On the role of anisotropy of membrane constituents on the elastic properties of highly curved lipid membranes : doctoral thesis

angleški

doktorska dela

2017

Biološke membrane   biomembranes   Disertacije   inverted hexagonal phase   invertna heksagonalna faza   lipid anisotropy   lipidna anizotropija   membrane nanotubes   membrane protein sorting   membranske nanocevke   paličasti proteini   rod-like proteins   rotacijsko povprečje   rotational averaging   sortiranje membranskih proteinov

Univerza v Mariboru, Fakulteta za naravoslovje in matematiko

Biološke membrane predstavljajo eno izmed najbolj pomembnih struktur v celicah. Sestavljene so iz različnih vrst proteinov, peptidov in ogljikovih hidratov, ki plavajo v lipidni dvojni plasti. Zelo pomembna lastnost lipidne membrane, ki vpliva na njene mehanizme, je elastičnost. Anizotropija je bila vključena v opis membrane preko upoštevanja deviatorja ukrivljenosti namesto Gaussove ukrivljenosti in kasneje tudi z vpeljavo orientacijskega reda anizotropnih komponent. Anizotropne komponente membrane imajo dve različni lastni/notranji ukrivljenosti. Stabilnost močno ukrivljenih struktur, kot so na primer tubularne strukture, ki rastejo iz matičnega vezikla, membranske pore, membranske brsti in nelamelare faze, še niso popolnoma razložene, saj teorije, ki upoštevajo samo izotropne membranske komponente, ne zadostujejo. Doktorska disertacija je orientirana teoretično. V njej smo se potrudili pokazati, da lahko stabilnost močno ukrivljenih membranskih struktur razložimo s upoštevanjem anizotropije membranskih komponent. Za predmet naših raziskav smo izbrali dve strukturi: invertno heksagonalno lipidno fazo in dolge tanke membranske cevke lipidnih veziklov, ki predstavljata tipična primera močno ukrivljenih lipidnih membran. Prvi del doktorske disertacije se osredotoča na iskanje stabilnih oblik invertne heksagonalne faze in na vrednosti elastičnih parametrov v tej fazi (lastna ukrivljenost in natezna trdnost lipidnih verig) v odvisnosti od temperature. V ta namen smo vpeljali teoretični model, v katerem smo obravnavali lipidne molekule kot anizotropne klinaste delce, lipidne verige pa še dodatno kot prožne vzmeti. Upoštevali smo tudi, da je presek invertne heksagonalne faze različen od popolnega kroga. Stabilne oblike smo določili z numerično minimizacijo proste energije lipidne membrane. Prosto energijo membrane invertne heksagonalne faze smo izpeljali na podlagi metod statistične fizike, kjer smo upoštevali možnost vertikalne rotacije anizotropnih fosfolipidnih molekul z vpeljavo povprečnega orientacijskega reda. Iz minimizacije proste energije invertne heksagonalne faze smo dobili stabilne oblike preseka, ki so bili vmes med ostro heksagonalo in povsem okroglo obliko. Naše izračunane oblike so se zelo dobro ujemale z eksperimentalnim. Na podlagi primerjav naših izračunov z eksperimentalnimi rezultati smo določili možne vrednosti elastičnih parametrov lipidne membrane v invertni heksagonalni fazi. V drugem delu doktorske disertacije so nas zanimali mehanizmi stabilizacije tubularnih lipidnih struktur, ki rastejo iz lipidnih veziklov zaradi adhezije ukrivljenih paličastih proteinov. Te proteine smo obravnavali kot fleksibilne delce s podobno upogibno trdostjo, kot je upogibna trdnost membrane, ko so močno vezani na površino membrane. Izpeljali smo teorijo, ki vsebuje elastično energijo membrane ter elastično energijo na površino membrane adheziranih anizotropnih proteinov in njihov entropijski prispevek. Izračunali smo prosto energijo ter razporeditev proteinov za različne premere membranskih cevk in različne lastne ukrivljenosti proteinov. Rezultate smo kvalitativno primerjali z že objavljenimi eksperimentalnimi rezultati na celičnih membranah in na veziklih. Z našimi teoretičnimi modeli smo pokazali, da so lahko zelo ukrivljene membranske strukture, kot je invertna hexagonalna faza ali tanke valjaste membranske strukture, stabilne zaradi anizotropije njihovih gradnikov (fosolipidi, proteini ali proteinske domene). Z upoštevanjem orientacijske entropije se prosta energija membrane z anizotropnimi delci bistveno zniža, zato se struktura mehansko stabilizira. Brez upoštevanja anizotropije delcev prosta energija v takih strukturah ne bi imela minimuma.

08.08.2023