Membrankrümmung – Wikipedia

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Membrankrümmung ist das geometrische Maß oder die Charakterisierung der Krümmung von Membranen. Die Membranen können natürlich vorkommen oder künstlich (synthetische) sein. Ein Beispiel für eine natürlich vorkommende Membran ist die Lipiddoppelschicht von Zellen, die auch als Zellmembranen bekannt ist.[1] Synthetische Membranen können durch Herstellung wässriger Lösungen bestimmter Lipide erhalten werden. Die Lipide “aggregieren” dann und bilden verschiedene Phasen und Strukturen. Je nach Bedingungen (Konzentration, Temperatur, Ionenstärke der Lösung usw.) und der chemischen Struktur des Lipids werden unterschiedliche Phasen beobachtet. Zum Beispiel neigt das Lipid POPC (Palmitoyloleylphosphatidylcholin) dazu, in Lösung lamellare Vesikel zu bilden, während kleinere Lipide (Lipide mit kürzeren Acylketten, bis zu 8 Kohlenstoffatomen) wie Detergenzien Micellen bilden, wenn die CMC (kritisch Micellenkonzentration) erreicht.

Grundgeometrie[edit]

Eine biologische Membran wird allgemein als zweidimensionale Oberfläche beschrieben, die einen dreidimensionalen Raum überspannt. Um die Membranform zu beschreiben, reicht es also nicht aus, die Membrankrümmung zu bestimmen, die in einem einzigen Querschnitt des Objekts zu sehen ist, da im Allgemeinen zwei Krümmungen vorhanden sind, die die Form an jedem Punkt im Raum charakterisieren. Mathematisch werden diese beiden Krümmungen als Hauptkrümmungen bezeichnet,

C1{displaystyle c_{1}}

und

C2{displaystyle c_{2}}

, und ihre Bedeutung kann durch das folgende Gedankenexperiment verstanden werden. Wenn Sie die Membranoberfläche an einem betrachteten Punkt mit zwei Ebenen schneiden, die senkrecht zur Oberfläche stehen und in zwei speziellen Richtungen ausgerichtet sind, die als Hauptrichtungen bezeichnet werden, sind die Hauptkrümmungen die Krümmungen der beiden Schnittlinien zwischen den Ebenen und der Flächen, die in unmittelbarer Nähe des betrachteten Punktes nahezu kreisförmige Formen aufweisen. Die Radien dieser beiden kreisförmigen Fragmente,

R1{displaystyle R_{1}}

und

R2{displaystyle R_{2}}

, werden als Hauptkrümmungsradien bezeichnet, und ihre inversen Werte werden als die beiden Hauptkrümmungen bezeichnet.[2]

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C1=1/R1{displaystyle c_{1}=1/R_{1}}

C2=1/R2{displaystyle c_{2}=1/R_{2}}

Die Hauptkrümmungen

C1{displaystyle c_{1}}

und

C2{displaystyle c_{2}}

können beliebig variieren und dadurch unterschiedliche geometrische Formen wie Zylinder, Ebene, Kugel und Sattel entstehen lassen. Die Analyse der Hauptkrümmung ist wichtig, da eine Reihe von biologischen Membranen Formen aufweisen, die diesen üblichen Geometrieklammern analog sind. Prokaryontische Zellen wie Kokken, Stäbchen und Spirochetten haben beispielsweise die Form einer Kugel und die beiden letzteren die Form eines Zylinders. Erythrozyten, allgemein als rote Blutkörperchen bezeichnet, haben die Form eines Sattels, obwohl diese Zellen zu einer gewissen Formverformung fähig sind. Die folgende Tabelle listet gängige geometrische Formen und eine qualitative Analyse ihrer beiden Hauptkrümmungen auf.

Form
Ebene 0 0
Zylinder + 0
Kugel + +
Sattel + –

Obwohl oft angenommen wird, dass die Membrankrümmung ein völlig spontaner Prozess ist, muss es thermodynamisch gesehen Faktoren geben, die als treibende Kraft für die Existenz der Krümmung wirken. Derzeit gibt es einige postulierte Mechanismen für akzeptierte Theorien zur Krümmung; dennoch sind zweifellos zwei der wichtigsten treibenden Kräfte die Lipidzusammensetzung und Proteine, die in Membranen eingebettet und/oder daran gebunden sind.

