Липидный бислой (или фосфолипидный бислой ) представляет собой тонкую полярную мембрану, состоящую из двух слоев липидных молекул . Эти мембраны представляют собой плоские листы, которые образуют непрерывный барьер вокруг всех клеток . Клеточные мембраны почти всех организмов и многих вирусов состоят из липидного бислоя, как и ядерная мембрана, окружающая ядро клетки , и мембраны мембраносвязанных органелл в клетке. Липидный бислой является барьером, который удерживает ионы , белки и другие молекулы там, где они необходимы, и предотвращает их диффузию в области, где их быть не должно. Липидные бислои идеально подходят для этой роли, хотя их ширина составляет всего несколько нанометров , [1], поскольку они непроницаемы для большинства водорастворимых ( гидрофильных ) молекул. Бислои особенно непроницаемы для ионов, что позволяет клеткам регулировать концентрацию солей и pH , транспортируя ионы через свои мембраны с помощью белков, называемых ионными насосами .
Биологические бислои обычно состоят из амфифильных фосфолипидов , которые имеют гидрофильную фосфатную головку и гидрофобный хвост, состоящий из двух цепей жирных кислот. Фосфолипиды с определенными головными группами могут изменять химию поверхности бислоя и могут, например, служить сигналами, а также «якорями» для других молекул в мембранах клеток. [2] Так же, как и головки, хвосты липидов также могут влиять на свойства мембраны, например, определяя фазу бислоя . Бислой может принимать состояние твердой гелевой фазы при более низких температурах, но претерпевать фазовый переход в жидкое состояние при более высоких температурах, и химические свойства хвостов липидов влияют на то, при какой температуре это происходит. Упаковка липидов внутри бислоя также влияет на его механические свойства, включая его устойчивость к растяжению и изгибу. Многие из этих свойств были изучены с использованием искусственных «модельных» бислоев, полученных в лаборатории. Везикулы , изготовленные из модельных бислоев, также использовались в клинических условиях для доставки лекарств.
Структура биологических мембран обычно включает несколько типов молекул в дополнение к фосфолипидам, составляющим бислой. Особенно важным примером в клетках животных является холестерин , который помогает укрепить бислой и уменьшить его проницаемость. Холестерин также помогает регулировать активность некоторых интегральных мембранных белков . Интегральные мембранные белки функционируют, когда включены в липидный бислой, и они плотно удерживаются на липидном бислое с помощью кольцевой липидной оболочки . Поскольку бислои определяют границы клетки и ее отсеков, эти мембранные белки участвуют во многих внутри- и межклеточных сигнальных процессах. Определенные виды мембранных белков участвуют в процессе слияния двух бислоев вместе. Это слияние позволяет объединить две различные структуры, как в реакции акросомы во время оплодотворения яйцеклетки спермой или проникновения вируса в клетку. Поскольку липидные бислои хрупкие и невидимы в традиционный микроскоп, их изучение представляет собой сложную задачу. Эксперименты с бислоями часто требуют передовых методов , таких как электронная микроскопия и атомно-силовая микроскопия .
Когда фосфолипиды подвергаются воздействию воды, они самоорганизуются в двухслойный лист с гидрофобными хвостами, направленными к центру листа. Такое расположение приводит к образованию двух «листочков», каждый из которых представляет собой отдельный молекулярный слой. Центр этого бислоя почти не содержит воды и исключает молекулы, такие как сахара или соли, которые растворяются в воде. Процесс сборки и поддержание осуществляются за счет агрегации гидрофобных молекул (также называемой гидрофобным эффектом ). Этот сложный процесс включает нековалентные взаимодействия, такие как силы Ван-дер-Ваальса , электростатические и водородные связи .
Липидный бислой очень тонок по сравнению с его поперечными размерами. Если типичную клетку млекопитающего (диаметром ~10 микрометров) увеличить до размера арбуза (~1 фут/30 см), липидный бислой, составляющий плазматическую мембрану , будет примерно такой же толщины, как лист офисной бумаги. Несмотря на то, что его толщина составляет всего несколько нанометров, бислой состоит из нескольких отдельных химических областей по всему его поперечному сечению. Эти области и их взаимодействие с окружающей водой были охарактеризованы за последние несколько десятилетий с помощью рентгеновской рефлектометрии , [4] нейтронного рассеяния , [5] и методов ядерного магнитного резонанса .
Первая область по обе стороны бислоя — это гидрофильная головная группа. Эта часть мембраны полностью гидратирована и обычно имеет толщину около 0,8–0,9 нм. В фосфолипидных бислоях фосфатная группа расположена внутри этой гидратированной области, примерно в 0,5 нм снаружи гидрофобного ядра. [6] В некоторых случаях гидратированная область может простираться гораздо дальше, например, в липидах с большой белковой или длинной сахарной цепью, привитой к головке. Одним из распространенных примеров такой модификации в природе является липополисахаридное покрытие на внешней мембране бактерий, [7] которое помогает удерживать водный слой вокруг бактерии, предотвращая обезвоживание.
