L.V., Takemoto J.Y., Blasko K. 2000. Effect of temperature on the formation and inactivation of syringomycin E pores in human red blood cells and bimolecular lipid membranes. Biochim. Biophys. Acta - Biomembr. 1466, 79–86.
  10. Runas K.A., Malmstadt N. 2015. Low levels of lipid oxidation radically increase the passive permeability of lipid bilayers. Soft Matter. 11, 499–505.
  11. Van der Paal J., Neyts E.C., Verlackt C.C. W., Bogaerts A. 2016. Effect of lipid peroxidation on membrane permeability of cancer and normal cells subjected to oxidative stress. Chem. Sci. 7, 489–498.
  12. Mulvihill E., Sborgi L., Mari S.A., Pfreundschuh M., Hiller S., Müller D.J. 2018. Mechanism of membrane pore formation by human gasdermin‐D. EMBO J. 37, e98321.
  13. Westman J., Hube B., Fairn G.D. 2019. Integrity under stress: Host membrane remodelling and damage by fun-gal pathogens. Cell. Microbiol. 21, e13016.
  14. Yang N.J., Hinner M.J. 2015. Getting across the cell membrane: An overview for small molecules, peptides, and proteins. Site-Specific Protein Labeling: Methods and Protocols. 29–53.
  15. Cohen F.S., Melikyan G.B. 2004. The energetics of membrane fusion from binding, through hemifusion, pore formation, and pore enlargement. J. Membr. Biol. 199, 1–14.
  16. Mehier-Humbert S., Bettinger T., Yan F., Guy R.H. 2005. Plasma membrane poration induced by ultrasound exposure: Implication for drug delivery. J. Control. Release. 104, 213–222.
  17. Basañez G., Soane L., Hardwick J.M. 2012. A new view of the lethal apoptotic pore. PLoS Biol. 10, e1001399.
  18. Flores‐Romero H., Ros U., Garcia‐Saez A.J. 2020. Pore formation in regulated cell death. EMBO J. 39, e105753.
  19. Akimov S.A., Aleksandrova V.V., Galimzyanov T.R., Bashkirov P.V., Batishchev O.V. 2017. Mechanism of pore formation in stearoyl-oleoyl-phosphatidylcholine membranes subjected to lateral tension. Biochem. (Mos-cow), Suppl. Ser. A Membr. Cell Biol. 11, 193–205.
  20. Hub J.S., Awasthi N. 2017. Probing a continuous polar defect: A reaction coordinate for pore formation in lipid membranes. J. Chem. Theory Comput. 13, 2352–2366.
  21. Akimov S.A., Volynsky P.E., Galimzyanov T.R., Kuzmin P.I., Pavlov K.V., Batishchev O.V. 2017. Pore formation in lipid membrane I: Continuous reversible trajectory from intact bilayer through hydrophobic defect to transversal pore. Sci. Rep. 7, 12152.
  22. Abidor I.G., Arakelyan V.B., Chernomordik L.V., Chizmadzhev Y.A., Pastushenko V.F., Tarasevich M.P. 1979. Electric breakdown of bilayer lipid membranes. J. Electroanal. Chem. Interfacial Electrochem. 104, 37–52.
  23. Akimov S.A., Volynsky P.E., Galimzyanov T.R., Kuzmin P.I., Pavlov K.V., Batishchev O.V. 2017. Pore formation in lipid membrane II: Energy landscape under external stress. Sci. Rep. 7, 12509.
  24. Evans E., Heinrich V., Ludwig F., Rawicz W. 2003. Dynamic tension spectroscopy and strength of biomem-branes. Biophys. J. 85, 2342–2350.
  25. Frolov V.A., Zimmerberg J. 2010. Cooperative elastic stresses, the hydrophobic effect, and lipid tilt in membrane remodeling. FEBS Lett. 584, 1824–1829.
  26. Fujii S., Matsuura T., Yomo T. 2015 Membrane curvature affects the formation of α-hemolysin nanopores. ACS Chem. Biol. 10, 1694–1701.
  27. Tabaei S.R., Rabe M., Zhdanov V.P., Cho N.-J., Höök F. 2012. Single vesicle analysis reveals nanoscale mem-brane curvature selective pore formation in lipid membranes by an antiviral α-helical peptide. Nano Lett. 12, 5719–5725.
  28. Bassereau P., Jin R., Baumgart T., Deserno M., Dimova R., Frolov V.A., Bashkirov P.V., Grubmüller H., Jahn R., Risselada H.J., Johannes L., Kozlov M.M., Lipowsky R., Pucadyil T.J, Zeno W.F., Stachowiak J.C., Stamou D., Breuer A., Lauritsen L., Simon C., Sykes C., Voth G. A., Weikl T.R. 2018. The 2018 biomembrane curvature and remodeling roadmap. J. Phys. D. Appl. Phys. 51, 343001.
  29. Hamm M., Kozlov M.M. 2000. Elastic energy of tilt and bending of fluid membranes. Eur. Phys. J. E 3, 323–335.
  30. Kuzmin P.I., Zimmerberg J., Chizmadzhev Y.A., Cohen F.S. 2001. A quantitative model for membrane fusion based on low-energy intermediates. Proc. Natl. Acad. Sci. 98, 7235–7240.
  31. Shnyrova A.V., Bashkirov P.V., Akimov S.A., Pucadyil T.J., Zimmerberg J., Schmid S.L., Frolov V.A. 2013. Geometric catalysis of membrane fission driven by flexible dynamin rings. Science, 339, 1433–1436.
  32. Zucker B., Kozlov M.M. 2022. Mechanism of shaping membrane nanostructures of endoplasmic reticulum. Proc. Natl. Acad. Sci. 119, e2116142119.
  33. McMahon H. T., Kozlov M.M., Martens S. 2010. Membrane curvature in synaptic vesicle fusion and beyond. Cell 140, 601–605.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схематическое изображение гидрофобной (панель а) и гидрофильной (панель б) поры в плоском липидном бислое.

