انحناء الغشاء

لعلّ أبسط وأكثر القوى الدافعة بديهيةً لانحناء الغشاء هي الانحناء التلقائي الطبيعي الذي تُظهره بعض الدهون . ويعود ذلك إلى أن الدهون، تبعًا لبنيتها الكيميائية، تميل إلى الانحناء بانحناء تلقائي طفيف سالب أو موجب. تُظهر دهون مثل DOPC (ثنائي أوليويل فوسفاتيديل كولين)، وثنائي أسيل جليسرول ، وثنائي أوليويل فوسفاتيديل إيثانولامين (DOPE)، والكوليسترول انحناءً تلقائيًا سالبًا. ^{[ 4 ]} من ناحية أخرى، تميل الدهون ذات النسبة الأصغر بين مساحة سلسلة الأسيل ومساحة المجموعة القطبية الرأسية إلى الانحناء الموجب؛ أي أنها تُظهر انحناءً تلقائيًا موجبًا. ^{[ 5 ]} يُبين الجدول أدناه قيم الانحناء التلقائي المُحددة تجريبيًا لأنواع مختلفة من الدهون في DOPE.

يمكن التعبير عن متطلبات الطاقة اللازمة لتوليد خلية أسطوانية الشكل من غشاء مسطح في الأصل على النحو التالي:

${\displaystyle {F_{Cyl}}=\pi LK_{b}({\frac {1}{R}}-2J_{B})}$

حيث L هو طول الأسطوانة، و J _B هو الفرق بين الانحناء التلقائي، J _s ، للدهون في الطبقة الداخلية والخارجية مقسومًا على اثنين، و K _b هو معامل الانحناء للطبقة الثنائية.

يبلغ نصف قطر الأسطوانات الغشائية المتكونة في مسارات النقل الغشائي داخل الخلايا عادةً حوالي 25-30  نانومترًا. ^{[ 7 ]} لذا، فإن الانحناء التلقائي اللازم لتكوين هذه الأسطوانات يساوي حوالي (1/50) نانومترًا⁻¹. وبما أن J_{_B} ينتج عن اختلاف في الانحناءات التلقائية للطبقات الأحادية ، فإن تكوينًا غير عادي لدهون الغشاء يتطلب هذا الانحناء. تتميز دهون الكوليسترول ، وDOPE، وثنائي أسيل جليسرول بانحناءات تلقائية سالبة بشدة (الشكل 1)، وبالتالي لديها القدرة على توليد انحناء غشائي كبير. مع ذلك، حتى بالنسبة لهذه الدهون، لا يمكن الوصول إلى قيمة J_{_B} المطلوبة إلا إذا كانت مُركّزة بكثافة في الطبقة الأحادية الداخلية.

تؤثر عوامل متعددة على ما إذا كان الليبيد سيُظهر انحناءً موجبًا أم سالبًا. على سبيل المثال، يؤدي وجود روابط ثنائية في ذيل الليبيد إلى زيادة المساحة التي يشغلها هذا الذيل، وبالتالي زيادة ميل الليبيد لإحداث انحناء سالب. ^{[ 8 ]} في الشكل، يمكن رؤية الشكل المختلف لليبيدات التي تحتوي على رابطة ثنائية - والمعروفة أيضًا بالليبيدات غير المشبعة . مع ذلك، لن يُحدث ليبيد واحد مخروطي الشكل انحناءً عبر منطقة كاملة من الغشاء. بدلًا من ذلك، يلزم تجمع ليبيدات متشابهة الشكل في إحدى طبقتي الغشاء مقارنةً بالأخرى لإحداث الانحناء. ^{[ 8 ]} يتشكل هذا الاختلاف في تركيب الليبيدات بين طبقتي الغشاء ويخضع للتحكم النشط داخل الخلايا بواسطة بروتينات مثل الفليبازات ، أو يُزال لتثبيط الانحناء بواسطة بروتينات مثل السكرامبليزات . ^{[ 9 ]} عندما توجد تركيبات ليبيدات غير متماثلة، ويعجز الغشاء عن الانحناء بسبب عوامل أخرى محيطة، يصبح الغشاء غير مستقر - مما يدعم الدور الحاسم الذي يلعبه تركيب الليبيدات في انحناء الغشاء. ^{[ 10 ]} عندما ينحني الغشاء، سيتطلب الأمر وجود عدد أكبر من الدهون على جانب الانحناء الموجب للغشاء لتغطية مساحة السطح المتزايدة الموجودة مقارنةً بالجانب ذي الانحناء السالب. ^{[ 2 ]}

وعلى العكس من ذلك، فإن الكارديوليبين، وهو دهون مخروطية الشكل، يظهر تقاربًا مع مناطق الغشاء المنحنية، ^{[ 11 ]} وهو ما يتوافق مع التجمع الذاتي للكارديوليبين.