Spontane Lipidkrümmung[edit]

Die vielleicht einfachste und intuitivste treibende Kraft bei der Membrankrümmung ist die natürliche spontane Krümmung einiger Lipide. Dies liegt daran, dass Lipide je nach chemischer Struktur dazu neigen, sich mit einer leichten spontanen negativen oder positiven Krümmung zu krümmen. Lipide wie DOPC (Dioleoylphosphatidylcholin), Diacylglycerin, Dioleylphosphatidylethanolamin (DOPE) und Cholesterin zeigen eine negative Spontankrümmung.[3] Andererseits neigen Lipide mit einem kleineren Verhältnis von Acylkettenfläche zu polarer Kopfgruppenfläche dazu, sich positiv zu krümmen, mit anderen Worten, sie zeigen eine positive spontane Krümmung.[4] Die folgende Tabelle listet experimentell bestimmte spontane Krümmungen für verschiedene Lipide in DOPE (Dioleylphosphatidylethanolamin) auf.

Lipid JS (nm-1)[5]
Lysophospholipide
L-Lyso-PC 1/5,8
O-Lyso-PC 1/3.8
P-lyso-PC 1/6,8
L-Lyso-PE <1/40
O-Lyso-PE <1/40
S-Lyso-PE <1/40
Andere Lipide
DOPS 1/14,4
DOPC -1/20
PA -1/4,6
AUFPUTSCHMITTEL -1/3
Cholesterin -1/2,9
DCG -1/1,3

Der Energiebedarf zur Erzeugung einer zylinderförmigen Zelle aus einer ursprünglich flachen Membran kann ausgedrückt werden als

FCjal=πLKB(1R−2JB){displaystyle {F_{Cyl}}=pi LK_{b}({frac {1}{R}}-2J_{B})}

wobei L die Länge des Zylinders ist, JB ist die Differenz zwischen der spontanen Krümmung, JS, für die Lipide im inneren und äußeren Segel geteilt durch zwei, und KB ist der Biegemodul der Doppelschicht.

Die Radien von Membranzylindern, die sich in intrazellulären Membrantransportwegen bilden, betragen typischerweise ~25–30 nm.[6] Die zur Erzeugung solcher Zylinder erforderliche spontane Krümmung beträgt also ~(1/50) nm–1. Als JB aus einem Unterschied in den spontanen Krümmungen der Monoschichten resultiert, wäre eine ungewöhnliche Membranlipidzusammensetzung erforderlich, um eine solche Krümmung zu erzeugen. Die Lipide Cholesterin, Dioleoylphosphatidylethanolamin (DOPE) und Diacylglycerin zeichnen sich durch stark negative Spontankrümmungen aus (Abbildung 1) und haben daher das Potenzial, eine große Membrankrümmung zu erzeugen. Aber auch für diese Lipide ist das erforderliche JB können nur erreicht werden, wenn sie in der inneren Monoschicht weitgehend konzentriert sind.

Proteine ​​können Krümmung induzieren[edit]

Einige biologisch vorkommende Lipide weisen eine spontane Krümmung auf, die die Formen biologischer Membranen erklären könnte. Dennoch zeigen Berechnungen, dass eine spontane Lipidkrümmung allein entweder unzureichend ist oder Bedingungen erfordern würde, die unrealistisch sind, um den in den meisten Zellen beobachteten Krümmungsgrad zu steuern. Es ist nun bekannt, dass die Lipidkrümmung durch Proteinstrukturen “unterstützt” wird, um eine vollständige Zellkrümmung zu erzeugen.

Derzeit gibt es 4 vorgeschlagene Mechanismen zur Erklärung der proteinvermittelten Membranverbiegung:

  1. Lipid-Clustering
  2. Protein bildet ein starres Gerüst
  3. Insertion amphipathischer Domänen
  4. Protein-Crowding

1. Lipid-Clustering[edit]

Bakterielle Toxine wie Cholera-Toxin B, Shiga-Toxin B begünstigen die Bindung und damit Clusterbildung bestimmter Lipidmoleküle. Die Wirkung der Lipid-Clusterbildung führt zusammen mit der intrinsischen Form der einzelnen Lipidmoleküle zu einer Membrankrümmung.

