- Код статьи
- S0233475525020037-1
- DOI
- 10.31857/S0233475525020037
- Тип публикации
- Статья
- Статус публикации
- Опубликовано
- Авторы
- Том/ Выпуск
- Том 42 / Номер выпуска 2
- Страницы
- 117-129
- Аннотация
- Образование сквозных проводящих дефектов – пор в липидном бислое – влияет на множество процессов в живых клетках и может приводить к сильнейшим изменениям в клеточном метаболизме. Порообразование представляет собой сложную топологическую перестройку и происходит в несколько этапов: сначала образуется гидрофобная сквозная пора, затем она перестраивается в гидрофильную пору с искривленной кромкой, расширение которой приводит к разрыву мембраны. Формирование поры не происходит спонтанно, так как требует значительных затрат энергии, связанных с деформацией мембраны. Эволюция системы связана с преодолением одного или двух энергетических барьеров, соотношение высот которых влияет на стабильность поры и вероятность ее образования. Мы исследуем влияние кривизны мембраны на высоту энергетического барьера перехода поры в метастабильное гидрофильное состояние. Мы применяем теорию упругости липидных мембран и обобщаем модель порообразования в плоских мембранах на случай произвольной кривизны. Мы показываем, что барьер на порообразование уменьшается на 8 kBT при уменьшении радиуса кривизны с 1000 до 10 нм, что облегчает формирование метастабильной поры. Полученные нами результаты согласуются с экспериментальными данными и могут применяться при моделировании сложных процессов, происходящих в искривленных участках мембран живых клеток.
- Ключевые слова
- липидная мембрана теория упругости порообразование кривизна гидрофобные дефекты
- Дата публикации
- 17.09.2025
- Год выхода
- 2025
- Всего подписок
- 0
- Всего просмотров
- 16
Библиография
- 1. Watson H. 2015. Biological membranes. Essays Biochem. 59, 43–69.
- 2. Casares D., Escribá P. V., Rosselló C. A. 2019. Membrane lipid composition: Effect on membrane and organelle structure, function and compartmentalization and therapeutic avenues. Int. J. Mol. Sci. 20, 2167.
- 3. Xu J., Huang X. 2020. Lipid metabolism at membrane contacts: Dynamics and functions beyond lipid homeostasis. Front. Cell Dev. Biol. 8, 615856.
- 4. Ammendolia D.A., Bement W.M., Brumell J.H. 2021. Plasma membrane integrity: Implications for health and disease. BMC Biol. 19, 71.
- 5. Kulkarni C.V. 2012. Lipid crystallization: From self-assembly to hierarchical and biological ordering. Nanoscale. 4, 5779.
- 6. Subczynski W.K., Wisniewska A., Yin J.-J., Hyde J.S., Kusumi A. 1994. Hydrophobic barriers of lipid bilayer membranes formed by reduction of water penetration by alkyl chain unsaturation and cholesterol. Biochemistry. 33, 7670–7681.
- 7. Kilinc D., Gallo G., Barbee K. A. 2008. Mechanically-induced membrane poration causes axonal beading and localized cytoskeletal damage. Exp. Neurol. 212, 422–430.
- 8. Khandelia H., Ipsen J.H., Mouritsen O.G. 2008. The impact of peptides on lipid membranes. Biochim. Biophys. Acta – Biomembr. 1778, 1528–1536.
- 9. Agner G., Kaulin Y.A., Schagina L.V., Takemoto J.Y., Blasko K. 2000. Effect of temperature on the formation and inactivation of syringomycin E pores in human red blood cells and bimolecular lipid membranes. Biochim. Biophys. Acta - Biomembr. 1466, 79–86.
- 10. Runas K.A., Malmstadt N. 2015. Low levels of lipid oxidation radically increase the passive permeability of lipid bilayers. Soft Matter. 11, 499–505.
- 11. Van der Paal J., Neyts E.C., Verlackt C.C. W., Bogaerts A. 2016. Effect of lipid peroxidation on membrane permeability of cancer and normal cells subjected to oxidative stress. Chem. Sci. 7, 489–498.
- 12. Mulvihill E., Sborgi L., Mari S.A., Pfreundschuh M., Hiller S., Müller D.J. 2018. Mechanism of membrane pore formation by human gasdermin‐D. EMBO J. 37, e98321.
- 13. Westman J., Hube B., Fairn G.D. 2019. Integrity under stress: Host membrane remodelling and damage by fun-gal pathogens. Cell. Microbiol. 21, e13016.
- 14. Yang N.J., Hinner M.J. 2015. Getting across the cell membrane: An overview for small molecules, peptides, and proteins. Site-Specific Protein Labeling: Methods and Protocols. 29–53.