Скачать (294KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Схематическое изображение начального состояния системы. Из мембраны с радиусом кривизны Rc вырезается сегмент радиуса Rs и производится замена на деформированную мембрану. Радиус Rc определяется по межмонослойной поверхности. Сшивка директоров и нейтральных поверхностей производится в точках с координатами , где = arcsin(Rs/Rc) – половина угла раствора сферического сегмента.

Скачать (182KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Расчетная зависимость функций Ha(0) – Ha(Rs – hasin(g)) от r при Rs = 3, 6 и 8 нм. Радиус сферы Rc = 20 нм; толщина монослоя h = 1.5 нм. Упругие параметры системы следующие: B = 10 kBT, Kt = 40 мН/м и Ka = 120 мН/м в расчете на один монослой.

Скачать (79KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Схематическое изображение поры радиуса r0 и толщиной 2L в искривленной мембране. Оранжевым выделен «горизонтальный» бислойный участок мембраны, синим — «вертикальные» монослойные участки. Пора выделена крупным пунктиром. Форма мембраны в начальном положении выделена мелким пунктиром.

Скачать (89KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимости изменения энергии Wtot (панель а) и равновесной половины длины гидрофобного участка кромки поры Lmin (панель б) от радиуса поры r0. Красным цветом указаны кривые для радиуса сшивки Rs = 5 нм; синим цветом – кривые для радиуса сшивки Rs = 50 нм; радиус кривизны мембраны Rc = 1000 нм. Зеленым цветом указаны кривые для радиуса кривизны мембраны Rc = 10 нм; сплошная линия соответствует радиусу сшивки Rs = 4 нм; штриховая линия – радиусу сшивки Rs = 5 нм. Равновесная толщина мембраны h = 1.5 нм; безразмерное поверхностное натяжение 0 = 0.001. Монослойные упругие модули равны B = 10 kBT, Kt = 40 мН/м и Ka = 120 мН/м. Спонтанная кривизна равна нулю.

Скачать (186KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Результаты варьирования радиуса кривизны мембраны Rc. а – Зависимость энергии системы Wtot от радиуса поры при разных значениях Rc (подписаны на графике, значения даны в нм). б – Зависимость высоты барьера E1 на переход системы из состояния гидрофобной поры в состояние гидрофильной поры от Rc. Для всех кривых радиус сшивки Rs = 5 нм. Значения упругих параметров даны в тексте.

Скачать (177KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Равновесная форма мембраны с гидрофобной (а) и гидрофильной (б) порами. Радиус кривизны мембраны Rc = 10 нм. Синим цветом показан бислойный участок, зеленым цветом – монослойные «вертикальные» участки, вертикальной штриховой линией – кромка гидрофобной поры. Гидрофобная пора имеет следующие параметры: r0 = 0.5 нм, Lmin = 1.05 нм, Ha = 2 нм. Гидрофильная пора имеет следующие параметры: r0 = 1.8 нм, = 2.14 нм, Ha = 2 нм, Hb = – 0.5 нм, Za = 1 нм.

Скачать (153KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025