2. Starres Gerüst[edit]

Ein klassisches Beispiel für die Membranverbiegung durch ein starres Proteingerüst ist Clathrin. Clathrin ist an der zellulären Endozytose beteiligt und wird von spezifischen Signalmolekülen sequestriert. Clathrin kann sich an Adapterproteinkomplexe auf der Zellmembran anlagern, und es polymerisiert zu Gittern, um eine stärkere Krümmung zu erzeugen, was zur Endozytose einer vesikulären Einheit führt. Hüllproteinkomplex I (COP1) und Hüllproteinkomplex II (COPII) folgen einem ähnlichen Mechanismus beim Antreiben der Membrankrümmung.[7] Abbildung EIN zeigt eine Proteinbeschichtung, die eine Krümmung induziert. Wie oben erwähnt, werden Proteine ​​wie Clathrin durch Signalmoleküle an die Membran rekrutiert und fügen sich zu größeren Polymerstrukturen zusammen, die eine starre Struktur bilden, die als Gerüst für die Membran dient. Clathrin bindet an seine Rezeptoren, die in der Membran vorhanden sind.

Ein weiteres Beispiel für Proteinwechselwirkungen, die die Membrankrümmung direkt beeinflussen, ist das der BAR-Domäne (Bin, Amphiphysin, Rvs’). Die BAR-Domäne ist in einer großen Familie von Proteinen vorhanden. Im Verhältnis zur zellulären Lipiddoppelschicht ist diese Domäne starr und weist eine “Bananen”-Form auf. Es wurde postuliert, dass die positiv geladenen Aminosäurereste in der konkaven Region der BAR-Domäne mit den negativ geladenen polaren Kopfgruppen von Lipiden in der Doppelschicht in Kontakt kommen würden, wodurch der Bindungsprozess ermöglicht wird.[3] Beim Binden wird die Krümmung der Membran durch die starre Domäne erhöht.[8] Abbildung B zeigt das Biegen der Membran durch eine bananenförmige BAR-Domäne.

3. Insertion hydrophober Proteinmotive[edit]

Der hydrophobe Teil des Proteins kann beim Einfügen in die Lipiddoppelschicht als “Keil” wirken. Epsin ist ein Beispiel, das diesen Mechanismus nutzt, um die Membranbiegung voranzutreiben. Epsin besitzt mehrere amphipathische Alpha-Helices, die es ihm ermöglichen, sich zwischen dem hydrophoben Kern der Membran und der umgebenden wässrigen, hydrophilen Umgebung aufzuteilen. Ein weiteres interessantes Merkmal von Epsin und anderen membranbindenden Proteinen ist die Tatsache, dass es eine hohe Bindungsaffinität für ein ziemlich häufiges Membranlipid, Phosphatidylinositol 4,5-Bisphosphat (PI-4,5-P2) zeigt.[8] Im Gegensatz zu anderen Proteinen, die die Membran einfach durch ihre Starrheit verbiegen, ist Epsin ein kugelförmiges lösliches Protein und daher nicht starr. Das Einführen seiner Helices in die Membran zwingt die benachbarten Lipide des gebundenen Segels, sich nach lateral auszudehnen. Diese Verdrängung von Lipiden auf nur einem der Blättchen erhöht die Krümmung der Doppelschicht. Abbildung C zeigt die Membranverbiegung durch Insertion hydrophober Proteinteile in die Lipiddoppelschicht.4.

