物理学者は、細胞膜上にタンパク質の「パターン」が形成されるプロセスについて説明しています。

ビデオ: 物理学者は、細胞膜上にタンパク質の「パターン」が形成されるプロセスについて説明しています。

ビデオ: 分子動力学シミュレーションで探るタンパク質の形と動き   奥村久士 2022, 12月
物理学者は、細胞膜上にタンパク質の「パターン」が形成されるプロセスについて説明しています。
物理学者は、細胞膜上にタンパク質の「パターン」が形成されるプロセスについて説明しています。
Anonim
Image
Image

ドイツの物理学者は、細胞の生命活動に必要な複雑なタンパク質パターンの形成のダイナミクスを説明する理論を提案しています。開発された理論は、反応拡散モデルに基づいており、大腸菌細胞の分裂前の膜上の表面構造の形成を説明することができます、と科学者はNaturePhysicsに書いています。

通常、いくつかのタイプの分子(細胞の体積と、たとえば細胞膜の表面の両方)からなる秩序構造の生物学的システムにおける形成プロセスは、古典的な平衡熱力学の枠組み内で、グローバルな均衡位置。それにもかかわらず、これらのシステムの重要な部分は、グローバルな平衡状態から非常に遠い状態にありますが、同時に、ローカルな平衡状態の多数の状態によって特徴付けられます。このようなシステムの自己組織化プロセスは、原則として、グローバルな平衡状態からはほど遠い非平衡非線形システムのモデルを使用して記述されます。このようなモデルは、化学プロセスだけでなく、たとえば経済システムや気候システムも記述しますが、その複雑さのために、通常は数値的に研究されます。それにもかかわらず、これらのモデルの数学的装置は非常によく開発されていますが、そのようなアプローチは、生物学的システムにおける分子パターンの形成を説明するために実際には使用されていません。

ルートヴィヒ・マクシミリアン大学の物理学者ジェイコブ・ハラテックとアーウィン・フレイは、システムが明らかに全体的な平衡位置から離れている場合の膜表面でのタンパク質パターンの形成を説明するために、同様の理論的アプローチを使用することを提案しました。化学反応により膜上と細胞質内の両方で対応するタンパク質の濃度が絶えず変化している場合、自己組織化プロセスの結果として、さまざまな組成のタンパク質バンドの規則正しい動的構造が細胞膜上に形成されますが、細胞内の総濃度は一定のままです。

このようなシステムを説明するために、科学者たちは、何らかの形で空間に分布する化学反応に使用される反応拡散モデルを使用することを提案しました。これにより、反応試薬は拡散によって媒体内を移動します。反応拡散メカニズムによって制御されるシステムの典型的な例は、ベロウソフ・ザボチンスキー反応中の自励発振プロセスであり、さまざまな成分から空間周期構造を形成することができます。

この研究では、本質的に類似していますが、より複雑なモデルが著者によって使用されました。モデルは、システム全体を少量のセルのセットとして記述しました。各セルでは、タンパク質間の化学反応により、物質が局所的な平衡位置に向かう傾向があります。セルは試薬の拡散によって相互接続されます。各セル内の物質の濃度が絶えず変化するため、局所的な平衡がシフトし、反応の過程が加速または減速します。その結果、このようなシステムでの化学反応と拡散の速度の変化により、タンパク質濃度の動的な再分布が発生し、細胞膜の表面に周期的なパターンが形成されます。

Image
Image

規則正しいタンパク質パターンを持つ状態への遷移の熱力学的図。タンパク質濃度の変化は、状態の安定性の状態図によって決定されます。薄い灰色は安定性の領域を示し、暗い灰色は不安定性の領域を示します。青い線は特定の時間におけるタンパク質の平衡濃度を示し、オレンジ色の線は実際の濃度を示します。濃度が不安定な領域に入ると、遷移が発生します

科学者たちは、大腸菌の細胞膜上のMinシステムのタンパク質から特徴的なパターンが形成されるプロセスを説明することにより、提案されたモデルをテストしました。 3つの異なるタンパク質からなるこのような構造の助けを借りて、細胞は分裂の準備をし、それが発生する平面の輪郭を描きます。これは、一定の振動運動をしている秩序だった動的表面構造の形成を伴うため、これらのタンパク質は、分子パターンのダイナミクスを研究するためのモデルオブジェクトとして非常に頻繁に使用されます。

局所平衡位置の変位のモデルを使用する提案されたアプローチは、空間で無秩序な「乱流」状態から膜上の規則正しい縞模様の構造への遷移のプロセスをかなり正確に説明することが判明した。その結果、科学者たちは、細胞分裂前の大腸菌細胞の特徴であるMinDタンパク質の周期的構造を正確に再現することができました。

Image
Image

提案されたモデルを使用して得られた、分裂前の大腸菌細胞膜の表面上のMinDタンパク質の分布

研究の著者は、彼らによって開発された理論的アプローチは、周期的な化学プロセスのためにグローバルな平衡位置から遠く離れた秩序構造の形成が起こる他の生化学システムを研究するために将来使用できると述べています。提案されたモデルは、他の触媒反応を記述することもでき、他のトポロジーを持つ接続システムで発生するプロセスにも使用できます。

細胞や細胞小器官の膜上でのタンパク質構造の形成は、それらの生命と分裂の重要な段階の1つです。たとえば、ミトコンドリア分裂の最終段階で、ダイナミンタンパク質は膜に特別なくびれを形成します。また、タンパク質Mic60とMic19は、ミトコンドリア内にミトコンドリアの複雑な二重膜を形成します。これは、ミトコンドリアが正しく分裂し、細胞のエネルギープロセスに参加するのに役立ちます。

トピックによって人気があります

人気の投稿