Рядом с гидратированной областью находится промежуточная область, которая гидратирована лишь частично. Толщина этого пограничного слоя составляет приблизительно 0,3 нм. На этом коротком расстоянии концентрация воды падает от 2M на стороне головной группы до почти нуля на стороне хвоста (ядра). [8] [9] Гидрофобное ядро бислоя обычно имеет толщину 3-4 нм, но это значение меняется в зависимости от длины цепи и химии. [4] [10] Толщина ядра также значительно меняется в зависимости от температуры, в частности вблизи фазового перехода. [11]
Во многих встречающихся в природе бислоях составы внутренних и внешних мембранных листков различаются. В человеческих эритроцитах внутренний (цитоплазматический) листок состоит в основном из фосфатидилэтаноламина , фосфатидилсерина и фосфатидилинозитола и их фосфорилированных производных. Напротив, внешний (внеклеточный) листок основан на фосфатидилхолине , сфингомиелине и различных гликолипидах. [12] [13] [14] В некоторых случаях эта асимметрия основана на том, где липиды производятся в клетке, и отражает их первоначальную ориентацию. [15] Биологические функции липидной асимметрии изучены недостаточно, хотя ясно, что она используется в нескольких различных ситуациях. Например, когда клетка подвергается апоптозу , фосфатидилсерин, обычно локализующийся в цитоплазматическом слое, переносится на внешнюю поверхность: там он распознается макрофагом, который затем активно поглощает умирающую клетку.
Асимметрия липидов возникает, по крайней мере частично, из-за того, что большинство фосфолипидов синтезируются и изначально вставляются во внутренний монослой: те, которые составляют внешний монослой, затем транспортируются из внутреннего монослоя классом ферментов, называемых флиппазами . [16] [17] Другие липиды, такие как сфингомиелин, по-видимому, синтезируются на внешнем листке. Флиппазы являются членами большего семейства молекул переноса липидов, которое также включает флоппазы, которые переносят липиды в противоположном направлении, и скрамблазы, которые рандомизируют распределение липидов по липидным бислоям (как в апоптотических клетках). В любом случае, как только асимметрия липидов установлена, она обычно не рассеивается быстро, потому что спонтанный флип-флоп липидов между листками происходит чрезвычайно медленно. [18]
Эту асимметрию можно имитировать в лабораторных условиях в модельных двухслойных системах. Некоторые типы очень маленьких искусственных везикул автоматически станут слегка асимметричными, хотя механизм, с помощью которого создается эта асимметрия, сильно отличается от механизма в клетках. [19] Используя два разных монослоя при осаждении Ленгмюра-Блоджетт [20] или комбинации осаждения Ленгмюра-Блоджетт и разрыва везикул [21], также можно синтезировать асимметричный плоский бислой. Эта асимметрия может быть потеряна со временем, поскольку липиды в поддерживаемых двухслойных системах могут быть склонны к флип-флопу. [22] Однако сообщалось, что липидный флип-флоп медленнее по сравнению с холестерином и другими более мелкими молекулами. [23] [24]
Было сообщено, что организация и динамика липидных монослоев в бислое связаны. [25] [26] Например, введение препятствий в один монослоя может замедлить латеральную диффузию в обоих монослоях. [25] Кроме того, разделение фаз в одном монослое может также вызвать разделение фаз в другом монослое, даже если другой монослои не может разделяться фазами сам по себе. [26]
При заданной температуре липидный бислой может существовать либо в жидкой, либо в гелевой (твердой) фазе. Все липиды имеют характерную температуру, при которой они переходят (плавятся) из гелевой в жидкую фазу. В обеих фазах липидные молекулы не могут переворачиваться через бислой, но в бислоях жидкой фазы данный липид будет обмениваться местами со своим соседом миллионы раз в секунду. Этот случайный обмен блужданиями позволяет липиду диффундировать и, таким образом, перемещаться по поверхности мембраны. [27] В отличие от бислоев жидкой фазы, липиды в бислое гелевой фазы обладают меньшей подвижностью.
