Forces inter-couches dans la fusion membranaire - Interbilayer forces in membrane fusion
La fusion membranaire est un processus biophysique clé qui est essentiel au fonctionnement de la vie elle-même. Il est défini comme l'événement où deux bicouches lipidiques s'approchent l'une de l'autre puis fusionnent pour former une seule structure continue. Chez les êtres vivants, les cellules sont constituées d'une couche externe faite de bicouches lipidiques; qui provoquent alors la fusion lors d'événements tels que la fécondation , l' embryogenèse et même les infections par divers types de bactéries et de virus . C'est donc un événement extrêmement important à étudier. D'un point de vue évolutif, la fusion est un phénomène extrêmement contrôlé. La fusion aléatoire peut entraîner de graves problèmes pour le fonctionnement normal du corps humain. La fusion des membranes biologiques est médiée par des protéines . Indépendamment de la complexité du système, la fusion se produit essentiellement en raison de l'interaction de diverses forces interfaciales, à savoir la répulsion d'hydratation, l'attraction hydrophobe et les forces de van der Waals .
Forces inter-bicouches
Les bicouches lipidiques sont des structures de molécules lipidiques constituées d'une queue hydrophobe et d'un groupe de tête hydrophile . Par conséquent, ces structures font l'expérience de toutes les forces Interbilayer caractéristiques impliquées dans ce régime.
Répulsion d'hydratation
Deux bicouches hydratées subissent une forte répulsion lorsqu'elles s'approchent l'une de l'autre. Ces forces ont été mesurées à l'aide de l' appareil des forces de surface (SFA), un instrument utilisé pour mesurer les forces entre les surfaces. Cette répulsion a été proposée pour la première fois par Langmuir et on pensait qu'elle provenait de molécules d'eau qui hydratent les bicouches. La répulsion d'hydratation peut donc être définie comme le travail requis pour éliminer les molécules d'eau autour des molécules hydrophiles (comme les groupes de tête lipidique ) dans le système bicouche. Comme les molécules d'eau ont une affinité pour les groupes de tête hydrophiles , elles essaient de s'organiser autour des groupes de tête des molécules lipidiques et il devient très difficile de séparer cette combinaison favorable.
Les expériences réalisées par SFA ont confirmé que la nature de cette force est une baisse exponentielle. Le potentiel V R est donné par
![{\ displaystyle V_ {R} = C_ {R} \ cdot \ exp \! \ left [{- z \ over \ lambda _ {R}} \ right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/70b7f62805544db5286947b08d64ea6fe3032b80)
où C R (> 0) est une mesure de l'énergie d'interaction d'hydratation pour les molécules hydrophiles du système donné, λ R est une échelle de longueur caractéristique de répulsion d'hydratation et z est la distance de séparation. En d'autres termes, c'est sur des distances allant jusqu'à cette longueur que les molécules / surfaces éprouvent pleinement cette répulsion.
Attraction hydrophobe
Les forces hydrophobes sont les forces entropiques attractives entre deux groupes hydrophobes quelconques dans des milieux aqueux, par exemple les forces entre deux longues chaînes hydrocarbonées dans des solutions aqueuses. L'ampleur de ces forces dépend de l' hydrophobicité des groupes en interaction ainsi que de la distance qui les sépare (on constate qu'elles décroissent à peu près exponentiellement avec la distance). L'origine physique de ces forces est une question débattue, mais elles se sont avérées être à long terme et sont les plus fortes parmi toutes les forces d'interaction physique opérant entre les surfaces biologiques et les molécules. En raison de leur nature à longue distance, ils sont responsables de la coagulation rapide des particules hydrophobes dans l'eau et jouent un rôle important dans divers phénomènes biologiques, notamment le repliement et la stabilisation des macromolécules telles que les protéines et la fusion des membranes cellulaires.
