Модель жидкой мозаики
Модель жидкостной мозаики объясняет различные характеристики структуры функциональных клеточных мембран . Согласно этой биологической модели , существует липидный бислой (слой толщиной в две молекулы, состоящий в основном из амфипатических фосфолипидов), в который белковые молекулы встроены . Бислой фосфолипидов текучесть и эластичность мембране . придает Небольшое количество углеводов также содержится в клеточной мембране. Биологическая модель, разработанная Сеймуром Джонатаном Сингером и Гартом Л. Николсоном в 1972 году, [1] описывает клеточную мембрану как двумерную жидкость , ограничивающую латеральную диффузию компонентов мембраны. Такие домены определяются наличием внутри мембраны участков со специальным липидным и белковым коконом, которые способствуют образованию липидных рафтов или белково- гликопротеиновых комплексов. Другим способом определения мембранных доменов является ассоциация липидной мембраны с нитями цитоскелета и внеклеточным матриксом через мембранные белки. [2] Текущая модель описывает важные особенности, имеющие отношение ко многим клеточным процессам, в том числе: передача сигналов между клетками , апоптоз , деление клеток , почкование мембран и слияние клеток. Модель жидкостной мозаики является наиболее приемлемой моделью плазматической мембраны. В этом определении клеточной мембраны ее основная функция — выступать в качестве барьера между содержимым внутри клетки и внеклеточной средой.
Химический макияж
[ редактировать ]| Компоненты | Расположение | Функции |
|---|---|---|
| фосфолипид | Основная ткань плазматической мембраны | Он обеспечивает избирательную проницаемость клеточной мембраны. Гидрофильная фосфатная сторона направлена наружу, а гидрофобная внутрь. |
| Углеводы | Прикрепляется к белкам на внешних слоях мембраны. | Это помогает в межклеточном распознавании. |
| Холестерин | Между фосфолипидами и фосфолипидными бислоями | Он помогает плазматической мембране сохранять текучесть. |
| Белки | Встроены внутри или на поверхности слоев фосфолипидов. | Они образуют каналы, позволяющие движению молекул. |
Экспериментальные доказательства
[ редактировать ]Жидкостные свойства функциональных биологических мембран были определены 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 встроены, и продемонстрировали, что молекулы внутри клеточной мембраны являются скорее динамическими, чем статическими. [1]
Предыдущие модели биологических мембран включали модель мембраны Робертсона и Дэвсона-Даниелли . трехслойную модель [2] В этих моделях белки присутствовали в виде листов, соседних с липидным слоем, а не были включены в фосфолипидный бислой. Другие модели описывали повторяющиеся регулярные единицы белка и липида. Эти модели не были хорошо подтверждены микроскопическими и термодинамическими данными и не учитывали доказательства динамических свойств мембран. [2]
Важный эксперимент, который предоставил доказательства в пользу жидкостной и динамической биологии, был проведен Фраем и Эдидином. Они использовали вирус Сендай , чтобы заставить клетки человека и мыши сливаться и образовывать гетерокарион . Используя окрашивание антителами , они смогли показать, что мышиные и человеческие белки оставались разделенными, образуя отдельные половины гетерокариона, спустя короткое время после слияния клеток. Однако со временем белки диффундировали, и со временем граница между двумя половинками утрачивалась. Снижение температуры замедляло скорость этой диффузии, заставляя мембранные фосфолипиды переходить из жидкой фазы в гелевую. [3] Сингер и Николсон рационализировали результаты этих экспериментов, используя свою модель жидкостной мозаики. [1]
Модель жидкостной мозаики объясняет изменения в структуре и поведении клеточных мембран при различных температурах, а также ассоциацию мембранных белков с мембранами. Хотя Сингер и Николсон располагали существенными доказательствами, полученными из различных областей науки, в поддержку своей модели, недавние достижения в области флуоресцентной микроскопии и структурной биологии подтвердили жидкостно-мозаичную природу клеточных мембран.
