Мембранные модели
До появления электронной микроскопии в 1950-х годах ученые не знали ни структуры клеточной мембраны , ни ее компонентов; биологи и другие исследователи использовали косвенные данные для идентификации мембран , прежде чем их можно было действительно визуализировать. В частности, именно с помощью моделей Овертона , Ленгмюра , Гортера и Гренделя , а также Дэвсона и Даниэлли было установлено, что мембраны состоят из липидов , белков и бислоя . Появление электронного микроскопа, открытия Дж. Дэвида Робертсона , предложения Сингера и Николсона , а также дополнительные работы Анвина и Хендерсона — все это способствовало развитию современной мембранной модели. Однако понимание прошлых моделей мембран проясняет современное восприятие характеристик мембран. В результате интенсивных экспериментальных исследований мембранные модели предыдущего столетия уступили место модели жидкой мозаики , принятой сегодня.
Мембранная теория Гортера и Гренделя (1920)
[ редактировать ]
Эверт Гортер и Франсуа Грендель (голландские физиологи) подошли к открытию нашей нынешней модели структуры плазматической мембраны как липидного бислоя . Они просто предположили, что если плазматическая мембрана является двухслойной , то измеренная площадь поверхности монослоя липидов будет вдвое больше площади поверхности плазматической мембраны. Чтобы проверить свою гипотезу, они провели эксперимент, в котором извлекли липиды из известного количества красных кровяных телец ( эритроцитов ) различных млекопитающих, таких как люди, козы, овцы и т. д., а затем распределили липиды в виде монослоя. в корыте Ленгмюра-Блоджетт . Они измерили общую площадь поверхности плазматической мембраны эритроцитов и, используя метод Ленгмюра, измерили площадь монослоя липидов. Сравнивая эти два показателя, они рассчитали примерное соотношение 2:1. Монослой липидов: плазматическая мембрана . Это подтвердило их гипотезу, которая привела к выводу, что клеточные мембраны состоят из двух противоположных молекулярных слоев. [1] Два ученых предложили структуру этого двухслойного слоя, в которой полярные гидрофильные головки обращены наружу, к водной среде, а гидрофобные хвосты обращены внутрь, в сторону от водной среды по обе стороны мембраны. Хотя они пришли к правильным выводам, некоторые экспериментальные данные были неверными, например, неверный расчет площади и давления липидного монослоя, а также неполнота экстракции липидов. Они также не смогли описать функцию мембран и имели ложные предположения, например, о том, что плазматические мембраны состоят в основном из липидов. Однако в целом такое представление о структуре липидного бислоя стало основным допущением для каждого последующего усовершенствования современного понимания функции мембран. [2]
Модель Дэвсона и Даниэлли с поддержкой Робертсона (1940–1960).
[ редактировать ]После предложения Гортера и Гренделя неизбежно возникли сомнения в правдивости существования простого липидного бислоя в качестве мембраны. Например, их модель не могла дать ответы на вопросы о поверхностном натяжении, проницаемости и электрическом сопротивлении мембран. Поэтому физиолог Хью Дэвсон и биолог Джеймс Даниэлли предположили, что мембраны действительно содержат белки. По их мнению, существование этих «мембранных белков» объяснило то, на что не могла ответить модель Гортера-Гренделя.
В 1935 году Дэвсон и Даниэлли предположили, что биологические мембраны состоят из липидных бислоев, покрытых с обеих сторон тонкими слоями белка, и упростили свою модель до «маломолекулярной» теории. [3] Эта теория утверждала, что все биологические мембраны имеют « липоидный » центр, окруженный монослоями липидов, покрытыми монослоями белка. Короче говоря, их модель была проиллюстрирована как «сэндвич» белок-липид-белок. Модель Дэвсона-Даниелли пролила новый свет на понимание клеточных мембран, подчеркнув важную роль, которую белки играют в биологических мембранах.