- 15. Cohen F.S., Melikyan G.B. 2004. The energetics of membrane fusion from binding, through hemifusion, pore formation, and pore enlargement. J. Membr. Biol. 199, 1–14.
- 16. Mehier-Humbert S., Bettinger T., Yan F., Guy R.H. 2005. Plasma membrane poration induced by ultrasound exposure: Implication for drug delivery. J. Control. Release. 104, 213–222.
- 17. Basañez G., Soane L., Hardwick J.M. 2012. A new view of the lethal apoptotic pore. PLoS Biol. 10, e1001399.
- 18. Flores‐Romero H., Ros U., Garcia‐Saez A.J. 2020. Pore formation in regulated cell death. EMBO J. 39, e105753.
- 19. Akimov S.A., Aleksandrova V.V., Galimzyanov T.R., Bashkirov P.V., Batishchev O.V. 2017. Mechanism of pore formation in stearoyl-oleoyl-phosphatidylcholine membranes subjected to lateral tension. Biochem. (Mos-cow), Suppl. Ser. A Membr. Cell Biol. 11, 193–205.
- 20. Hub J.S., Awasthi N. 2017. Probing a continuous polar defect: A reaction coordinate for pore formation in lipid membranes. J. Chem. Theory Comput. 13, 2352–2366.
- 21. Akimov S.A., Volynsky P.E., Galimzyanov T.R., Kuzmin P.I., Pavlov K.V., Batishchev O.V. 2017. Pore formation in lipid membrane I: Continuous reversible trajectory from intact bilayer through hydrophobic defect to transversal pore. Sci. Rep. 7, 12152.
- 22. Abidor I.G., Arakelyan V.B., Chernomordik L.V., Chizmadzhev Y.A., Pastushenko V.F., Tarasevich M.P. 1979. Electric breakdown of bilayer lipid membranes. J. Electroanal. Chem. Interfacial Electrochem. 104, 37–52.
- 23. Akimov S.A., Volynsky P.E., Galimzyanov T.R., Kuzmin P.I., Pavlov K.V., Batishchev O.V. 2017. Pore formation in lipid membrane II: Energy landscape under external stress. Sci. Rep. 7, 12509.
- 24. Evans E., Heinrich V., Ludwig F., Rawicz W. 2003. Dynamic tension spectroscopy and strength of biomem-branes. Biophys. J. 85, 2342–2350.
- 25. Frolov V.A., Zimmerberg J. 2010. Cooperative elastic stresses, the hydrophobic effect, and lipid tilt in membrane remodeling. FEBS Lett. 584, 1824–1829.
- 26. Fujii S., Matsuura T., Yomo T. 2015 Membrane curvature affects the formation of α-hemolysin nanopores. ACS Chem. Biol. 10, 1694–1701.
- 27. Tabaei S.R., Rabe M., Zhdanov V.P., Cho N.-J., Höök F. 2012. Single vesicle analysis reveals nanoscale mem-brane curvature selective pore formation in lipid membranes by an antiviral α-helical peptide. Nano Lett. 12, 5719–5725.
- 28. Bassereau P., Jin R., Baumgart T., Deserno M., Dimova R., Frolov V.A., Bashkirov P.V., Grubmüller H., Jahn R., Risselada H.J., Johannes L., Kozlov M.M., Lipowsky R., Pucadyil T.J, Zeno W.F., Stachowiak J.C., Stamou D., Breuer A., Lauritsen L., Simon C., Sykes C., Voth G. A., Weikl T.R. 2018. The 2018 biomembrane curvature and remodeling roadmap. J. Phys. D. Appl. Phys. 51, 343001.
- 29. Hamm M., Kozlov M.M. 2000. Elastic energy of tilt and bending of fluid membranes. Eur. Phys. J. E 3, 323–335.
- 30. Kuzmin P.I., Zimmerberg J., Chizmadzhev Y.A., Cohen F.S. 2001. A quantitative model for membrane fusion based on low-energy intermediates. Proc. Natl. Acad. Sci. 98, 7235–7240.
- 31. Shnyrova A.V., Bashkirov P.V., Akimov S.A., Pucadyil T.J., Zimmerberg J., Schmid S.L., Frolov V.A. 2013. Geometric catalysis of membrane fission driven by flexible dynamin rings. Science, 339, 1433–1436.
- 32. Zucker B., Kozlov M.M. 2022. Mechanism of shaping membrane nanostructures of endoplasmic reticulum. Proc. Natl. Acad. Sci. 119, e2116142119.
- 33. McMahon H. T., Kozlov M.M., Martens S. 2010. Membrane curvature in synaptic vesicle fusion and beyond. Cell 140, 601–605.
