Теоретическое исследование начальной стадии белок-индуцированного слияния мембран

• Автор: Молотковский, Родион Юлианович
• Шифр специальности: 03.01.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 130 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Часть I. Обзор литературы
Глава 1. Слияние мембран
Глава 2. Механика мембран и ее приложения
Часть II. Форма мембраны в приближении кольцевой розетки слияния
Глава 1. Постановка задачи
Глава 2. Изменение формы и кривизны мембраны под действием белков,
индуцирующих спонтанную кривизну, с учетом одной деформационной моды
Глава 3. Изменение формы и кривизны мембраны под действием белков,
индуцирующих спонтанную кривизну, при учете двух деформационных мод
Часть III. Вычисление высоты энергетического барьера формирования сталка
Глава 1. Введение
Г лава 2. Зависимость высоты энергетического барьера формирования сталка от 66 числа белков в кольце Г лава 3 Зависимость высоты энергетического барьера формирования сталка от 79 начальной кривизны мембраны
Часть IV. Формирование розетки белков слияния
Глава 1. Введение
Глава 2 Стабилизация розетки слияния из нескольких белков
Глава 3 Стабилизация розетки белков слияния по радиусу
Часть V. Вычисление линейного натяжения кромки поры
Заключение
Выводы
Список сокращений
Список публикаций
Список литературы

Введение
Процесс слияния мембран играет важнейшую роль во многих биологических процессах, таких как экзоцитоз, оплодотворение, секреция, синаптическая передача, вирусное слияние и др. (Evered and Whelan, 1984). На основании экспериментальных данных, полученных при исследовании слияния in vitro, была предложена концепция, согласно которой слияние мембран происходит в несколько этапов, ключевым из которых является формирование сталка — структуры, в которой контактирующие монослои мембран уже слились, а дистальные монослои — еще нет (Kozlov and Markin, 1983; Markin et al., 1984). Для того чтобы в системе из двух мембран образовался сталк, мембранам необходимо преодолеть энергетический барьер, связанный с деформацией и гидратационным отталкиванием. Теоретические оценки, проведенные в ряде работ, показывают, что высота барьера как минимум на порядок превышает энергию, характерную для тепловых флуктуаций (Kuzmin et al., 2001; Efrat et al., 2006). Это означает, что без дополнительного воздействия мембраны в живых системах не сольются за физически разумное время (несколько секунд). В биологических системах такое внешнее воздействие осуществляют специфические белки, называемые белками слияния. Белки слияния содержат домены, внедренные в обе сливающиеся мембраны, и воздействуют на мембраны для понижения высоты барьера. В настоящее время выдвинуты две гипотезы относительно механизма понижения высоты барьера. Согласно первому механизму, белки слияния индуцируют в мембране ненулевую спонтанную кривизну, что приводит к ее искривлению. Согласно второму механизму, белковый комплекс изменяет свою конформацию и стягивает друг с другом домены, находящиеся в разных мембранах, в результате чего мембраны стягиваются и сливаются. Несмотря на большое число экспериментальных и теоретических работ, посвященных исследованию белков слияния (Martens and McMahon, 2008; Chemomordik and Kozlov, 2008; Sudhof and Rothman, 2009), детальный механизм их функционирования до сих пор не выяснен. В частности, неясен относительный вклад двух механизмов — индуцирования спонтанной кривизны и прямого стягивания мембран — в обеспечение плотного контакта сливающихся мембран. Выяснение механизма функционирования белков слияния представляет одну из важнейших задач биофизики мембран, поскольку это позволяет определить возможные способы воздействия на эти белки. В частности, появляется возможность определить способы блокирования начальной стадии вирусного слияния. Это обуславливает актуальность теоретического исследования данного явления.

Высота энергетического барьера формирования станка определяет скорость течения всего процесса слияния. Поскольку слияние мембран в живых системах происходит относительно быстро, энергетический барьер должен быть достаточно мал. Таким образом, вопрос о высоте энергетического барьера для перехода системы в состояние сталка и о влиянии на нее белков слияния является ключевым для описания слияния мембран в биологических системах.

^(Д-Д^ДД-Д,), Д (Д — Д ) = .Д (Д, —До),
(2.2.13)
^2 (Л + ^о) — ^г(^1 +йо)>
7Д(Д+Д) = ^2(Д+Д), ^2 (Л + Д ) = Д ( Д + Д )■
На границе третьей зоны со сферой также ставятся условия непрерывности трех функций й(г), Лг(г) и Д>) с учетом геометрии сферы. Значение функции /г(г) в точке сшивки мембраны III зоны со сферой принимается за начало отсчета, т.е. считается, что Д(Дг)= 0. Таким образом:
Из граничных условий (2.2.13-2.2.14) находятся девять неопределенных коэффициентов из десяти. Подстановка решений в функционал (2.2.5) дает зависимость энергии от оставшегося неопределенного коэффициента. В силу квадратичной зависимости энергии от кривизны, она является квадратичной формой на неопределенных коэффициентах, что позволяет аналитически минимизировать энергию по последнему коэффициенту. Кроме того, проводится численная минимизация энергии по радиусу сшивки Д2 мембраны со сферой. Фактически это означает релаксацию формы мембраны. Таким образом, находится равновесная форма и энергия мембраны с заданными геометрическими параметрами. Все получаемые формулы аналитические, однако они довольно громоздкие. По этой причине результаты представляются ниже графически, на этих рисунках строится зависимость формы мембраны от радиуса. При этом для удобства положение мембраны отсчитывается от ее положения в невозмущенном сферическом состоянии, согласно выражению:
^(Д2) = о,
(2.2.14)
Я(г) = Д(г)-Л/Дс2-г2+^ Д2-Д2.
Получающаяся выпуклость характеризуется своей высотой и кривизной. Высота выпуклости определяется как положение мембраны Н(г) при г = 0, т.е.