В биологии, текучесть мембран относится к вязкости в липидный бислой из в клеточной мембране или синтетической липидной мембраны . Упаковка липидов может влиять на текучесть мембраны. Вязкость мембраны может влиять на вращение и диффузию белков и других биомолекул внутри мембраны, тем самым влияя на функции этих веществ. [1]
На текучесть мембран влияют жирные кислоты. Более конкретно, то, являются ли жирные кислоты насыщенными или ненасыщенными, влияет на текучесть мембран. Насыщенные жирные кислоты не имеют двойных связей в углеводородной цепи и имеют максимальное количество водорода. Отсутствие двойных связей снижает текучесть, делая мембрану очень прочной и плотно уложенной. Ненасыщенные жирные кислоты имеют по крайней мере одну двойную связь, создавая «петлю» в цепи. Двойная связь увеличивает текучесть. На текучесть мембран также влияет холестерин. Холестерин может сделать клеточную мембрану жидкой, а также жесткой.
Факторы, определяющие текучесть мембраны
На текучесть мембран может влиять ряд факторов. [1] Одним из способов увеличения текучести мембраны является нагревание мембраны. Липиды приобретают тепловую энергию при нагревании; энергичные липиды больше перемещаются, располагаясь и перестраиваясь случайным образом, делая мембрану более жидкой. При низких температурах липиды упорядочены по бокам и организованы в мембране, а липидные цепи в основном находятся в полностью транс-конфигурации и хорошо упаковываются вместе.
Температура плавления мембраны определяется как температура, при которой мембрана переходит от кристаллоподобной к жидкообразной организации или наоборот. Этот фазовый переход не является фактическим переходом между состояниями, но два уровня организации очень похожи на твердое и жидкое состояние.
- : Мембрана находится в кристаллической фазе, уровень порядка в двухслойном слое высокий, а текучесть низкая.
- : Мембрана находится в жидкокристаллической фазе, мембрана менее упорядочена и более текучая. При 37 ° C это состояние мембраны: присутствие холестерина , тем не менее, обеспечивает стабилизацию мембраны и более компактную организацию.
Состав мембраны также может влиять на ее текучесть. Фосфолипиды мембран включают жирные кислоты различной длины и насыщенности . Липиды с более короткими цепями менее жесткие и менее вязкие, потому что они более восприимчивы к изменениям кинетической энергии из-за их меньшего размера молекулы, и у них меньше площадь поверхности, чтобы подвергаться стабилизирующим силам Лондона с соседними гидрофобными цепями. Липидные цепи с двойными углерод-углеродными связями ( ненасыщенные ) более жесткие, чем липиды, насыщенные атомами водорода, поскольку двойные связи не могут свободно вращаться. Из-за этой жесткости ненасыщенные двойные связи затрудняют сбор липидов вместе, создавая перегибы в выпрямленной углеводородной цепи. Хотя отдельные липиды могут быть более жесткими, мембраны, изготовленные из таких липидов, более текучие и имеют более низкие температуры плавления : для достижения такого же уровня текучести требуется меньше тепловой энергии, чем у мембран, изготовленных из липидов с насыщенными углеводородными цепями. [1] Известно, что включение определенных липидов, таких как сфингомиелин , в синтетические липидные мембраны, делает мембрану более жесткой. Такие мембраны можно охарактеризовать как «стеклянное состояние, т.е. жесткие, но без кристаллического порядка». [2]
Холестерин действует как двунаправленный регулятор текучести мембраны, потому что при высоких температурах он стабилизирует мембрану и повышает ее точку плавления, тогда как при низких температурах он интеркалирует между фосфолипидами и предотвращает их скопление вместе и повышение жесткости. Известно также, что некоторые лекарства, например лозартан , изменяют вязкость мембран. [2] Другой способ изменить текучесть мембраны - это изменить давление. [1] В лаборатории поддерживаемые липидные бислои и монослои могут быть созданы искусственно. В таких случаях еще можно говорить о текучести мембран. Эти мембраны поддерживаются плоской поверхностью, например дном коробки. Текучесть этих мембран можно контролировать с помощью приложенного бокового давления, например, боковыми стенками коробки.
Неоднородность физических свойств мембраны
Отдельные липидные домены с различным составом и, следовательно, текучестью мембран могут сосуществовать в модельных липидных мембранах; это можно наблюдать с помощью флуоресцентной микроскопии . [2] Предполагается, что биологический аналог, « липидный плот », существует в клеточных мембранах и выполняет биологические функции. [3] Кроме того , узкая кольцевые липидная оболочка из мембранных липидов в контакте с интегральными мембранными белками имеет низкую текучесть по сравнению с объемными липидами в биологических мембранах , так как эти молекулы липидов остаться прилипли к поверхности белковых макромолекул .