Фазовое поведение липидных бислоев в значительной степени определяется силой притяжения Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий между соседними липидными молекулами. Липиды с более длинными хвостами имеют большую площадь для взаимодействия, что увеличивает силу этого взаимодействия и, как следствие, снижает подвижность липидов. Таким образом, при заданной температуре липид с короткими хвостами будет более текучим, чем идентичный липид с длинными хвостами. [10] Температура перехода также может зависеть от степени ненасыщенности липидных хвостов. Ненасыщенная двойная связь может вызывать перегиб в алкановой цепи, нарушая упаковку липидов. Это нарушение создает дополнительное свободное пространство внутри бислоя, что обеспечивает дополнительную гибкость соседних цепей. [10] Пример этого эффекта можно заметить в повседневной жизни, поскольку сливочное масло, которое имеет большой процент насыщенных жиров, является твердым при комнатной температуре, в то время как растительное масло, которое в основном ненасыщенное, является жидким.
Большинство природных мембран представляют собой сложную смесь различных липидных молекул. Если некоторые из компонентов являются жидкими при заданной температуре, а другие находятся в гелевой фазе, две фазы могут сосуществовать в пространственно разделенных областях, подобно айсбергу, плавающему в океане. Это разделение фаз играет решающую роль в биохимических явлениях, поскольку компоненты мембраны, такие как белки, могут разделяться на одну или другую фазу [28] и, таким образом, локально концентрироваться или активироваться. Одним из особенно важных компонентов многих систем смешанной фазы является холестерин , который модулирует проницаемость бислоя, механическую прочность и биохимические взаимодействия.
В то время как липидные хвосты в первую очередь модулируют поведение фазы бислоя, именно головная группа определяет химию поверхности бислоя. Большинство природных бислоев состоят в основном из фосфолипидов , но сфинголипиды и стерины, такие как холестерин, также являются важными компонентами. [29] Из фосфолипидов наиболее распространенной головной группой является фосфатидилхолин (PC), на долю которого приходится около половины фосфолипидов в большинстве клеток млекопитающих. [30] PC является цвиттерионной головной группой, поскольку она имеет отрицательный заряд на фосфатной группе и положительный заряд на амине, но, поскольку эти локальные заряды уравновешиваются, нет чистого заряда.
Другие головные группы также присутствуют в разной степени и могут включать фосфатидилсерин (PS), фосфатидилэтаноламин (PE) и фосфатидилглицерол (PG). Эти альтернативные головные группы часто придают специфическую биологическую функциональность, которая сильно зависит от контекста. Например, присутствие PS на внеклеточной мембранной поверхности эритроцитов является маркером апоптоза клеток , [31] тогда как PS в везикулах пластины роста необходим для зарождения кристаллов гидроксиапатита и последующей минерализации костей. [32] [33] В отличие от PC, некоторые другие головные группы несут чистый заряд, который может изменять электростатические взаимодействия малых молекул с бислоем. [34]
Основная роль липидного бислоя в биологии заключается в отделении водных отсеков от их окружения. Без какой-либо формы барьера, разграничивающего «свое» от «чужого», трудно даже определить концепцию организма или жизни. Этот барьер принимает форму липидного бислоя во всех известных формах жизни, за исключением нескольких видов архей , которые используют специально адаптированный липидный монослой. [7] Было даже высказано предположение, что самая первая форма жизни могла быть простой липидной везикулой с практически единственной ее биосинтетической способностью, заключающейся в производстве большего количества фосфолипидов . [35] Разделительная способность липидного бислоя основана на том факте, что гидрофильные молекулы не могут легко пересекать гидрофобное двухслойное ядро, как обсуждается в разделе Транспорт через двухслойный слой ниже. Ядро, митохондрии и хлоропласты имеют два липидных бислоя, в то время как другие субклеточные структуры окружены одним липидным бислоем (такие как плазматическая мембрана, эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи и лизосомы). См . Органелла . [36]
У прокариот есть только один липидный бислой — клеточная мембрана (также известная как плазматическая мембрана). У многих прокариот также есть клеточная стенка , но она состоит из белков или длинноцепочечных углеводов , а не из липидов. Напротив, у эукариот есть ряд органелл, включая ядро , митохондрии , лизосомы и эндоплазматический ретикулум . Все эти субклеточные компартменты окружены одним или несколькими липидными бислоями и вместе обычно составляют большую часть площади бислоя, присутствующего в клетке. Например, в гепатоцитах печени плазматическая мембрана составляет всего два процента от общей площади бислоя клетки, тогда как эндоплазматический ретикулум содержит более пятидесяти процентов, а митохондрии — еще тридцать процентов. [37]
Наиболее знакомой формой клеточной сигнализации, вероятно, является синаптическая передача , при которой нервный импульс, достигший конца одного нейрона, передается соседнему нейрону посредством высвобождения нейротрансмиттеров . Эта передача становится возможной благодаря действию синаптических пузырьков , которые внутри клетки загружены нейротрансмиттерами для последующего высвобождения. Эти загруженные пузырьки сливаются с клеточной мембраной в пресинаптическом окончании, и их содержимое высвобождается в пространство за пределами клетки. Затем содержимое диффундирует через синапс в постсинаптическое окончание.
