Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Жидкая мозаичная модель клеточной мембраны

Модель жидкой мозаики объясняет различные наблюдения, касающиеся структуры функциональных клеточных мембран . Согласно этой биологической модели , существует липидный бислой (слой толщиной в две молекулы, состоящий в основном из амфипатических фосфолипидов), в который встроены белковые молекулы . Липидный бислой дает текучесть и эластичность к мембране . Небольшое количество углеводов также содержится в клеточной мембране. Биологическая модель, разработанная SJ Singer и GL Nicolson.в 1972 г. описывает клеточную мембрану как двумерную жидкость, которая ограничивает латеральную диффузию компонентов мембраны. Такие домены определяются наличием участков внутри мембраны со специальным липидным и белковым коконом, которые способствуют образованию липидных рафтов или комплексов белков и гликопротеинов . Другой способ определения мембранных доменов - это ассоциация липидной мембраны с филаментами цитоскелета и внеклеточным матриксом через мембранные белки. [1] Текущая модель описывает важные особенности, относящиеся ко многим клеточным процессам, включая: передачу сигналов между клетками , апоптоз., деление клеток , почкование мембран и слияние клеток. Модель жидкой мозаики является наиболее приемлемой моделью плазматической мембраны. Его основная функция - отделить содержимое ячейки снаружи.

Химический состав [ править ]

Химически клеточная мембрана состоит из четырех компонентов: (1) фосфолипиды (2) белки (3) углеводы (4) холестерин.

Экспериментальные доказательства [ править ]

Жидкость функциональных биологических мембран была определена с помощью экспериментов по маркировке , дифракции рентгеновских лучей и калориметрии. Эти исследования показали, что интегральные мембранные белки диффундируют со скоростью, зависящей от вязкости липидного бислоя, в который они были встроены, и продемонстрировали, что молекулы внутри клеточной мембраны являются скорее динамическими, чем статическими. [2]

Предыдущие модели биологических мембран включали единичную мембранную модель Робертсона и трехслойную модель Дэвсона-Даниелли . [1] В этих моделях белки присутствовали в виде слоев, соседствующих с липидным слоем, а не встроены в фосфолипидный бислой. В других моделях описаны повторяющиеся регулярные единицы белка и липида. Эти модели не были хорошо подтверждены данными микроскопии и термодинамики , а также не учитывали данные о динамических свойствах мембраны. [1]

Эксперимент Фрая-Эдидина показал, что когда две клетки сливаются, белки обеих клеток диффундируют вокруг мембраны и смешиваются, а не фиксируются в своей области мембраны.

Фрай и Эдидин провели важный эксперимент, который предоставил доказательства в пользу жидкой и динамической биологии. Они использовали вирус Сендай, чтобы заставить клетки человека и мыши слиться и образовать гетерокарион . Используя окрашивание антител , они смогли показать, что белки мыши и человека оставались разделенными на отдельные половины гетерокариона через короткое время после слияния клеток. Однако в конечном итоге белки распространились, и со временем граница между двумя половинами была потеряна. Снижение температуры замедляло скорость этой диффузии, заставляя фосфолипиды мембран переходить из жидкой фазы в гелевую. [3] Сингер и Николсон рационализировали результаты этих экспериментов, используя свою модель жидкой мозаики. [2]

Модель жидкой мозаики объясняет изменения в структуре и поведении клеточных мембран при различных температурах, а также ассоциацию мембранных белков с мембранами. В то время как Сингер и Николсон имели существенные доказательства, полученные из различных областей, в поддержку своей модели, недавние достижения в области флуоресцентной микроскопии и структурной биологии подтвердили жидкую мозаичную природу клеточных мембран.

Последующие события [ править ]

Асимметрия мембраны [ править ]

Кроме того, две створки биологических мембран асимметричны и разделены на субдомены, состоящие из определенных белков или липидов, что позволяет пространственно разделить биологические процессы, связанные с мембранами. Холестерин и взаимодействующие с холестерином белки могут концентрироваться в липидных плотах и ​​ограничивать клеточные сигнальные процессы только на этих плотах. [4] Другая форма асимметрии была показана в работе Моуритсена и Блума в 1984 году, где они предложили Матрасную модель липид-белковых взаимодействий для рассмотрения биофизических доказательств того, что мембрана может иметь различную толщину и гидрофобность белков. [5]

Недвухслойные мембраны [ править ]

Существование недислойных липидных образований с важными биологическими функциями было подтверждено после публикации модели жидкой мозаики. Эти мембранные структуры могут быть полезны, когда клетке необходимо размножаться в недислойной форме, что происходит во время деления клетки и образования щелевого соединения . [6]

Кривизна мембраны [ править ]

Бислой мембраны не всегда бывает плоским. Локальная кривизна мембраны может быть вызвана асимметрией и недислойной организацией липидов, как обсуждалось выше. Более резкое и функциональное искривление достигается за счет BAR-доменов , которые связываются с фосфатидилинозитолом на поверхности мембраны, способствуя образованию пузырьков , органелл и делению клеток. [7] Развитие кривизны находится в постоянном потоке и способствует динамической природе биологических мембран. [8]