Последующие события
[ редактировать ]Мембранная асимметрия
[ редактировать ]Кроме того, два листка биологических мембран асимметричны и разделены на субдомены, состоящие из специфических белков или липидов, что позволяет пространственно разделить биологические процессы, связанные с мембранами. Белки, взаимодействующие с холестерином и холестерином, могут концентрироваться в липидных плотах и ограничивать процессы передачи сигналов в клетках только этими плотами. [4] Другая форма асимметрии была показана в работе Моуритсена и Блума в 1984 году, где они предложили матрацную модель липид-белковых взаимодействий, чтобы учесть биофизические доказательства того, что мембрана может различаться по толщине и гидрофобности белков. [5]
Недвуслойные мембраны
[ редактировать ]Существование недвуслойных липидных образований с важными биологическими функциями было подтверждено после публикации модели жидкостной мозаики. Эти мембранные структуры могут быть полезны, когда клетке необходимо размножать недвуслойную форму, что происходит во время деления клетки и образования щелевого соединения . [6]
Искривление мембраны
[ редактировать ]Бислой мембраны не всегда плоский. Локальная кривизна мембраны может быть вызвана асимметрией и недвуслойной организацией липидов, как обсуждалось выше. Более драматическая и функциональная кривизна достигается за счет доменов BAR , которые связываются с фосфатидилинозитолом на поверхности мембраны, способствуя образованию везикул , образованию органелл и делению клеток. [7] Развитие кривизны постоянно меняется и способствует динамическому характеру биологических мембран. [8]
Движение липидов внутри мембраны
[ редактировать ]В 1970-х годах было признано, что отдельные молекулы липидов подвергаются свободной латеральной диффузии внутри каждого из слоев липидной мембраны. [9] Диффузия происходит с высокой скоростью: средняя молекула липида диффундирует примерно на 2 мкм, что примерно соответствует длине большой 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 движение флип-флоп усиливается ферментами флиппазами. [10] Описанные выше процессы влияют на неупорядоченную природу липидных молекул и взаимодействующих белков в липидных мембранах, что влияет на текучесть мембран, передачу сигналов, транспортировку и функцию.
Ограничения бислойной текучести
[ редактировать ]Существуют ограничения на латеральную подвижность липидных и белковых компонентов в жидкой мембране, налагаемые 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 белок-белковыми взаимодействиями. [2] Более того, белково-цитоскелетные ассоциации опосредуют образование «цитоскелетных заборов», загонов, в которых липидные и мембранные белки могут свободно диффундировать, но редко покидать их. [2] Ограничение скорости латеральной диффузии компонентов мембран очень важно, поскольку оно позволяет функциональную специализацию определенных областей внутри клеточных мембран.
Липидные рафты
[ редактировать ]Липидные рафты представляют собой мембранные нанометрические платформы с определенным липидным и белковым составом, которые диффундируют латерально, перемещаясь по жидкому билипидному слою. Сфинголипиды и холестерин являются важными строительными блоками липидных рафтов. [11]
Белковые комплексы
[ редактировать ]Белки и гликопротеины клеточной мембраны не существуют как отдельные элементы липидной мембраны, как впервые предположили Сингер и Николсон в 1972 году. Скорее, они встречаются в виде диффузионных комплексов внутри мембраны. [2] Сборка одиночных молекул в эти макромолекулярные комплексы имеет важные функциональные последствия для клетки; такие как транспорт ионов и метаболитов , передача сигналов, клеточная адгезия и миграция . [2]
Цитоскелетные ограждения (загоны) и связывание с внеклеточным матриксом
[ редактировать ]Некоторые белки, встроенные в билипидный слой, взаимодействуют с внеклеточным матриксом вне клетки, нитями цитоскелета внутри клетки и кольцеобразными структурами септина. Эти взаимодействия оказывают сильное влияние на форму и структуру, а также на компартментализацию . Более того, они накладывают физические ограничения, которые ограничивают свободную латеральную диффузию белков и, по крайней мере, некоторых липидов внутри билипидного слоя. [2]
Когда интегральные белки липидного бислоя привязаны к внеклеточному матриксу, они не могут свободно диффундировать. Белки с длинным внутриклеточным доменом могут сталкиваться с ограждением, образованным нитями цитоскелета. [12] Оба процесса ограничивают диффузию непосредственно участвующих белков и липидов, а также других взаимодействующих компонентов клеточных мембран.