Липидные бислои также участвуют в передаче сигнала, поскольку они играют роль дома для интегральных мембранных белков . Это чрезвычайно широкий и важный класс биомолекул. По оценкам, до трети человеческого протеома являются мембранными белками. [38] Некоторые из этих белков связаны с внешней частью клеточной мембраны. Примером этого является белок CD59 , который идентифицирует клетки как «свои» и, таким образом, подавляет их разрушение иммунной системой. Вирус ВИЧ частично ускользает от иммунной системы , перенося эти белки с мембраны хозяина на свою собственную поверхность. [37] В качестве альтернативы, некоторые мембранные белки проникают через весь бислой и служат для передачи отдельных сигнальных событий снаружи внутрь клетки. Наиболее распространенным классом этого типа белков является рецептор, связанный с G-белком (GPCR). GPCR отвечают за большую часть способности клетки ощущать свое окружение, и из-за этой важной роли примерно 40% всех современных препаратов нацелены на GPCR. [39]
В дополнение к процессам, опосредованным белками и растворами, липидные бислои также могут напрямую участвовать в передаче сигналов. Классическим примером этого является фагоцитоз , запускаемый фосфатидилсерином . Обычно фосфатидилсерин асимметрично распределен в клеточной мембране и присутствует только на внутренней стороне. Во время запрограммированной гибели клеток белок, называемый скрамблазой, уравновешивает это распределение, отображая фосфатидилсерин на внеклеточной поверхности бислоя. Присутствие фосфатидилсерина затем запускает фагоцитоз для удаления мертвой или умирающей клетки.
Липидный бислой — очень сложная структура для изучения, поскольку он очень тонкий и хрупкий. Несмотря на эти ограничения, за последние семьдесят лет были разработаны десятки методов, позволяющих исследовать его структуру и функции.
Электрические измерения являются простым способом охарактеризовать важную функцию бислоя: его способность разделять и предотвращать поток ионов в растворе. Прикладывая напряжение к бислою и измеряя результирующий ток, определяется сопротивление бислоя. Это сопротивление обычно довольно велико (10 8 Ом-см 2 или более) [40] , поскольку гидрофобное ядро непроницаемо для заряженных частиц. Наличие даже нескольких отверстий нанометрового масштаба приводит к резкому увеличению тока. [41] Чувствительность этой системы такова, что может быть разрешена даже активность отдельных ионных каналов . [42]
Липидный бислой невозможно увидеть с помощью традиционного микроскопа, поскольку он слишком тонкий, поэтому исследователи часто используют флуоресцентную микроскопию . Образец возбуждается одной длиной волны света и наблюдается при другой, так что будут видны только флуоресцентные молекулы с соответствующим профилем возбуждения и испускания.
Натуральный липидный бислой не флуоресцентен, поэтому к некоторым молекулам в бислое необходимо прикрепить по крайней мере один флуоресцентный краситель. Разрешение обычно ограничено несколькими сотнями нанометров, что, к сожалению, намного больше толщины липидного бислоя.
Электронная микроскопия обеспечивает более высокое разрешение изображения. В электронном микроскопе пучок сфокусированных электронов взаимодействует с образцом, а не пучок света, как в традиционной микроскопии. В сочетании с методами быстрого замораживания электронная микроскопия также использовалась для изучения механизмов межклеточного и внутриклеточного транспорта, например, для демонстрации того, что экзоцитозные везикулы являются средством высвобождения химических веществ в синапсах . [43]
Спектроскопия 31P - ЯМР (ядерный магнитный резонанс) широко используется для изучения фосфолипидных бислоев и биологических мембран в нативных условиях. Анализ [44] спектров 31P -ЯМР липидов может предоставить широкий спектр информации об упаковке липидного бислоя, фазовых переходах (фаза геля, физиологическая жидкокристаллическая фаза, фазы ряби, небислойные фазы), ориентации/динамике головной группы липидов и упругих свойствах чистого липидного бислоя и в результате связывания белков и других биомолекул.