Движение липидов внутри мембраны [ править ]

В течение десятилетия 1970 года было признано, что отдельные липидные молекулы подвергаются свободной латеральной диффузии внутри каждого из слоев липидной мембраны. [9] Диффузия происходит с высокой скоростью, при этом средняя молекула липида диффундирует на ~ 2 мкм, что примерно соответствует длине крупной бактериальной клетки, примерно за 1 секунду. [9] Также было замечено, что отдельные молекулы липидов быстро вращаются вокруг своей оси. [9]Более того, молекулы фосфолипидов могут, хотя и редко, мигрировать с одной стороны липидного бислоя на другую (процесс, известный как триггер). Однако триггер может быть усилен ферментами флиппазы. Описанные выше процессы влияют на неупорядоченную природу липидных молекул и взаимодействующих белков в липидных мембранах, что сказывается на текучести мембран, передаче сигналов, перемещении и функционировании.

Ограничения на двухслойную текучесть [ править ]

Существуют ограничения на латеральную подвижность липидных и белковых компонентов в жидкой мембране, обусловленные образованием субдоменов внутри липидного бислоя. Эти субдомены возникают в результате нескольких процессов, например связывания компонентов мембраны с внеклеточным матриксом, нанометрических участков мембраны с определенным биохимическим составом, которые способствуют образованию липидных рафтов и белковых комплексов, опосредованных взаимодействиями белок-белок. [1] Кроме того, ассоциации белок-цитоскелет опосредуют образование «цитоскелетных заграждений», загонов, в которых липидные и мембранные белки могут свободно диффундировать, но редко уходят. [1] Ограничение скорости латеральной диффузии компонентов мембраны очень важно, поскольку оно позволяет функциональную специализацию определенных областей внутри клеточных мембран.

Липидные рафты [ править ]

Липидные рафты - это мембранные нанометрические платформы с определенным липидным и белковым составом, которые диффундируют в боковом направлении, перемещаясь по жидкому билипидному слою. Сфинголипиды и холестерин являются важными строительными блоками липидных рафтов. [10]

Белковые комплексы [ править ]

Белки клеточной мембраны и гликопротеины не существуют как отдельные элементы липидной мембраны, как впервые было предложено Сингером и Николсоном в 1972 году. Скорее, они существуют как диффундирующие комплексы внутри мембраны. [1] Сборка отдельных молекул в эти макромолекулярные комплексы имеет важные функциональные последствия для клетки; такие как транспорт ионов и метаболитов , передача сигналов, клеточная адгезия и миграция . [1]

Цитоскелетные заборы (загоны) и связывание с внеклеточным матриксом [ править ]

Некоторые белки, встроенные в билипидный слой, взаимодействуют с внеклеточным матриксом вне клетки, филаментами цитоскелета внутри клетки и структурами, подобными кольцу септина. Эти взаимодействия оказывают сильное влияние на форму и структуру, а также на компартментализацию . Более того, они налагают физические ограничения, которые ограничивают свободную латеральную диффузию белков и, по крайней мере, некоторых липидов внутри билипидного слоя. [1]

Когда интегральные белки липидного бислоя связаны с внеклеточным матриксом, они не могут свободно диффундировать. Белки с длинным внутриклеточным доменом могут сталкиваться с забором, образованным филаментами цитоскелета. [11] Оба процесса ограничивают диффузию непосредственно вовлеченных белков и липидов, а также других взаимодействующих компонентов клеточных мембран.

S.cerevisiae septins
Септиновые кольцевые структуры (отмечены зеленым) могут защемлять клеточные мембраны и расщеплять их на субдомены.

Септины представляют собой семейство GTP-связывающих белков, высоко консервативных среди эукариот. У прокариот есть похожие белки, называемые парасептинами. Они образуют компартментализирующие кольцеобразные структуры, прочно связанные с клеточными мембранами. Септины участвуют в образовании таких структур, как реснички и жгутики, дендритные шипы и дрожжевые почки. [12]

Историческая хронология [ править ]

  • 1895 - Эрнест Овертон выдвинул гипотезу о том, что клеточные мембраны состоят из липидов. [13]
  • 1925 - Эверт Гортер и Франсуа Грендель обнаружили, что мембраны эритроцитов образованы жировым слоем толщиной в две молекулы, т.е. они описали билипидную природу клеточной мембраны. [14]
  • 1935 - Хью Дэвсон и Джеймс Даниелли предположили, что липидные мембраны представляют собой слои, состоящие из белков и липидов с пористой структурой, которые обеспечивают определенную проницаемость для определенных молекул. Затем они предложили модель клеточной мембраны, состоящую из липидного слоя, окруженного белковыми слоями с обеих сторон от него. [15]
  • 1957 - Дж. Дэвид Робертсон на основе исследований электронной микроскопии устанавливает «гипотезу единичной мембраны». Это означает, что все мембраны в клетке, то есть мембраны плазмы и органелл, имеют одинаковую структуру: бислой фосфолипидов с монослоями белков по обе стороны от него. [16]
  • 1972 - SJ Singer и GL Nicolson предложили модель жидкой мозаики в качестве объяснения данных и последних данных, касающихся структуры и термодинамики клеточных мембран. [2]