Le potentiel V A est donné par
![{\ displaystyle V_ {A} = C_ {A} \ cdot \ exp \! \ left [{- z \ over \ lambda _ {A}} \ right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/2d3506b75d28eaf258daa890e7c062d75ad0a905)
où C A (<0) est une mesure de l'énergie d'interaction hydrophobe pour le système donné, λ A est une échelle de longueur caractéristique d'attraction hydrophobe et z est la distance de séparation.
forces de van der Waals dans les bicouches
Ces forces sont dues aux interactions dipôle-dipôle (induites / permanentes) entre les molécules de bicouches. Au fur et à mesure que les molécules se rapprochent, cette force d'attraction apparaît en raison de l'ordre de ces dipôles; comme dans le cas des aimants qui s'alignent et s'attirent à mesure qu'ils s'approchent. Cela implique également que toute surface connaîtrait une attraction van der waals. Dans les bicouches, la forme prise par le potentiel d'interaction de van der Waals V VDW est donnée par
où H est la constante de Hamaker et D et z sont respectivement l'épaisseur des bicouches et la distance de séparation.
Contexte
Pour que la fusion ait lieu, elle doit surmonter d'énormes forces de répulsion dues à la forte répulsion d'hydratation entre les groupes de tête lipidiques hydrophiles . Cependant, il a été difficile de déterminer exactement la connexion entre les forces d' adhésion , de fusion et entre les couches. Les forces qui favorisent l'adhésion cellulaire ne sont pas les mêmes que celles qui favorisent la fusion membranaire. Des études montrent qu'en créant une contrainte sur les bicouches en interaction, la fusion peut être réalisée sans perturber les interactions entre les couches. Il a également été suggéré que la fusion membranaire a lieu à travers une séquence de réarrangements structurels qui aident à surmonter la barrière qui empêche la fusion. Ainsi, la fusion entre les couches a lieu à travers
- approche locale de la membrane
- réarrangements structurels entraînant la suppression des forces de répulsion d' hydratation
- fusion complète pour former une seule entité
Interactions entre les couches lors de la fusion membranaire
Lorsque deux bicouches lipidiques se rapprochent, elles subissent de faibles forces d'attraction de van der Waals et des forces de répulsion beaucoup plus fortes en raison de la répulsion de l'hydratation. Ces forces sont normalement dominantes sur les forces d'attraction hydrophobes entre les membranes. Des études effectuées sur des bicouches membranaires à l'aide de l' appareil à forces de surface (SFA) indiquent que la fusion membranaire peut se produire instantanément lorsque deux bicouches sont toujours à une distance finie l'une de l'autre sans qu'elles aient à surmonter la barrière de force répulsive à courte portée. Ceci est attribué aux réarrangements moléculaires qui se produisent entraînant le contournement de ces forces par les membranes. Lors de la fusion, les queues hydrophobes d'un petit patch de lipides sur la membrane cellulaire sont exposées à la phase aqueuse qui les entoure. Il en résulte des attractions hydrophobes très fortes (qui dominent la force de répulsion) entre les groupes exposés conduisant à la fusion membranaire. Les forces attractives de van der Waals jouent un rôle négligeable dans la fusion membranaire. Ainsi, la fusion est le résultat des attractions hydrophobes entre les groupes de chaînes hydrocarbonées internes qui sont exposés à l'environnement aqueux normalement inaccessible. On observe que la fusion commence aux points des membranes où les contraintes membranaires sont soit les plus faibles, soit les plus fortes.
Applications
Les forces entre les couches jouent un rôle clé dans la médiation de la fusion membranaire, qui a des applications biomédicales extrêmement importantes.
- L'application la plus importante de la fusion membranaire est dans la production d' hybridomes qui sont des cellules qui résultent de la fusion de cellules B sécrétant des anticorps et immortelles . Les hybridomes sont utilisés dans l'industrie pour la production d' anticorps monoclonaux .
- La fusion membranaire a également un rôle majeur dans l' immunothérapie du cancer . Actuellement, l'une des approches de l'immunothérapie anticancéreuse consiste à vacciner des cellules dendritiques qui expriment un antigène tumoral spécifique sur leurs membranes. Au lieu de cela, les cellules hybrides obtenues à partir de la fusion de cellules dendritiques avec des cellules tumorales peuvent être utilisées. Ces hybrides aideraient à l'expression d'une gamme d'antigènes associés aux tumeurs sur leurs membranes.
- Une meilleure compréhension de la fusion membranaire peut également conduire à des améliorations de la thérapie génique .