Новый метод изучения липидных бислоев — атомно-силовая микроскопия (АСМ). Вместо использования луча света или частиц, очень маленький заостренный наконечник сканирует поверхность, физически контактируя с бислоем и перемещаясь по нему, как игла проигрывателя. АСМ — многообещающий метод, поскольку он потенциально позволяет получать изображения с нанометровым разрешением при комнатной температуре и даже под водой или физиологическим буфером, в условиях, необходимых для естественного поведения бислоя. Используя эту возможность, АСМ использовался для изучения динамического поведения бислоя, включая образование трансмембранных пор (отверстий) [45] и фазовых переходов в поддерживаемых бислоях. [46] Еще одним преимуществом является то, что АСМ не требует флуоресцентной или изотопной маркировки липидов, поскольку наконечник зонда механически взаимодействует с поверхностью бислоя. Благодаря этому одно и то же сканирование может отображать как липиды, так и связанные с ними белки, иногда даже с разрешением в одну молекулу. [45] [47] АСМ также может исследовать механическую природу липидных бислоев. [48]
Липидные бислои демонстрируют высокий уровень двойного лучепреломления , когда показатель преломления в плоскости бислоя отличается от перпендикулярного на величину до 0,1 единицы показателя преломления . Это использовалось для характеристики степени порядка и нарушения в бислоях с использованием интерферометрии двойной поляризации для понимания механизмов взаимодействия белков.
Липидные бислои представляют собой сложные молекулярные системы со многими степенями свободы. Таким образом, атомистическое моделирование мембраны и, в частности, расчеты ее свойств ab initio сложны и требуют больших вычислительных затрат. Недавно были успешно проведены квантово-химические расчеты для оценки дипольных и квадрупольных моментов липидных мембран. [49]
Большинство полярных молекул имеют низкую растворимость в углеводородном ядре липидного бислоя и, как следствие, имеют низкие коэффициенты проницаемости через бислой. Этот эффект особенно выражен для заряженных видов, которые имеют даже более низкие коэффициенты проницаемости, чем нейтральные полярные молекулы. [50] Анионы обычно имеют более высокую скорость диффузии через бислои, чем катионы . [51] [52] По сравнению с ионами, молекулы воды на самом деле имеют относительно большую проницаемость через бислой, о чем свидетельствует осмотическое набухание . Когда клетка или везикула с высокой внутренней концентрацией соли помещается в раствор с низкой концентрацией соли, она набухает и в конечном итоге лопается. Такой результат не наблюдался бы, если бы вода не могла проходить через бислой с относительной легкостью. Аномально большая проницаемость воды через бислои до сих пор не полностью изучена и продолжает оставаться предметом активных дискуссий. [53] Небольшие незаряженные неполярные молекулы диффундируют через липидные бислои на много порядков быстрее, чем ионы или вода. Это относится как к жирам, так и к органическим растворителям, таким как хлороформ и эфир . Независимо от их полярного характера, более крупные молекулы медленнее диффундируют через липидные бислои, чем мелкие молекулы. [54]
Два специальных класса белков имеют дело с ионными градиентами, обнаруженными через клеточные и субклеточные мембраны в природе - ионные каналы и ионные насосы . И насосы, и каналы являются интегральными мембранными белками , которые проходят через бислой, но их роли совершенно различны. Ионные насосы - это белки, которые создают и поддерживают химические градиенты, используя внешний источник энергии для перемещения ионов против градиента концентрации в область с более высоким химическим потенциалом . Источником энергии может быть АТФ , как в случае с Na + -K + АТФазой . Альтернативно, источником энергии может быть другой химический градиент, уже имеющийся, как в антипортере Ca 2+ /Na + . Именно благодаря действию ионных насосов клетки способны регулировать pH посредством перекачки протонов .
В отличие от ионных насосов, ионные каналы не создают химические градиенты, а рассеивают их, чтобы выполнить работу или послать сигнал. Вероятно, наиболее известным и наиболее изученным примером является потенциалзависимый Na + -канал , который позволяет проводить потенциал действия вдоль нейронов . Все ионные насосы имеют своего рода триггерный или «запирающий» механизм. В предыдущем примере это было электрическое смещение, но другие каналы могут быть активированы путем связывания молекулярного агониста или посредством конформационного изменения в другом соседнем белке. [55]
Некоторые молекулы или частицы слишком велики или слишком гидрофильны, чтобы пройти через липидный бислой. Другие молекулы могут проходить через бислой, но должны транспортироваться быстро в таком большом количестве, что транспорт канального типа нецелесообразен. В обоих случаях эти типы грузов могут перемещаться через клеточную мембрану посредством слияния или почкования везикул . Когда везикула образуется внутри клетки и сливается с плазматической мембраной, чтобы высвободить свое содержимое во внеклеточное пространство, этот процесс известен как экзоцитоз. В обратном процессе область клеточной мембраны будет вдавливаться внутрь и в конечном итоге отщипываться, заключая в себе часть внеклеточной жидкости для транспортировки ее в клетку. Эндоцитоз и экзоцитоз полагаются на совершенно разные молекулярные машины для функционирования, но эти два процесса тесно связаны и не могли бы работать друг без друга. Основным механизмом этой взаимозависимости является большое количество вовлеченного липидного материала. [56] В типичной клетке область бислоя, эквивалентная всей плазматической мембране, пройдет цикл эндоцитоза/экзоцитоза примерно за полчаса. [57] Если бы эти два процесса не уравновешивали друг друга, клетка либо раздулась бы до неуправляемых размеров, либо полностью истощила бы свою плазматическую мембрану в течение короткого времени.