Методы измерения
Текучесть мембраны может быть измерена с помощью электронного спинового резонанса , флуоресценции , силовой спектроскопии на основе атомно-силовой микроскопии или спектроскопии ядерного магнитного резонанса дейтерия . Измерения электронного спинового резонанса включают наблюдение за поведением спинового зонда в мембране. Эксперименты по флуоресценции включают наблюдение за флуоресцентными зондами, встроенными в мембрану. В экспериментах с атомно-силовой микроскопией можно измерить текучесть синтетических [4] или изолированных участков нативных мембран. [5] Спектроскопия ядерного магнитного резонанса твердого тела дейтерия включает наблюдение дейтерированных липидов. [1] Эти методы дополняют друг друга в том смысле, что они работают в разных временных масштабах.
Текучесть мембраны можно описать двумя разными типами движения: вращательным и боковым. В электронном спиновом резонансе время корреляции вращения спиновых зондов используется для характеристики того, насколько ограничения налагаются на зонд мембраной. При флуоресценции можно использовать стационарную анизотропию зонда в дополнение ко времени корреляции вращения флуоресцентного зонда. [1] Флуоресцентные датчики демонстрируют разную степень предпочтения в условиях ограниченного движения. В гетерогенных мембранах некоторые зонды можно найти только в областях с более высокой текучестью мембран, в то время как другие можно найти только в областях с более низкой текучестью мембран. [6] Предпочтение разделения зондов также может быть показателем текучести мембраны. В спектроскопии ядерного магнитного резонанса дейтерия средняя ориентация связи углерод-дейтерий дейтерированного липида приводит к определенным спектроскопическим особенностям. Все три метода могут дать некоторую меру усредненной по времени ориентации соответствующей молекулы (зонда), что указывает на динамику вращения молекулы. [1]
Боковое движение молекул внутри мембраны можно измерить с помощью ряда флуоресцентных методов: восстановление флуоресценции после фотообесцвечивания включает фотообесцвечивание равномерно маркированной мембраны интенсивным лазерным лучом и измерение времени, необходимого флуоресцентным зондам, чтобы диффундировать обратно в фотообесцвеченное пятно. [1] Флуоресцентная корреляционная спектроскопия отслеживает колебания интенсивности флуоресценции, измеренные с помощью небольшого количества зондов в небольшом пространстве. На эти колебания влияет режим боковой диффузии зонда. Отслеживание отдельных частиц включает отслеживание траектории флуоресцентных молекул или частиц золота, прикрепленных к биомолекуле, и применение статистического анализа для извлечения информации о боковой диффузии отслеживаемой частицы. [7]
Биомембраны с дефицитом фосфолипидов
Исследование ширины центральной линии спектров электронного спинового резонанса тилакоидных мембран и водных дисперсий их общих экстрагированных липидов , меченных спиновой меткой стеариновой кислоты (имеющей спиновый или доксильный фрагмент при 5,7,9,12,13,14 и 16-м атомах углерода, относительно карбонильной группы), обнаруживает градиент текучести . Уменьшение ширины линии с 5-го до 16-го атомов углерода представляет возрастающую степень свободы движения ( градиент текучести ) от стороны головной группы до метильного конца как в нативных мембранах, так и в их водном липидном экстракте (многослойная липосомная структура, типичная для организации липидного бислоя ). Этот паттерн указывает на сходство организации липидного бислоя как в нативных мембранах, так и в липосомах . Это наблюдение имеет решающее значение, поскольку тилакоидные мембраны, состоящие в основном из галактолипидов , содержат только 10% фосфолипидов , в отличие от других биологических мембран, состоящих в основном из фосфолипидов. Белки в тилакоидных мембранах хлоропластов , по-видимому, ограничивают подвижность сегментов липидных жирных ацильных цепей от 9 до 16 атомов углерода по сравнению с их липосомными аналогами. Неожиданно липосомные жирные ацильные цепи более ограничены в 5-м и 7-м положениях углерода по сравнению с этими положениями в тилакоидных мембранах. Это объяснимо из-за эффекта ограничения движения в этих положениях, из-за стерических препятствий со стороны больших головных групп хлорофилла , особенно в липосомах. Однако в нативных тилакоидных мембранах хлорофиллы в основном образуют комплексы с белками в виде светособирающих комплексов и не могут в значительной степени ограничивать липидную текучесть как таковую. [8]