Примечания и ссылки [ править ]

  1. ^ Б с д е е г ч Николсон GL (2014). «Жидко-мозаичная модель структуры мембраны: по-прежнему актуальна для понимания структуры, функции и динамики биологических мембран спустя более 40 лет» . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Биомембраны . 1838 (6): 1451–146. DOI : 10.1016 / j.bbamem.2013.10.019 . PMID  24189436 .
  2. ^ a b c Singer SJ, Nicolson GL (февраль 1972 г.). «Жидкая мозаичная модель структуры клеточных мембран». Наука . 175 (4023): 720–31. DOI : 10.1126 / science.175.4023.720 . PMID 4333397 . S2CID 83851531 .  
  3. ^ Frye LD, Edidin M (1970). «Быстрое перемешивание антигенов клеточной поверхности после образования гетерокарионов мыши и человека» . J Cell Sci . 7 (2): 319–35. PMID 4098863 . 
  4. ^ Silvius JR (2005). «Разделение мембранных молекул между рафтовыми и не рафтовыми доменами: выводы из модельных исследований мембран» . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Исследование молекулярных клеток . 1746 (3): 193–202. DOI : 10.1016 / j.bbamcr.2005.09.003 . PMID 16271405 . 
  5. ^ Mouritsen О.Г., Блум M (1984). «Матрасная модель липидно-белкового взаимодействия в мембранах» . Biophys J . 46 (2): 141–153. DOI : 10.1016 / S0006-3495 (84) 84007-2 . PMC 1435039 . PMID 6478029 .  
  6. ^ ван ден Бринк-ван дер Лаан Э; и другие. (2004). «Недислойные липиды влияют на периферические и интегральные мембранные белки через изменения профиля латерального давления» . Biochim Biophys Acta . 1666 (1-2): 275–88. DOI : 10.1016 / j.bbamem.2004.06.010 . PMID 15519321 . 
  7. ^ Frost A; и другие. (2009). «Суперсемейство BAR-домена: макромолекулы, формирующие мембраны» . Cell . 137 (2): 191–6. DOI : 10.1016 / j.cell.2009.04.010 . PMC 4832598 . PMID 19379681 .  
  8. ^ Родригес-Гарсия R; и другие. (2009). «Бимодальный спектр колебаний кривизны двухслойных везикул: чистый изгиб плюс гибридные режимы кривизны-дилатации». Phys Rev Lett . 102 (12): 128101. DOI : 10,1103 / PhysRevLett.102.128101 . PMID 19392326 . 
  9. ^ a b c Альбертс Б., Джонсон А., Льюис Дж. и др. (2008). Молекулярная биология клетки (5-е изд.). Нью-Йорк: Наука о гирляндах. С. 621–622. ISBN 978-0-8153-4105-5.
  10. ^ Lingwood D, K Simons (2010). «Липидные рафты как мембраноорганизующий принцип». Наука . 327 (5961): 46–50. DOI : 10.1126 / science.1174621 . PMID 20044567 . S2CID 35095032 .  
  11. ^ Г. Вереб; и другие. (2003). «Динамичный, но структурированный: клеточная мембрана через три десятилетия после модели Сингера – Николсона» . PNAS . 100 (14): 8053–8058. DOI : 10.1073 / pnas.1332550100 . PMC 166180 . PMID 12832616 .  
  12. ^ Юха Саарикангас; Ив Барраль (2011). «Новые функции септинов у многоклеточных животных» . EMBO Reports . 12 (11): 1118–1126. DOI : 10.1038 / embor.2011.193 . PMC 3207108 . PMID 21997296 .  
  13. ^ Овертон, E (1895). "Uberdie osmotischen Eigenshafter der Lebenden Pflanzen und tierzelle" . ВАКХР Натурф Гес Цюрих . 40 : 159–201.
  14. ^ Э. Гортер; Ф. Грендель (1925). «О биомолекулярных слоях липоидов на хромоцитах крови» . Журнал экспериментальной медицины . 41 (4): 439–443. DOI : 10,1084 / jem.41.4.439 . PMC 2130960 . PMID 19868999 .  
  15. ^ Джеймс Даниэлли; Хью Дэвсон (1935). «Вклад в теорию проницаемости тонких пленок». Журнал клеточной и сравнительной физиологии . 5 (4): 495–508. DOI : 10.1002 / jcp.1030050409 .
  16. ^ Джон Е. Heuser (1995). «Памяти Дж. Дэвида Робертсона» (PDF) . Информационный бюллетень Американского общества клеточной биологии .