К 1950-м годам клеточные биологи подтвердили существование плазматических мембран с помощью электронной микроскопии (которая обеспечивала более высокое разрешение). Дж. Дэвид Робертсон использовал этот метод, чтобы предложить модель единичной мембраны . [4] По сути, он предположил, что все клеточные мембраны имеют одинаковую структуру — единую мембрану . Предложение Робертсона, использующее окрашивание тяжелыми металлами, также, казалось, мгновенно согласовалось с моделью Дэвсона-Даниелли. На основании трехламинарного рисунка клеточной мембраны, рассмотренного Робертсоном, он предположил, что мембраны состоят из липидного бислоя, покрытого с обеих сторон тонкими листками белков (мукопротеинов). Это предложение стало большим стимулом для предложения Дэвсона и Даниэлли. [5] Однако даже несмотря на обоснование Робертсона, модель Дэвсона-Даниелли имела серьезные осложнения, главным из которых было то, что изучаемые белки были в основном глобулярными и поэтому не могли вписаться в утверждение модели о тонких белковых листах. Эти трудности с моделью стимулировали новые исследования в области организации мембран и проложили путь к модели жидкостной мозаики, предложенной в 1972 году.
Жидкостная мозаичная модель Сингера и Николсона (1972 г.)
[ редактировать ]В 1972 году С. Джонатан Сингер и Гарт Николсон разработали новые идеи структуры мембран. Их предложением стала модель жидкостной мозаики , которая сейчас является доминирующей моделью. У него есть две ключевые особенности: мозаика белков, встроенных в мембрану, и мембрана, представляющая собой жидкий двойной слой липидов. Предположение о двухслойном липиде согласуется с предыдущими моделями, но рассматривает белки как глобулярные образования, встроенные в слой, а не как тонкие листы на поверхности.
Согласно модели, мембранные белки делятся на три класса в зависимости от того, как они связаны с липидным бислоем:
- Интегральные белки : погружены в бислой и удерживаются на месте за счет сродства гидрофобных частей белка к гидрофобным хвостам фосфолипидов внутри слоя.
- Периферические белки : более гидрофильны и, таким образом, нековалентно связаны с полярными головками фосфолипидов и другими гидрофильными частями других мембранных белков на поверхности мембраны.
- Белки, закрепленные на липидах : по существу гидрофильны, поэтому также расположены на поверхности мембраны и ковалентно прикреплены к молекулам липидов, внедренным в слой.
Что касается жидкой природы мембраны, то липидные компоненты способны двигаться параллельно поверхности мембраны и находятся в постоянном движении. Многие белки также способны к такому движению внутри мембраны. Однако некоторые из них ограничены в своей подвижности из-за того, что они прикреплены к структурным элементам, таким как цитоскелет, по обе стороны мембраны.
В целом эта модель объясняет большую часть критических замечаний в адрес модели Дэвсона-Даниелли . Он устранил необходимость размещения мембранных белков в тонких поверхностных слоях, предположил, что изменчивость в соотношении белков/липидов в разных мембранах просто означает, что разные мембраны различаются по количеству белка, который они содержат, и показал, как воздействие групп липидных головок на поверхности мембраны совместимо с их чувствительностью к расщеплению фосфолипазой . Кроме того, текучесть липидных бислоев и смешение их компонентов внутри мембраны позволяют легко визуализировать подвижность как липидов, так и белков.
