1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Биологические мембраны: Журнал мембранной и клеточной биологии
  4. T. 39, № 3, 2022

Биологические мембраны: Журнал мембранной и клеточной биологии, 2022, T. 39, № 3, стр. 186-194

Латеральное взаимодействие цилиндрических трансмембранных пептидов в одномерном приближении

О. В. Кондрашов a, С. А. Акимов a, *

a Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН
119071 Москва, Россия

* E-mail: akimov_sergey@mail.ru

Поступила в редакцию 12.01.2022
После доработки 03.03.2022
Принята к публикации 04.03.2022

Аннотация

Различные мембранные включения могут индуцировать деформации бислойных липидных мембран. Характерная длина распространения деформаций по мембране составляет несколько нанометров. Перекрывание деформаций, индуцированных различными мембранными включениями, приводит к их эффективному латеральному взаимодействию. Энергия взаимодействия может быть рассчитана в рамках адекватной теории упругости. Однако практически такой расчет может быть проведен в аналитическом виде только для эффективно одномерных систем, например, обладающих трансляционной или вращательной симметрией. В общем случае систем с низкой симметрией задача аналитически не решается. Мы теоретически рассмотрели взаимодействие двух цилиндрических трансмембранных пептидов, опосредованное деформациями мембраны. Энергии взаимодействия были получены путем численной минимизации функционала упругой энергии. Кроме того, мы рассчитали энергии взаимодействия в одномерном приближении, предполагая, что система обладает трансляционной симметрией. Было показано, что одномерное приближение достаточно хорошо воспроизводит результаты точного численного расчета в липидных бислоях различной толщины и жесткости.

Ключевые слова: липидная мембрана, теория упругости, трансмембранный пептид, латеральное взаимодействие

Список литературы

  1. Kozlovsky Y., Kozlov M.M. 2003. Membrane fission: Model for intermediate structures. Biophys. J. 85, 85–96.

  2. Martens S., Kozlov M.M., McMahon H.T. 2007. How synaptotagmin promotes membrane fusion. Science. 316, 1205–1208.

  3. Chernomordik L., Kozlov M.M., Zimmerberg J. 1995. Lipids in biological membrane fusion. J. Membr. Biol. 146, 1–14.

  4. Kozlovsky Y., Kozlov M.M. 2002. Stalk model of membrane fusion: Solution of energy crisis. Biophys. J. 82, 882–895.

  5. Pannuzzo M., McDargh Z.A., Deserno M. 2018. The role of scaffold reshaping and disassembly in dynamin driven membrane fission. Elife. 7, e39441.

  6. Kozlovsky Y., Chernomordik L.V., Kozlov M.M. 2002. Lipid intermediates in membrane fusion: Formation, structure, and decay of hemifusion diaphragm. Biophys. J. 83, 2634–2651.

  7. Helfrich W. 1973. Elastic properties of lipid bilayers: Theory and possible experiments. Z. Naturforsch. C. 28, 693–703.

  8. Hamm M., Kozlov M.M. 2000. Elastic energy of tilt and bending of fluid membranes. Eur. Phys. J. E. 3, 323–335.

  9. Terzi M.M., Deserno M. 2017. Novel tilt-curvature coupling in lipid membranes. J. Chem. Phys. 147, 084702.

  10. Pinigin K.V., Kuzmin P.I., Akimov S.A., Galimzyanov T.R. 2020. Additional contributions to elastic energy of lipid membranes: Tilt-curvature coupling and curvature gradient. Phys. Rev. E. 102, 042406.

  11. Kondrashov O.V., Galimzyanov T.R., Pavlov K.V., Kotova E.A., Antonenko Y.N., Akimov S.A. 2018. Membrane elastic deformations modulate gramicidin A transbilayer dimerization and lateral clustering. Biophys. J. 115, 478–493.

  12. Kondrashov O.V., Galimzyanov T.R., Jiménez-Munguía I., Batishchev O.V., Akimov S.A. 2019. Membrane-mediated interaction of amphipathic peptides can be described by a one-dimensional approach. Phys. Rev. E. 99, 022401.

  13. Perrin Jr. B.S., Fu R., Cotten M.L., Pastor R.W. 2016. Simulations of membrane-disrupting peptides II: AMP piscidin 1 favors surface defects over pores. Biophys. J. 111, 1258–1266.

  14. Chen C.H., Wiedman G., Khan A., Ulmschneider M.B. 2014. Absorption and folding of melittin onto lipid bilayer membranes via unbiased atomic detail microsecond molecular dynamics simulation. Biochim. Biophys. Acta. 1838, 2243–2249.

  15. Bories F., Constantin D., Galatola P., Fournier J.B. 2018. Coupling between inclusions and membranes at the nanoscale. Phys. Rev. Lett. 120, 128104.

  16. Lin X., Gorfe A.A., Levental I. 2018. Protein partitioning into ordered membrane domains: Insights from simulations. Biophys. J. 114, 1936–1944.

  17. Park S., Yeom M.S., Andersen O.S., Pastor R.W., Im W. 2019. Quantitative characterization of protein–lipid interactions by free energy simulation between binary bilayers. J. Chem. Theor. Comput. 15, 6491–6503.

  18. Молотковский Р.Ю., Акимов С.А. 2009. Расчет линейного натяжения в различных моделях кромки поры в липидном бислое. Биол. мембраны. 26, 149–158.

  19. Карпунин Д.В., Акимов С.А., Фролов В.А. 2005. Формирование пор в плоских липидных мембранах, содержащих лизолипиды и холестерин. Биол. мембраны. 22, 429–432.

  20. Israelachvili J. 2011. Intermolecular and Surface Forces. New York: Academic Press, ISBN 9 780 123 919 274.

  21. Nagle J.F., Wilkinson D.A. 1978. Lecithin bilayers. Density measurement and molecular interactions. Biophys. J. 23, 159–175.

  22. Kondrashov O.V., Akimov S.A. 2022. Regulation of antimicrobial peptide activity via tuning deformation fields by membrane-deforming inclusions. Int. J. Mol. Sci. 23, 326.

  23. Rawicz W., Olbrich K.C., McIntosh T., Needham D., Evans E. 2000. Effect of chain length and unsaturation on elasticity of lipid bilayers. Biophys. J. 79, 328–339.

  24. Hu M., de Jong D.H., Marrink S.J., Deserno M. 2013. Gaussian curvature elasticity determined from global shape transformations and local stress distributions: A comparative study using the MARTINI model. Faraday Discuss. 161, 365–382.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Биологические мембраны: Журнал мембранной и клеточной биологии

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал