В литературе достаточно подробно обсуждается каскад биохимических реакций при взаимодействии гормонов и клеток [1], которые меняют функции мембран и клеток. Тем не менее, до сих пор слабо изучены структурные изменения мембран, возникающие при их взаимодействии с гормонами стресса и андрогенами.Под изменением структуры (конформации) плазматических мембран понимается изменение вторичной, третичной и четвертичной структур мембранных белков, фаз липидного бислоя, перераспределение белков и липидов по бислою, изменение морфологии мембран. Слабо изученными остаются и происходящие при этом последующие изменения функций мембран и клеток. Целью данной работы является экспериментальное изучение структурных изменений мембраны и цитоскелета эритроцита, возникающих под воздействием гормонов стресса (кортизола, адреналина, норадреналина) и андрогенов (андростерона, тестостерона, ДЭА, ДЭАС), далее просто гормонов.

Методами атомно-силовой микроскопии показано, что при взаимодействии мембран эритроцитов с гормонами мембраны покрываются квазипериодическими складками. Они появляются из-за усиления продольных и поперечных механических напряжений в мембране, вызванных изменением конформации мембранных белков и образованием вокруг них белок-липидных доменов. Длина волны складок плазматических мембран при этом равна или кратна 100 нм. Это говорит о том, что именно вокруг белков, связанных с цитоскелетом и возникают белок-липидные домены, поскольку размер ячейки спектрин-актин-анкириновой сети составляет 100 нм. Результаты исследований, полученных флуоресцентными методами и ИК-спектроскопии подтверждают наше предположение. Флуоресцентными методами было установлено, что при связывании гормонов с плазматической мембраной менялась конформация мембранных белков. Методами ИК-спектроскопии было установлено, что при этом увеличивается интенсивность связей между функциональными группами белков и липидов в мембране, возрастает упорядоченность белков и липидного бислоя. Флуоресцентными методами с помощью зонда пирен было установлено, что при воздействии гормонов на мембрану, за исключением ДЭАС, микровязкость липидного бислоя сильнее увеличивалась в белок-липидной области взаимодействия, чем в области липид-липидных взаимодействий. При добавлении цитохалазина В, который вызывает ингибирование полимеризации актиновых филаментов спектрин-актин-анкириновой сети, к взвеси эритроцитов с норадреналином, складки на поверхности мембраны не наблюдались [2]. Это значит, что без изменения конформации мембранных белков и белков цитоскелета складки в мембране не создаются.

Можно дать следующее объяснение полученным результатам. Известно, что гормоны стресса и андрогены при взаимодействии с плазматическими мембранами связываются с адренорецепторами, меняя их конформацию [1]. Адренорецепторы взаимодействуют со спектрин-актин-анкириновой сетью, меняют её конформацию, а через неё меняют конформацию мембранных белков, связанных с цитоскелетом. В белок-липидных доменах, образующихся около этих мембранных белков, поменявших свою конформацию после взаимодействия мембраны с гормонами, происходит переход липидного бислоя из жидкокристаллической неупорядоченной фазы в гель-фазу Ld→Lβ или в жидкокристаллическую упорядоченную фазу Ld→Lo. Происходит деформация липидного бислоя, которая не является свободной в цитоплазматической мембране, этому мешает спектрин-актин-анкириновая сеть, к которой крепятся белок-липидные домены. В мембране возникают механические продольные напряжения чередующихся сжатий и растяжений [2, 3]. При малых изменениях конформации мембранных белков складки выступают над поверхностью мембраны на 2-3 нм. Это соответствует разности высот липидного слоя в жидкокристаллической упорядоченной фазе Lo около мембранных белков и жидкокристаллической неупорядоченной Ld фазе между доменами. При дальнейшем изменении конформаций адренорецепторов и спектрин-актин-анкириновой сети происходит сжатие этой сети. Это сжатие создает поперечные и продольные усилия в мембране, приложенные к точкам крепления сети к мембране. При увеличении этих механических напряжений и напряжений, создаваемых несвободной деформацией липидного бислоя, мембрана теряет устойчивость и покрывается складками высотой до 50 нм.

Таким образом, в эритроцитарной мембране при воздействии на нее гормонов (андрогенов, катехоламинов) образуется неподвижная квазипериодическая сеть белок-липидных доменов. Домены образуются вокруг мембранных белков, связанных с цитоскелетом. Образование в мембранах этой сети может влиять на перенос молекул газа через мембрану кинками-солитонами [4], латеральную диффузию липидов в мембране [5], активность её Na+,K+-АТФаз, на пластичность мембран и возможность прохождения эритроцитов по микрокапиллярам [2].



Список литературы:

1. Mitre-Aguilar, I.B. Genomic and non-genomic effects of glucocorticoids: implications for breast cancer / I.B. Mitre-Aguilar, A.J. Cabrera-Quintero, A. Zentella-Dehesa // Int. J. Clin. Exp. Pathol. – 2015. – Vol. 8(1) – P. 1–10.

2. Мокрушников П.В. Структурные переходы в мембранах эритроцитов (экспериментальные и теоретические модели) / Мокрушников П.В., Панин Л.Е., Панин В.Е., Козельская А.И., Зайцев Б.Н.// Новосибирск, НГАСУ, 2019, с. 286.

3. Mokrushnikov P.V. Mechanical Stresses in the Lipid Bilayer of Erythrocyte Membranes / P.V. Mokrushnikov // in book: “Lipid Bilayers: Properties, Behavior and Interactions” edited by Mohammad Ashrafuzzaman. – NY: – Nova Science Publishers, 2019. – P. 43-91.

4. Mokrushnikov P.V. Mechanism of gas molecule transport through erythrocytes’ membranes by kinks-solitons / P.V. Mokrushnikov, V.Ya. Rudyak, E.V. Lezhnev // Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. - 2021. - V. 12(1). - P. 22-31.

5. Mokrushnikov P.V. Lipids lateral diffusion study associated with structural changes in cytoplasmic membranes / P.V. Mokrushnikov, V.Ya. Rudyak // Bioinformatics of genome regulation and structure/systems biology, (BGRS/SB-2022), The Thirteenth International Multiconference, Abstracts, 04–08 July, 2022 Novosibirsk, Russia, P. 813-814

The literature discusses in detail the cascade of biochemical reactions in the interaction of hormones and cells [1], which change the functions of membranes and cells. Nevertheless, the structural changes of membranes that occur during their interaction with stress hormones and androgens are still poorly studied. A change in the structure (conformation) of plasma membranes is understood as a change in the secondary, tertiary and quaternary structures of membrane proteins, phases of the lipid bilayer, redistribution of proteins and lipids along the bilayer, a change in the morphology of membranes.The subsequent changes in the functions of membranes and cells that occur at the same time remain unclear. The aim of this work is to experimentally study the structural changes in the erythrocyte membrane and cytoskeleton that occur under the influence of stress hormones (cortisol, adrenaline, norepinephrine) and androgens (androsterone, testosterone, DEA, DEAS), hereinafter simply hormones.

Atomic force microscopy methods have shown that when erythrocyte membranes interact with hormones, the membranes are covered with quasi-periodic folds. They appear due to increased longitudinal and transverse mechanical stresses in the membrane caused by a change in the conformation of membrane proteins and the formation of protein-lipid domains around them. The wavelength of the folds of plasma membranes is equal to or a multiple of 100 nm. This suggests that it is around the proteins associated with the cytoskeleton that protein-lipid domains arise, since the cell size of the spectrin-actin-ankyrin network is 100 nm. The results of studies obtained by fluorescent methods and IR spectroscopy confirm our assumption. By fluorescent methods, it was found that when hormones bind to the plasma membrane, the conformation of membrane proteins changes. Using IR spectroscopy, it was found that this increases the intensity of the bonds between the active groups of proteins and lipids in the membrane, increases the ordering of proteins and the lipid bilayer. Using fluorescent methods using the pyrene probe, it was found that when hormones were exposed to the membrane, with the exception of DEAS, the microviscosity of the lipid bilayer increased more strongly in the protein-lipid interaction region than in the lipid-lipid interaction region. When cytochalazine B, which causes inhibition of polymerization of actin filaments of the spectrin-actin-ankyrin network, was added to the suspension of erythrocytes with noradrenaline, folds on the membrane surface were not observed [2]. This means that without changing the conformation of membrane proteins and cytoskeleton proteins, folds in the membrane are not created. Thus, it is shown that when interacting with hormones, structural changes occur in the membrane, a fixed quasi-periodic network of protein-lipid domains associated with the cytoskeleton appears in it.

The following explanation of the results obtained can be given. It is known that stress hormones and androgens, when interacting with plasma membranes, bind to adrenoreceptors, changing their conformation [1]. Adrenoreceptors interact with the spectrin-actin-ankyrin network, change its conformation, and through it change the conformation of membrane proteins associated with the cytoskeleton. In the protein-lipid domains formed near these membrane proteins, which have changed their conformation after the interaction of the membrane with hormones, the lipid bilayer transitions from the liquid-disordered state to the gel phase Ld→Lß or to the liquid-ordered phase Ld→Lo. The lipid bilayer is deformed. It is not free in the cytoplasmic membrane, this is hindered by the spectrin-actin-ankyrin network, to which protein-lipid domains are attached. Mechanical longitudinal stresses of alternating compressions and stretches occur in the membrane [2, 3].

With small changes in the conformation of membrane proteins, the folds protrude 2-3 nm above the membrane surface. This corresponds to the difference in the heights of the lipid layer in the liquid-ordered Lo and liquid-disordered Ld state. With a further increase in the change in the conformation of adrenoreceptors, the conformation of the spectrin-actin-ankyrin network changes, and this network is compressed. This compression creates transverse and longitudinal forces in the membrane applied to the attachment points of the network to the membrane. With an increase in these mechanical stresses and stresses created by the non-free deformation of the lipid bilayer, the membrane loses stability and becomes covered with folds up to 50 nm high.

Thus, in the erythrocyte membrane, when hormones (androgens, catecholamines) are exposed to it, a fixed quasi-periodic network of protein-lipid domains is formed. Domains are formed around membrane proteins associated with the cytoskeleton. The formation of this network in membranes can affect the transfer of gas molecules through the membrane by kinks-solitons [4], lateral diffusion of lipids in the membrane [5], the activity of its Na+,K+-ATPases, the plasticity of membranes and the possibility of passage of erythrocytes through microcapillaries [2].



References:

1. Mitre-Aguilar, I.B. Genomic and non-genomic effects of glucocorticoids: implications for breast cancer / I.B. Mitre-Aguilar, A.J. Cabrera-Quintero, A. Zentella-Dehesa // Int. J. Clin. Exp. Pathol. – 2015. – Vol. 8(1) – P. 1–10.

2. Mokrushnikov P.V. Structural transitions in erythrocyte membranes (experimental and theoretical models) / Mokrushnikov P.V., Panin L.E., Panin V.E., Kozelskaya A.I., Zaitsev B.N.// Novosibirsk, NGASU, 2019, p. 286.

3. Mokrushnikov P.V. Mechanical Stresses in the Lipid Bilayer of Erythrocyte Membranes / P.V. Mokrushnikov // in book: “Lipid Bilayers: Properties, Behavior and Interactions” edited by Mohammad Ashrafuzzaman. – NY: – Nova Science Publishers, 2019. – P. 43-91.

4. Mokrushnikov P.V. Mechanism of gas molecule transport through erythrocytes’ membranes by kinks-solitons / P.V. Mokrushnikov, V.Ya. Rudyak, E.V. Lezhnev // Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. - 2021. - V. 12(1). - P. 22-31.

5. Mokrushnikov P.V. Lipids lateral diffusion study associated with structural changes in cytoplasmic membranes / P.V. Mokrushnikov, V.Ya. Rudyak // Bioinformatics of genome regulation and structure/systems biology, (BGRS/SB-2022), The Thirteenth International Multiconference, Abstracts, 04–08 July, 2022 Novosibirsk, Russia, P. 813-814