Mechanismen der Krümmungsinduktion durch Proteine

Die Abbildung rechts veranschaulicht die verschiedenen Mechanismen, durch die Proteine ​​die Membrankrümmung unterstützen und/oder induzieren können. In EIN, eine Illustration einer BAR-Domäne, die in einer Reihe von Proteinen vorhanden ist. Die Krümmung wird durch die Form dieser Proteinregion induziert. Diese Domäne bindet durch starke Coulomb-Wechselwirkungen an die Lipiddoppelschicht. Diese Idee wird durch die Existenz positiv geladener Aminosäurereste in der konkaven Region der BAR-Domäne unterstützt.[9] Diese Aminosäuren würden mit den negativ geladenen polaren Kopfgruppen von Lipiden in der Doppelschicht in Kontakt kommen. Dieses Formphänomen wird auch als “Gerüstmechanismus” bezeichnet.

B zeigt eine Proteinbeschichtung, die eine Krümmung induziert. Wie oben erwähnt, werden Proteine ​​wie Clathrin durch Signalmoleküle an die Membran rekrutiert und fügen sich zu größeren Polymerstrukturen zusammen, die eine starre Struktur bilden, die als Gerüst für die Membran dient. Clathrin bindet an seine Rezeptoren, die in der Membran vorhanden sind.

C veranschaulicht einen etwas anderen Mechanismus. In diesem Fall weist das membranbiegende Protein keine intrinsische Starrheit auf. Stattdessen sind sie oft kugelförmig und löslich. Das Protein Epsin ist ein Beispiel. Epsin besitzt eine ENTH-Domäne (Epsin N-terminale Homologie), die seine amphipathische Alpha-Helix in die Membran einfügt. Epsin hat eine hohe Bindungsaffinität für die Membran, wenn PI-4,5-P2 vorhanden ist.[8]

Diese Abbildung veranschaulicht die Membranverbiegung, die durch Protein-Crowding verursacht wird. Wenn eine hohe lokale Konzentration von Proteinen (in Grün dargestellt) auf der Membranoberfläche (in Schwarz dargestellt) vorhanden ist, kann eine Membrankrümmung induziert werden. Diese Hypothese begründete, dass die hohe Proteinkonzentration die Wahrscheinlichkeit von Abstoßungen zwischen Proteinen erhöht und daher einen sterischen Druck zwischen Proteinen erzeugt. Um diesen Druck abzubauen, muss sich die Lipidmembran biegen, um die Proteinabstoßung zu verringern.

4. Protein-Crowding[edit]

Diese Abbildung veranschaulicht die Membranverbiegung, die durch Protein-Crowding verursacht wird. Wenn eine hohe lokale Konzentration von Proteinen (in Grün dargestellt) auf der Membranoberfläche (in Schwarz dargestellt) vorhanden ist, kann eine Membrankrümmung induziert werden. Diese Hypothese begründete, dass die hohe Proteinkonzentration die Wahrscheinlichkeit von Abstoßungen zwischen Proteinen erhöht und daher einen sterischen Druck zwischen Proteinen erzeugt. Um diesen Druck abzubauen, muss sich die Lipidmembran biegen, um die Proteinabstoßung zu verringern.

Der Protein-Crowding-Mechanismus stellt die Hypothese auf, dass Proteine ​​die Membran biegen können, ohne die Membranstrukturen wie die oben genannten Mechanismen direkt zu stören.[10][11] Wenn eine ausreichend hohe lokale Proteinkonzentration auf der Membranoberfläche vorhanden ist, kann die Abstoßung zwischen Proteinmolekülen auf der Membranoberfläche eine Membrankrümmung induzieren.[12] Obwohl der Beitrag dieses Mechanismus unklar bleibt, haben mehrere experimentelle und rechnerische Beweise sein Potenzial beim Biegen von Membranen gezeigt. Eine kürzlich durchgeführte Studie zeigt sogar, dass Protein-Crowding eine Membranverbiegung verursachen und zur Membranspaltung führen kann.[13][14] Diese Studien legen nahe, dass eine hohe lokale Proteinkonzentration die Energiebarriere überwinden kann, um die Lipidmembran zu biegen, und somit zur Membranbiegung beitragen kann.