Экзоцитоз у прокариот : Мембранный везикулярный экзоцитоз , широко известный как транспортировка мембранных везикул , процесс, удостоенный Нобелевской премии (2013 год), традиционно считается прерогативой эукариотических клеток. [58] Однако этот миф был разрушен открытием того, что нановезикулы, широко известные как бактериальные везикулы внешней мембраны , высвобождаемые грамотрицательными микробами, перемещают бактериальные сигнальные молекулы в клетки-хозяева или целевые клетки [59] для выполнения множества процессов в пользу секретирующего микроба, например, при вторжении в клетку-хозяина [60] и при взаимодействии микроба с окружающей средой в целом. [61]
Электропорация — это быстрое увеличение проницаемости бислоя, вызванное приложением большого искусственного электрического поля через мембрану. Экспериментально электропорация используется для введения гидрофильных молекул в клетки. Это особенно полезная техника для больших высокозаряженных молекул, таких как ДНК , которые никогда не будут пассивно диффундировать через гидрофобное ядро бислоя. [62] Из-за этого электропорация является одним из ключевых методов трансфекции , а также бактериальной трансформации . Было даже предложено, что электропорация, возникающая в результате ударов молнии , может быть механизмом естественного горизонтального переноса генов . [63]
Это увеличение проницаемости в первую очередь влияет на транспорт ионов и других гидратированных видов, указывая на то, что механизм заключается в создании заполненных водой отверстий в мембране нм-масштаба. Хотя электропорация и диэлектрический пробой являются результатом приложения электрического поля, задействованные механизмы принципиально различны. При диэлектрическом пробое материал барьера ионизируется, создавая проводящий путь. Таким образом, изменение материала носит химический характер. Напротив, во время электропорации липидные молекулы не изменяются химически, а просто меняют положение, открывая пору, которая действует как проводящий путь через бислой, поскольку он заполнен водой.
Липидные бислои являются достаточно большими структурами, чтобы иметь некоторые механические свойства жидкостей или твердых тел. Для их описания можно использовать модуль сжатия площади K a , модуль изгиба K b и краевую энергию . Твердые липидные бислои также имеют модуль сдвига , но, как и любая жидкость, модуль сдвига равен нулю для жидких бислоев. Эти механические свойства влияют на то, как функционирует мембрана. K a и K b влияют на способность белков и малых молекул встраиваться в бислой, [64] [65] и было показано, что механические свойства бислоя изменяют функцию механически активированных ионных каналов. [66] Механические свойства бислоя также определяют, какие типы стресса клетка может выдержать без разрыва. Хотя липидные бислои могут легко сгибаться, большинство из них не могут растягиваться более чем на несколько процентов перед разрывом. [67]
Как обсуждалось в разделе «Структура и организация», гидрофобное притяжение липидных хвостов в воде является основной силой, удерживающей липидные бислои вместе. Таким образом, модуль упругости бислоя в первую очередь определяется тем, насколько большая дополнительная площадь подвергается воздействию воды, когда липидные молекулы растягиваются. [68] Неудивительно, что, учитывая это понимание задействованных сил, исследования показали, что K a сильно зависит от осмотического давления [69], но лишь слабо от длины хвоста и ненасыщенности. [10] Поскольку задействованные силы настолько малы, экспериментально определить K a сложно . Большинство методов требуют сложной микроскопии и очень чувствительного измерительного оборудования. [48] [70]
В отличие от K a , который является мерой того, сколько энергии необходимо для растяжения бислоя, K b является мерой того, сколько энергии необходимо для изгиба или сгибания бислоя. Формально модуль изгиба определяется как энергия, необходимая для деформации мембраны от ее внутренней кривизны до некоторой другой кривизны. Внутренняя кривизна определяется отношением диаметра головной группы к диаметру хвостовой группы. Для двуххвостых липидов PC это отношение близко к единице, поэтому внутренняя кривизна близка к нулю. Если конкретный липид имеет слишком большое отклонение от нулевой внутренней кривизны, он не будет образовывать бислой, а вместо этого будет образовывать другие фазы, такие как мицеллы или инвертированные мицеллы. Добавление небольших гидрофильных молекул, таких как сахароза , в смешанные липидные пластинчатые липосомы , изготовленные из богатых галактолипидами тилакоидных мембран, дестабилизирует бислои в мицеллярной фазе. [71] Обычно K b не измеряется экспериментально, а рассчитывается на основе измерений K a и толщины бислоя, поскольку эти три параметра связаны.
