Войти
Слияние мембран - ключевой биофизический процесс, необходимый для функционирования самой жизни. Он определяется как событие, когда два липидных бислоя сближаются друг с другом, а затем сливаются, образуя единую непрерывную структуру. У живых существ клетки состоят из внешней оболочки, состоящей из липидных бислоев; которые затем вызывают слияние в таких событиях, как оплодотворение, эмбриогенез и даже заражение различными типами бактерий и вирусов. Поэтому это чрезвычайно важное событие для изучения. С эволюционной точки зрения синтез - явление чрезвычайно контролируемое. Случайное слияние может привести к серьезным проблемам с нормальным функционированием человеческого тела. Слияние биологических мембран опосредуется белками. Независимо от сложности системы, слияние по существу происходит из-за взаимодействия различных межфазных сил, а именно гидратационного отталкивания, гидрофобного притяжения и сил Ван-дер-Ваальса.
Липидные бислои представляют собой структуры липидных молекул, состоящих из гидрофобного хвоста и гидрофильной головной группы. Следовательно, эти структуры испытывают все характерные межслойные силы, задействованные в этом режиме.
Два гидратированных бислоя испытывают сильное отталкивание при приближении друг к другу. Эти силы были измерены с помощью прибора для поверхностных сил (S.F.A), прибора, используемого для измерения сил между поверхностями. Это отталкивание было впервые предложено Ленгмюром, и считалось, что оно возникает из-за молекул воды, которые гидратируют бислои. Таким образом, гидрационное отталкивание можно определить как работу, необходимую для удаления молекул воды вокруг гидрофильных молекул (например, липидных головных групп) в двухслойной системе. Поскольку молекулы воды имеют сродство к гидрофильным головным группам, они пытаются расположиться вокруг головных групп липидных молекул, и становится очень трудно разделить эту благоприятную комбинацию.
Эксперименты, проведенные с помощью SFA, подтвердили, что природа этой силы - экспоненциальное снижение. потенциал VRопределяется как
![{\ displaystyle V_ {R} = C_ {R} \ cdot \ exp \! \ Left [{- z \ over \ lambda _ {R}} \ right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/70b7f62805544db5286947b08d64ea6fe3032b80)
где C R (>0) - мера энергии гидратационного взаимодействия для гидрофильных молекул данной системы, λ R - характерный масштаб гидратного отталкивания, а z - расстояние разделения. Другими словами, именно на расстояниях до этой длины молекулы / поверхности полностью испытывают это отталкивание.
Гидрофобные силы - это притягивающие энтропийные силы между любыми двумя гидрофобными группами в водной среде, например силы между двумя длинными углеводородными цепями в водных растворах. Величина этих сил зависит от гидрофобности взаимодействующих групп, а также от расстояния, разделяющего их (обнаружено, что они уменьшаются примерно по экспоненте с расстоянием). Физическое происхождение этих сил является обсуждаемым вопросом, но было обнаружено, что они имеют большой диапазон и являются самыми сильными среди всех сил физического взаимодействия, действующих между биологическими поверхностями и молекулами. Из-за своей природы большого радиуса действия они ответственны за быструю коагуляцию гидрофобных частиц в воде и играют важную роль в различных биологических явлениях, включая складывание и стабилизацию макромолекул, таких как белки и слияние клеточные мембраны.
Потенциал V A определяется выражением
![{\ displaystyle V_ {A} = C_ {A} \ cdot \ exp \! \ Left [{- z \ over \ lambda _ {A}} \ right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/2d3506b75d28eaf258daa890e7c062d75ad0a905)
где C A(<0) is a measure of the hydrophobic interaction energy for the given system, λA- характерный масштаб гидрофобного притяжения, а z - расстояние разделения.
Эти силы возникают из-за диполь-дипольных взаимодействий (индуцированных / постоянных) между молекулами бислоев. По мере приближения молекул эта сила притяжения возникает из-за упорядочения этих диполей; как в случае магнитов, которые выравниваются и притягиваются друг к другу при приближении. Это также означает, что любая поверхность будет испытывать притяжение Ван-дер-Ваальса. В бислоях форма, принимаемая потенциалом взаимодействия Ван-дер-Ваальса V VDW, имеет вид
где H - постоянная Гамакера, а D и z - толщина бислоев и расстояние разделения соответственно.
Для того, чтобы слияние произошло, оно должно преодолеть огромные силы отталкивания из-за сильного гидратационного отталкивания между головными группами гидрофильных липидов. Однако было трудно точно определить связь между адгезией, слиянием и межслойными силами. Силы, которые способствуют адгезии клеток, не такие же, как те, которые способствуют слиянию мембран. Исследования показывают, что создавая напряжение на взаимодействующих бислоев, слияние может быть достигнуто без нарушения межслойных взаимодействий. Также было высказано предположение, что слияние мембран происходит посредством последовательности структурных перестроек, которые помогают преодолеть барьер, предотвращающий слияние. Таким образом, межслойное слияние происходит посредством
Когда два липидных бислоя приближаются друг к другу, они испытывают слабые силы Ван-дер-Ваальса притяжения и гораздо более сильные силы отталкивания из-за гидратационного отталкивания. Эти силы обычно преобладают над гидрофобными силами притяжения между мембранами. Исследования, проведенные на двухслойных мембранах с использованием устройства поверхностных сил (SFA), показывают, что слияние мембран может происходить мгновенно, когда два бислоя все еще находятся на конечном расстоянии друг от друга, и им не нужно преодолевать ближний барьер силы отталкивания. Это объясняется молекулярными перестройками, которые происходят в результате обхода этих сил мембранами. Во время слияния гидрофобные хвосты небольшого участка липидов на клеточной мембране подвергаются воздействию окружающей их водной фазы. Это приводит к очень сильному гидрофобному притяжению (которое доминирует над силой отталкивания) между экспонируемыми группами, что приводит к слиянию мембран. Силы притяжения Ван-дер-Ваальса играют незначительную роль в слиянии мембран. Таким образом, слияние является результатом гидрофобного притяжения между группами внутренней углеводородной цепи, которые подвергаются обычно недоступной водной среде. Слияние начинается в тех точках на мембранах, где мембранные напряжения либо самые слабые, либо самые сильные.
Межслойные силы играют ключевую роль в обеспечении слияния мембран, что имеет чрезвычайно важное значение. биомедицинские приложения.