Кольцевые структуры септина (зеленого цвета) могут зажимать клеточные мембраны и разделять их на субдомены.
Септины представляют собой семейство GTP-связывающих белков, высококонсервативных среди эукариот. У прокариотов есть похожие белки, называемые парасептинами. Они образуют компартментализирующие кольцевые структуры, прочно связанные с клеточными мембранами. Септины участвуют в формировании таких структур, как реснички и жгутики, дендритные шипики и дрожжевые почки. [13]
Исторический график
[ редактировать ]- 1895 – Эрнест Овертон выдвинул гипотезу, что клеточные мембраны состоят из липидов. [14]
- 1925 – Эверт Гортер и Франсуа Грендель обнаружили, что мембраны эритроцитов образованы жировым слоем толщиной в две молекулы, т.е. описали билипидную природу клеточной мембраны. [15]
- 1935 - Хью Дэвсон и Джеймс Даниэлли предположили, что липидные мембраны представляют собой слои, состоящие из белков и липидов с пороподобными структурами, которые обеспечивают специфическую проницаемость для определенных молекул. Затем они предложили модель клеточной мембраны, состоящей из липидного слоя, окруженного с обеих сторон белковыми слоями. [16]
- 1957 - Дж. Дэвид Робертсон на основе исследований электронной микроскопии выдвигает «гипотезу единичной мембраны». Это гласит, что все мембраны в клетке, т. е. плазматические мембраны и мембраны органелл, имеют одинаковую структуру: бислой фосфолипидов с монослоями белков по обе стороны от него. [17]
- 1972 – С. Дж. Сингер и Г. Л. Николсон предложили модель жидкостной мозаики в качестве объяснения данных и новейших свидетельств, касающихся структуры и термодинамики клеточных мембран. [1]
Примечания и ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д Певец С.Дж., Николсон Г.Л. (февраль 1972 г.). «Жидкостно-мозаичная модель строения клеточных мембран». Наука . 175 (4023): 720–731. дои : 10.1126/science.175.4023.720 . ПМИД 4333397 . S2CID 83851531 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час Николсон Г.Л. (июнь 2014 г.). «Жидко-мозаичная модель мембранной структуры: по-прежнему актуальна для понимания структуры, функции и динамики биологических мембран спустя более 40 лет» . Biochimica et Biophysical Acta (BBA) – Биомембраны . 1838 (6): 1451–1466. дои : 10.1016/j.bbamem.2013.10.019 . ПМИД 24189436 .
- ^ Фрай Л.Д., Эдидин М. (сентябрь 1970 г.). «Быстрое смешивание антигенов клеточной поверхности после образования гетерокарионов мыши и человека». Журнал клеточной науки . 7 (2): 319–335. дои : 10.1242/jcs.7.2.319 . ПМИД 4098863 .
- ^ Сильвиус-младший (декабрь 2005 г.). «Распределение мембранных молекул между плотными и неплотными доменами: результаты исследований модельных мембран». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) - Исследования молекулярных клеток . 1746 (3): 193–202. дои : 10.1016/j.bbamcr.2005.09.003 . ПМИД 16271405 .
- ^ Моурицен О.Г., Блум М. (август 1984 г.). «Матрацная модель липид-белковых взаимодействий в мембранах» . Биофизический журнал . 46 (2): 141–153. дои : 10.1016/S0006-3495(84)84007-2 . ПМЦ 1435039 . ПМИД 6478029 .