Verweise[edit]

  1. ^ “Kurvige Biologie”. Die Lipid-Chroniken.
  2. ^ Spivak M. (1970). Eine umfassende Einführung in die Differentialgeometrie. Waltham: Brandeis-Universität.
  3. ^ ein B Martens S, McMahon HT (Juli 2008). „Mechanismen der Membranfusion: unterschiedliche Akteure und gemeinsame Prinzipien“. Natur Bewertungen. Molekulare Zellbiologie. 9 (7): 543–56. mach:10.1038/nrm2417. PMID 18496517. S2CID 706741.
  4. ^ Kamal MM, Mills D, Grzybek M, Howard J (Dezember 2009). „Die Messung der Membrankrümmungspräferenz von Phospholipiden zeigt nur eine schwache Kopplung zwischen Lipidform und Segelkrümmung“. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 106 (52): 22245–50. Bibcode:2009PNAS..10622245K. mach:10.1073/pnas.0907354106. PMC 2797532. PMID 20080790.
  5. ^ Zimmerberg J, Kozlov MM (Januar 2006). „Wie Proteine ​​zelluläre Membrankrümmung erzeugen“. Natur Bewertungen. Molekulare Zellbiologie. 7 (1): 9–19. mach:10.1038/nrm1784. PMID 16365634. S2CID 32515542.
  6. ^ Polishchuk RS, Polishchuk EV, Marra P, Alberti S, Buccione R, Luini A, Mironov AA (Januar 2000). „Korrelative Licht-Elektronen-Mikroskopie zeigt die röhrenförmig-sackförmige Ultrastruktur von Trägern, die zwischen Golgi-Apparat und Plasmamembran operieren“. Die Zeitschrift für Zellbiologie. 148 (1): 45–58. mach:10.1083/jcb.148.1.45. PMC 2156208. PMID 10629217.
  7. ^ Prinz WA, Hinshaw JE (2009-09-25). “Membranbiegende Proteine”. Kritische Reviews in Biochemie und Molekularbiologie. 44 (5): 278–91. mach:10.1080/10409230903183472. PMC 3490495. PMID 19780639.
  8. ^ ein B C Stahelin RV, Long F, Peter BJ, Murray D, De Camilli P, McMahon HT, Cho W (August 2003). “Kontrastende Membranwechselwirkungsmechanismen von AP180 N-terminal Homologie (ANTH) und Epsin N-terminal Homologie (ENTH) Domänen”. Die Zeitschrift für biologische Chemie. 278 (31): 28993–9. mach:10.1074/jbc.M302865200. PMID 12740367.
  9. ^ Zimmerberg J, McLaughlin S (März 2004). “Membrankrümmung: wie BAR-Domänen Doppelschichten biegen”. Aktuelle Biologie. 14 (6): R250-2. mach:10.1016/j.cub.2004.02.060. PMID 15043839.
  10. ^ Stachowiak JC, Schmid EM, Ryan CJ, Ann HS, Sasaki DY, Sherman MB, Geissler PL, Fletcher DA, Hayden CC (September 2012). „Membranbiegung durch Protein-Protein-Crowing“. Natur Zellbiologie. 14 (9): 944–9. mach:10.1038/ncb2561. PMID 22902598. S2CID 11175072.
  11. ^ Stachowiak JC, Hayden CC, Sasaki DY (April 2010). „Sterische Beschränkung von Proteinen auf Lipidmembranen kann Krümmung und Tubulation vorantreiben“. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 107 (17): 7781-6. Bibcode:2010PNAS..107.7781S. mach:10.1073/pnas.0913306107. PMC 2867881. PMID 20385839.
  12. ^ Guigas G, Weiss M (Oktober 2016). “Auswirkungen von Protein-Crowding auf Membransysteme”. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Biomembranen. 1858 (10): 2441–2450. mach:10.1016/j.bbamem.2015.12.021. PMID 26724385.
  13. ^ “UT-Forscher entdecken unbekannten Mechanismus der Membranspaltung”. www.bmes.org. Abgerufen 2018-09-25.
  14. ^ Snead WT, Hayden CC, Gadok AK, Zhao C, Lafer EM, Rangamani P, Stachowiak JC (April 2017). “Membranspaltung durch Protein-Crowding”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 114 (16): E3258–E3267. mach:10.1073/pnas.1616199114. PMC 5402459. PMID 28373566.


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