Мембранная теория Хендерсона и Анвина
[ редактировать ]
Хендерсон и Анвин изучили пурпурную мембрану с помощью электронной микроскопии, используя метод определения проекционных структур неокрашенных кристаллических образцов. Применяя этот метод к наклоненным образцам и используя принципы, предложенные ДеРозье и Клугом для комбинации таких двумерных изображений, они получили трехмерную карту мембраны с разрешением 7 Å. Карта показывает расположение белковых и липидных компонентов, расположение полипептидных цепей внутри каждой белковой молекулы, взаимоотношения белковых молекул в решетке. [6]
Микрофотографии кристаллических массивов мембранных белков с высоким разрешением, полученные при низкой дозе электронов для минимизации радиационного повреждения, были использованы для определения трехмерной структуры с помощью преобразования Фурье . Недавние исследования отрицательно окрашенных соединений Gap™ гепатоцитов крысы , подвергнутых трехмерной фурье-реконструкции ( электронных микрофотографий с низкой дозой ), показали, что шесть белковых субъединиц расположены в цилиндре, слегка наклоненном по касательной, заключающем в себе канал шириной 2 нм на конце. внеклеточная область. Размеры канала внутри мембраны были уже, но его не удалось устранить (Unwin and Zampighi, 1980). Небольшое радикальное движение субъединиц на концах цитоплазмы может уменьшить наклон субъединицы по касательной к шестикратной оси и закрыть канал. [7]
Более подробная информация о молекулярной организации должна появиться по мере того, как станут доступны новые методы приготовления, так что будут получены трехмерные изображения высокого разрешения, сравнимые с фиолетовыми мембранами. Используя изобретательные процедуры анализа периодических массивов биологических макромолекул , в которых были объединены данные изображений низкодозовых электронов и дифракционных картин, Хендерсон и Анвин (1975) реконструировали трехмерное изображение пурпурных мембран с разрешением 0,7 нм. Введение глюкозы использовалось для облегчения повреждений, вызванных обезвоживанием, а низкие дозы (<0,5 e/A*) — для уменьшения повреждений, вызванных облучением. Электронные микрофотографии неокрашенных мембран записывали таким образом, что единственным источником контраста был слабый фазовый контраст, вызванный дефокусировкой.
В своем эксперименте Анвин и Хендерсон обнаружили, что белок распространяется по обеим сторонам липидного бислоя и состоит из семи α-спиралей, упакованных на расстоянии примерно 1–1,2 нм друг от друга и длиной 3,5–4,0 нм, идущих перпендикулярно плоскости мембраны. . Молекулы организованы вокруг тройной оси с пространством шириной 2 нм в центре, заполненным липидами. Эта элегантная работа представляет собой наиболее значительный шаг вперед на данный момент, поскольку она впервые предоставила нам структуру интегрального мембранного белка in situ.Доступность аминокислотной последовательности вместе с информацией о плотности рассеяния электронов, полученной в работах Хендерсона и Анвина, стимулировала усилия по созданию моделей (Engleman et al., 1980), чтобы уместить информацию о последовательности бактериородопсина в ряд α- спиральные сегменты.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Мембрана. Введение» (PDF) . Вайли-ВЧ . Проверено 9 октября 2015 г.
- ^ Мир клетки Беккера (8-е изд.). Университет Висконсина-Мэдисона: Джефф Хардин. 2012.
- ^ Робертсон, Дж. Дэвид. «Мембранная структура» (PDF) . jcb.rupress.org . jcb.rupress.org . Проверено 9 октября 2015 г.
- ^ Хойзер, Джон Э. «Памяти Дж. Дэвида Робертсона» (PDF) . heuserlab.wustl.edu . heuserlab.wustl.edu . Проверено 8 октября 2015 г.
- ^ Хардин, Джефф; Кляйнсмит, Льюис Дж.; Бертони, Грегори; Беккер, Уэйн М. (2012). Мир клетки (Восьмое изд.). США: Пирсон Бенджамин Каммингс. стр. 158–163.
- ^ Р. Хендерсон и ПНТ Анвин (4 сентября 1975 г.). «Трехмерная модель пурпурной мембраны, полученная методом электронной микроскопии». Природа . 257 (5521). Кембридж: Лаборатория молекулярной биологии MRC: 28–32. Бибкод : 1975Natur.257...28H . дои : 10.1038/257028a0 . ПМИД 1161000 .
- ^ Малхотра, СК (1983). Плазматическая мембрана . Канада: Джон Уайли и сыновья. стр. 3, 92, 93, 95.