Коэффициенты диффузии
Коэффициенты диффузии флуоресцентных аналогов липидов составляют около 10 -8 см 2 / с в жидких липидных мембранах. В гелевых липидных мембранах и природных биомембранах коэффициенты диффузии составляют примерно от 10 -11 см 2 / с до 10 -9 см 2 / с. [1]
Заряженные липидные мембраны
Плавление заряженных липидных мембран, таких как 1,2-димиристоил-sn-глицеро-3-фосфоглицерин, может происходить в широком диапазоне температур. В этом диапазоне температур эти мембраны становятся очень вязкими. [2]
Биологическая значимость
Известно, что микроорганизмы, подвергающиеся тепловому стрессу, изменяют липидный состав своей клеточной мембраны (см. Гомеовязкую адаптацию ). Это один из способов регулирования текучести мембраны в зависимости от окружающей среды. [1] Известно, что текучесть мембраны влияет на функцию биомолекул, находящихся внутри или связанных с мембранной структурой. Например, связывание некоторых периферических белков зависит от текучести мембран. [9] Боковая диффузия (внутри мембранного матрикса) мембранных ферментов может влиять на скорость реакции. [1] Следовательно, мембранозависимые функции, такие как фагоцитоз и клеточная передача сигналов , могут регулироваться текучестью клеточной мембраны. [10]
Смотрите также
- Кольцевая липидная оболочка
- Гомеовязкая адаптация
- Липидный бислой
- Фазовое поведение липидного бислоя
- Липосомы
- Модель Саффмана – Дельбрюка
Рекомендации
- ^ a b c d e f g h i j k Геннис, Р. Б. (1989) Биомембраны: молекулярная структура и функция . Springer, ISBN 0387967605 .
- ^ a b c d Хаймбург, Т. (2007) Тепловая биофизика мембран . Вайли-ВЧ, ISBN 3527404716 .
- ^ Саймонс К., Ваз В.Л. (2004). «Модельные системы, липидные рафты и клеточные мембраны» (PDF) . Ежегодный обзор биофизики и структуры биомолекул . 33 : 269–95. DOI : 10.1146 / annurev.biophys.32.110601.141803 . hdl : 10316/11254 . PMID 15139814 .
- ^ Кьянция, Сальваторе (2006). «Комбинированное исследование AFM и двухфокусной SFCS модели мембран, экспонируемых на плотах». ХимФисХим . 7 (11): 2409–2418. DOI : 10.1002 / cphc.200600464 . PMID 17051578 .
- ^ Гальванетто, Никола (2018). «Одноклеточное снятие кровли: исследование топологии и наномеханики нативных мембран». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Биомембраны . 1860 (12): 2532–2538. arXiv : 1810.01643 . DOI : 10.1016 / j.bbamem.2018.09.019 . PMID 30273580 .
- ^ Баумгарт, Тобиас; Хант, Джефф; Farkas, Elaine R .; Webb, Watt W .; Фейгенсон, Джеральд В. (2007). «Распределение флуоресцентного зонда между фазами L o / L d в липидных мембранах» . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Биомембраны . 1768 (9): 2182–94. DOI : 10.1016 / j.bbamem.2007.05.012 . PMC 2702987 . PMID 17588529 .
- Перейти ↑ Almeida, P. and Vaz, W. (1995). «Боковая диффузия в мембранах», гл. 6, стр. 305–357 в: Lipowsky, R. and Sackmann, E. (eds.) Handbook of Biological Physics. Elsevier Science BV DOI : 10.1016 / S1383-8121 (06) 80023-0 , ISBN 978-0-444-81975-8
- ^ YashRoy RC (1990) Магнитно-резонансные исследования динамической организации липидов в мембранах хлоропластов. Журнал биологических наук , т. 15 (4), стр. 281-288. https://www.researchgate.net/publication/225688482_Mintage_resonance_studies_of_dynamic_organisation_of_lipids_in_chloroplast_membranes?ev=prf_pub
- ^ Хаймбург, Томас и Марш, Дерек (1996). «Термодинамика взаимодействия белков с липидными мембранами». В Кеннет М. Мерц младший и Бенуа Ру (ред.). Биологические мембраны . Бостон: Биркхойзер. С. 405–462. DOI : 10.1007 / 978-1-4684-8580-6_13 . ISBN 978-1-4684-8580-6.
- ^ Гельмрайх EJ (2003). «Влияние окружающей среды на передачу сигнала через мембраны: ретроспективный мини-обзор». Биофизическая химия . 100 (1–3): 519–34. DOI : 10.1016 / S0301-4622 (02) 00303-4 . PMID 12646388 .