تتميز البروتينات الغشائية ذات الشكل المخروطي بطبيعتها بثباتها العالي داخل الأغشية، مما يؤدي إلى انحنائها. ^{[ 2 ]} وبحسب شكل البروتين، قد يكون الانحناء موجبًا أو سالبًا. ومن الأمثلة على ذلك قناة البوتاسيوم ذات البوابات الفولتية، حيث يكون قطرها الخارجي أكبر من قطرها الداخلي. ^{[ 12 ]} وكما هو موضح في الشكل، فإن المساحة الأكبر التي تشغلها إحدى الطبقتين تجعل الغشاء ينحني بعيدًا عن ذلك الجانب. ^{[ 8 ]}

لا يؤثر البروتين على انحناء الغشاء فحسب، بل يؤثر انحناء الغشاء أيضًا على بروتينات الغشاء. فالبروتينات المخروطية الشكل تكون أقل استقرارًا في الأغشية المستوية، بينما تكون البروتينات الأسطوانية الشكل أقل استقرارًا في الأغشية ذات الانحناء العالي. وبالتالي، بما أن الحويصلات شديدة الانحناء تتشكل من أغشية مستوية نسبيًا، يمكن تضمين البروتينات أو استبعادها من الحويصلات المتشكلة بناءً على شكلها. ^{[ 8 ]}

يمكن للجزء الكاره للماء من البروتين أن يعمل كـ"وتد" عند اندماجه في الطبقة الدهنية الثنائية. يُعدّ الإبسين مثالًا على البروتينات التي تستخدم هذه الآلية لتحفيز انحناء الغشاء. يحتوي الإبسين على العديد من الحلزونات الألفا ذات الطبيعة المزدوجة ، مما يسمح له بالانفصال بين اللب الكاره للماء للغشاء والبيئة المائية المحيطة المحبة للماء . ومن الخصائص الأخرى المثيرة للاهتمام للإبسين والبروتينات الأخرى التي ترتبط بالأغشية، أنها تُظهر ألفة ارتباط عالية مع أحد دهون الغشاء الشائعة نسبيًا، وهو فوسفاتيديل إينوزيتول 4،5-ثنائي الفوسفات (PI-4,5-P2). ^{[ 13 ]} على عكس البروتينات الأخرى التي تُثني الغشاء ببساطة من خلال صلابتها، فإن الإبسين بروتين كروي قابل للذوبان، وبالتالي فهو ليس صلبًا. يؤدي اندماج حلزوناته في الغشاء إلى إجبار الدهون المجاورة للطبقة المرتبطة به على التمدد جانبيًا. هذا الإزاحة للدهون على إحدى الطبقتين فقط يزيد من انحناء الطبقة الثنائية. يوضح هذا الشكل انحناء الغشاء نتيجة إدخال وحدة بروتينية كارهة للماء في طبقة ثنائية من الدهون. ويُبين الشكل آلية مختلفة قليلاً، حيث لا يُظهر البروتين المُسبب لانحناء الغشاء صلابة ذاتية، بل يكون غالبًا كرويًا وقابلًا للذوبان. ويُعد بروتين الإبسين مثالًا على ذلك، إذ يحتوي على نطاق ENTH (نطاق التماثل الطرفي N للإبسين) الذي يُدخل حلزونه ألفا الأمفيباثي في ​​الغشاء. ويتمتع الإبسين بألفة ارتباط عالية بالغشاء في حال وجود PI-4,5-P2. ^{[ 13 ]}

مثال آخر على تفاعلات البروتينات التي تؤثر بشكل مباشر على انحناء الغشاء هو نطاق BAR (بين، أمفيبسين، Rvs'). يوجد نطاق BAR في عائلة كبيرة من البروتينات. بالمقارنة مع الطبقة الدهنية الثنائية الخلوية، يتميز هذا النطاق بصلابته وشكله الذي يشبه الموزة. يُفترض أن بقايا الأحماض الأمينية الموجبة الشحنة في المنطقة المقعرة من نطاق BAR تتلامس مع الرؤوس القطبية السالبة الشحنة للدهون في الطبقة الثنائية، مما يسمح بعملية الارتباط. ^{[ 4 ]} عند الارتباط، يزداد انحناء الغشاء بفعل صلابة هذا النطاق. ^{[ 13 ]} يوضح هذا الشكل انحناء الغشاء بفعل نطاق BAR ذي الشكل الشبيه بالموزة.