- ^ ван ден Бринк-ван дер Лаан Э., Киллиан Дж. А., де Круйфф Б. (ноябрь 2004 г.). «Недвуслойные липиды влияют на периферические и интегральные мембранные белки через изменения профиля латерального давления» . Biochimica et Biophysical Acta (BBA) – Биомембраны . 1666 (1–2): 275–288. дои : 10.1016/j.bbamem.2004.06.010 . ПМИД 15519321 .
- ^ Фрост А., Унгер В.М., Де Камилли П. (апрель 2009 г.). «Суперсемейство доменов BAR: макромолекулы, образующие мембраны» . Клетка . 137 (2): 191–196. дои : 10.1016/j.cell.2009.04.010 . ПМЦ 4832598 . ПМИД 19379681 .
- ^ Родригес-Гарсия Р., Арриага Л.Р., Мелл М., Молейро Л.Х., Лопес-Монтеро И., Монрой Ф. (март 2009 г.). «Бимодальный спектр колебаний кривизны двухслойных везикул: чистый изгиб плюс гибридные режимы кривизны-расширения». Письма о физических отзывах . 102 (12): 128101. doi : 10.1103/PhysRevLett.102.128101 . ПМИД 19392326 .
- ^ Jump up to: а б с Альбертс Б., Джонсон А., Льюис Дж. и др. (2008). Молекулярная биология клетки (5-е изд.). Нью-Йорк: Garland Science. стр. 621–622. ISBN 978-0-8153-4105-5 .
- ^ Хэнкинс Х.М., Болдридж Р.Д., Сюй П., Грэм Т.Р. (январь 2015 г.). «Роль флипаз, скрамблаз и белков-переносчиков в субклеточном распределении фосфатидилсерина» . Трафик . 16 (1): 35–47. дои : 10.1111/tra.12233 . ПМЦ 4275391 . ПМИД 25284293 .
- ^ Лингвуд Д., Саймонс К. (январь 2010 г.). «Липидные рафты как принцип организации мембран». Наука . 327 (5961): 46–50. дои : 10.1126/science.1174621 . ПМИД 20044567 . S2CID 35095032 .
- ^ Вереб Г., Сёллоши Дж., Матко Дж., Надь П., Фаркас Т., Виг Л. и др. (июль 2003 г.). «Динамичная, но структурированная: клеточная мембрана спустя три десятилетия после модели Сингера-Николсона» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 100 (14): 8053–8058. дои : 10.1073/pnas.1332550100 . ПМК 166180 . ПМИД 12832616 .
- ^ Саарикангас Дж., Баррал Ю. (октябрь 2011 г.). «Новые функции септинов у многоклеточных животных» . Отчеты ЭМБО . 12 (11): 1118–1126. дои : 10.1038/embor.2011.193 . ПМК 3207108 . ПМИД 21997296 .
- ^ Овертон Э (1895). «Об осмотических свойствах живых растений и животных клеток» . VJSCHR Naturf Ges Zurich . 40 : 159-201.
- ^ Гортер Э., Грендель Ф (март 1925 г.). «О бимолекулярных слоях липоидов на хромоцитах крови» . Журнал экспериментальной медицины . 41 (4): 439–443. дои : 10.1084/jem.41.4.439 . ПМК 2130960 . ПМИД 19868999 .
- ^ Даниэлли Дж., Дэвсон Х. (1935). «Вклад в теорию проницаемости тонких пленок». Журнал клеточной и сравнительной физиологии . 5 (4): 495–508. дои : 10.1002/jcp.1030050409 .
- ^ Хойзер Дж. Э. (1995). «Памяти Дж. Дэвида Робертсона» (PDF) . Информационный бюллетень Американского общества клеточной биологии . Архивировано из оригинала (PDF) 8 октября 2018 г. Проверено 5 декабря 2014 г.