يوضح الشكل نطاق BAR الموجود في عدد من البروتينات. وينتج انحناء الغشاء عن شكل هذه المنطقة البروتينية. يرتبط هذا النطاق بالطبقة الدهنية الثنائية عبر تفاعلات كولومبية قوية . وتدعم هذه الفكرة وجود بقايا أحماض أمينية موجبة الشحنة في المنطقة المقعرة من نطاق BAR. ^{[ 14 ]} تتلامس هذه الأحماض الأمينية مع الرؤوس القطبية سالبة الشحنة للدهون في الطبقة الثنائية. تُعرف هذه الظاهرة الشكلية أيضًا باسم "آلية السقالة".

يُعد الكلاثرين مثالًا كلاسيكيًا على انحناء الغشاء بواسطة هيكل بروتيني صلب . يشارك الكلاثرين في عملية الإدخال الخلوي ، ويتم عزله بواسطة جزيئات إشارة محددة . يستطيع الكلاثرين الارتباط بمجمعات بروتينية مُكيِّفة على الغشاء الخلوي، ويتجمع في هياكل شبكية لزيادة الانحناء، مما يؤدي إلى إدخال وحدة حويصلية. يتبع كل من مُركب البروتين الغلافي الأول ( COP1 ) ومُركب البروتين الغلافي الثاني ( COPII ) آلية مماثلة في تحفيز انحناء الغشاء. ^{[ 15 ]} يوضح هذا الشكل غلافًا بروتينيًا يُحفز الانحناء. كما ذُكر سابقًا، يتم استقطاب بروتينات مثل الكلاثرين إلى الغشاء عبر جزيئات الإشارة، وتتجمع في هياكل بوليمرية أكبر تُشكل بنية صلبة تُشكل إطارًا للغشاء. يرتبط الكلاثرين بمستقبلاته الموجودة في الغشاء.

يُظهر الشكل غلافًا بروتينيًا يُحفز الانحناء. وكما ذُكر سابقًا، يتم استقطاب بروتينات مثل الكلاثرين إلى الغشاء عبر جزيئات الإشارة، وتتجمع لتكوين تراكيب بوليمرية أكبر تُشكل بنية صلبة تُشكل إطارًا للغشاء. ويرتبط الكلاثرين بمستقبلاته الموجودة في الغشاء.

يتحدد الشكل العام للخلية في الغالب بهيكلها الخلوي . ويختلف هذا الشكل اختلافًا كبيرًا تبعًا لموقع الخلية ووظيفتها. يجب أن يكون غشاء الخلية قادرًا على الانحناء والتكيف مع الشكل المحدد بهذه الوظائف. ^{[ 2 ]} يتطلب ذلك أن يكون الغشاء مرنًا بدرجة كافية ليتمكن من القيام بذلك بثبات، وغالبًا ما يتم تثبيته بواسطة الآليات الأخرى المذكورة في هذه المقالة، ولا سيما تركيب الدهون.

تحافظ خلايا الثدييات عادةً على شكلها نفسه تقريبًا، باستثناء الخلايا المتحركة . وللتحرك، غالبًا ما تُعدّل هذه الخلايا بنيتها عبر الصفائح الخلوية والأرجل الخيطية . يجب أن يكون الغشاء قادرًا على التكيف بنشاط مع قيود الانحناء المتغيرة هذه لكي تتحرك الخلية بكفاءة ودون إتلاف غشاء الخلية. ^{[ 8 ]}

تفترض آلية ازدحام البروتينات أن البروتينات قادرة على ثني الغشاء دون إحداث اضطراب مباشر في بنيته، كما هو الحال في الآليات المذكورة سابقًا. ^{[ 16 ] [ 17 ]} فعندما يتواجد تركيز موضعي عالٍ من البروتين على سطح الغشاء، يمكن أن يؤدي التنافر بين جزيئات البروتين على سطح الغشاء إلى انحناء الغشاء. ^{[ 18 ]} ورغم أن دور هذه الآلية لا يزال غير واضح، فقد أظهرت العديد من الأدلة التجريبية والحسابية قدرتها على ثني الغشاء. بل إن دراسة حديثة تُشير إلى أن ازدحام البروتينات قد يُسبب انحناء الغشاء ويؤدي إلى انشطاره . ^{[ 19 ] [ 20 ]} وتُشير هذه الدراسات إلى أن التركيز الموضعي العالي للبروتين قادر على التغلب على حاجز الطاقة اللازم لثني غشاء الدهون، وبالتالي يُمكن أن يُساهم في ثني الغشاء.