является мерой того, сколько энергии требуется, чтобы подвергнуть край бислоя воздействию воды путем разрыва бислоя или создания в нем отверстия. Происхождение этой энергии заключается в том, что создание такого интерфейса подвергает некоторые липидные хвосты воздействию воды, но точная ориентация этих пограничных липидов неизвестна. Есть некоторые свидетельства того, что как гидрофобные (хвосты прямые), так и гидрофильные (головки изогнуты) поры могут сосуществовать. [72] [73]
Слияние — это процесс, при котором два липидных бислоя сливаются, в результате чего образуется одна связанная структура. Если это слияние полностью происходит через оба листка обоих бислоев, образуется заполненный водой мостик, и растворы, содержащиеся в бислоях, могут смешиваться. В качестве альтернативы, если только один листок из каждого бислоя участвует в процессе слияния, бислои называются полуслитыми. Слияние участвует во многих клеточных процессах, в частности, у эукариот , поскольку эукариотическая клетка широко подразделена мембранами липидного бислоя. Экзоцитоз , оплодотворение яйцеклетки путем активации сперматозоида и транспортировка отходов в лизозому — вот лишь некоторые из многих эукариотических процессов, которые зависят от некоторой формы слияния. Даже проникновение патогенов может регулироваться слиянием, поскольку многие вирусы, покрытые бислоем, имеют специальные белки слияния для проникновения в клетку-хозяина.
В процессе слияния есть четыре основных этапа. [30] Во-первых, вовлеченные мембраны должны агрегировать, приближаясь друг к другу на расстояние в несколько нанометров. Во-вторых, два бислоя должны войти в очень тесный контакт (в пределах нескольких ангстрем). Чтобы достичь этого тесного контакта, две поверхности должны стать по крайней мере частично обезвоженными, так как связанная поверхностная вода, обычно присутствующая, заставляет бислои сильно отталкиваться. Присутствие ионов, в частности двухвалентных катионов, таких как магний и кальций, сильно влияет на этот этап. [74] [75] Одна из важнейших ролей кальция в организме — регулирование слияния мембран. В-третьих, в одной точке между двумя бислоями должна образоваться дестабилизация, локально искажающая их структуры. Точная природа этого искажения неизвестна. Одна из теорий заключается в том, что между двумя бислоями должен образоваться сильно изогнутый «стебель». [76] Сторонники этой теории считают, что она объясняет, почему фосфатидилэтаноламин, сильно изогнутый липид, способствует слиянию. [77] Наконец, на последнем этапе слияния этот точечный дефект растет, а компоненты двух бислоев смешиваются и диффундируют от места контакта.
Ситуация еще больше усложняется при рассмотрении слияния in vivo , поскольку биологическое слияние почти всегда регулируется действием мембранно-ассоциированных белков . Первыми из этих белков, которые были изучены, были вирусные белки слияния, которые позволяют вирусу с оболочкой вставлять свой генетический материал в клетку-хозяина (вирусы с оболочкой - это те, которые окружены липидным бислоем; некоторые другие имеют только белковую оболочку). Эукариотические клетки также используют белки слияния, наиболее изученными из которых являются SNARE . Белки SNARE используются для управления всем везикулярным внутриклеточным трафиком. Несмотря на годы исследований, многое еще неизвестно о функции этого класса белков. Фактически, все еще ведутся активные дебаты относительно того, связаны ли SNARE с ранней стыковкой или участвуют позже в процессе слияния, облегчая гемислияние. [79]
В исследованиях молекулярной и клеточной биологии часто желательно искусственно вызвать слияние. Добавление полиэтиленгликоля (ПЭГ) вызывает слияние без значительной агрегации или биохимического нарушения. Эта процедура в настоящее время широко используется, например, путем слияния В-клеток с клетками миеломы . [80] Полученная « гибридома » из этой комбинации экспрессирует желаемое антитело , определяемое вовлеченной В-клеткой, но бессмертна из-за компонента меланомы. Слияние также может быть искусственно вызвано посредством электропорации в процессе, известном как электрослияние. Считается, что это явление является результатом энергетически активных краев, образованных во время электропорации, которые могут действовать как локальная точка дефекта для зарождения роста стебля между двумя бислоями. [81]
Липидные бислои могут быть созданы искусственно в лаборатории, чтобы позволить исследователям проводить эксперименты, которые невозможно провести с естественными бислоями. Их также можно использовать в области синтетической биологии , чтобы определить границы искусственных клеток . Эти синтетические системы называются модельными липидными бислоями. Существует много различных типов модельных бислоев, каждый из которых имеет экспериментальные преимущества и недостатки. Их можно создавать как с синтетическими, так и с натуральными липидами. Среди наиболее распространенных модельных систем:
На сегодняшний день наиболее успешным коммерческим применением липидных бислоев стало использование липосом для доставки лекарств, особенно для лечения рака. (Примечание: термин «липосома» по сути является синонимом « везикулы », за исключением того, что везикула является общим термином для структуры, тогда как липосома относится только к искусственным, а не естественным везикулам) Основная идея липосомальной доставки лекарств заключается в том, что лекарство инкапсулируется в раствор внутри липосомы, а затем вводится пациенту. Эти загруженные лекарством липосомы перемещаются по системе, пока не связываются с целевым местом и не разрываются, высвобождая лекарство. Теоретически липосомы должны быть идеальной системой доставки лекарств, поскольку они могут изолировать практически любое гидрофильное лекарство, могут быть привиты молекулами для нацеливания на определенные ткани и могут быть относительно нетоксичными, поскольку организм обладает биохимическими путями для деградации липидов. [82]
Первое поколение липосом для доставки лекарств имело простой липидный состав и страдало от нескольких ограничений. Циркуляция в кровотоке была крайне ограничена как из-за почечного очищения , так и из -за фагоцитоза . Усовершенствование липидного состава для настройки текучести, поверхностной плотности заряда и поверхностной гидратации привело к появлению везикул, которые адсорбируют меньше белков из сыворотки и, таким образом, менее легко распознаются иммунной системой . [83] Самым значительным достижением в этой области стала прививка полиэтиленгликоля (ПЭГ) на поверхность липосом для получения «скрытых» везикул, которые циркулируют в течение длительного времени без иммунного или почечного очищения. [84]
Первые скрытые липосомы были пассивно нацелены на опухолевые ткани. Поскольку опухоли вызывают быстрый и неконтролируемый ангиогенез, они особенно «протекающие» и позволяют липосомам выходить из кровотока с гораздо большей скоростью, чем нормальная ткань. [85] Совсем недавно [ когда? ] была проведена работа по имплантации антител или других молекулярных маркеров на поверхность липосом в надежде на их активное связывание с определенным типом клеток или тканей. [86] Некоторые примеры этого подхода уже находятся в клинических испытаниях. [87]
Другим потенциальным применением липидных бислоев является область биосенсоров . Поскольку липидный бислой является барьером между внутренней и внешней частью клетки, он также является местом обширной передачи сигнала. Исследователи на протяжении многих лет пытались использовать этот потенциал для разработки устройства на основе бислоя для клинической диагностики или обнаружения биотерроризма. Прогресс в этой области был медленным, и, хотя несколько компаний разработали автоматизированные системы обнаружения на основе липидов, они по-прежнему нацелены на исследовательское сообщество. К ним относятся Biacore (теперь GE Healthcare Life Sciences), которая предлагает одноразовый чип для использования липидных бислоев в исследованиях кинетики связывания [88] и Nanion Inc., которая разработала автоматизированную систему фиксации контакта . [89] Также рассматриваются другие, более экзотические приложения, такие как использование пор липидной бислоевой мембраны для секвенирования ДНК компанией Oxford Nanolabs. На сегодняшний день эта технология не доказала свою коммерческую жизнеспособность.
Поддерживаемый липидный бислой ( SLB ) , как описано выше , достиг коммерческого успеха в качестве метода скрининга для измерения проницаемости лекарственных средств. Этот параллельный метод анализа проницаемости искусственной мембраны PAMPA измеряет проницаемость через специально сформулированные липидные коктейли, которые , как было установлено, в высокой степени коррелируют с культурами Caco-2 , [90] [91] желудочно -кишечным трактом , [92] гематоэнцефалическим барьером [93] и кожей. [94]
К началу двадцатого века ученые пришли к убеждению, что клетки окружены тонким маслянистым барьером, [95] но структурная природа этой мембраны не была известна. Два эксперимента в 1925 году заложили основу для заполнения этого пробела. Измеряя емкость растворов эритроцитов , Хуго Фрике определил, что толщина клеточной мембраны составляет 3,3 нм. [96]
Хотя результаты этого эксперимента были точными, Фрике неверно истолковал данные, означающие, что клеточная мембрана представляет собой один молекулярный слой. Профессор доктор Эверт Гортер [97] (1881–1954) и Ф. Грендель из Лейденского университета подошли к проблеме с другой точки зрения, распределив липиды эритроцитов в виде монослоя на желобе Ленгмюра-Блоджетт . Когда они сравнили площадь монослоя с площадью поверхности клеток, они обнаружили соотношение два к одному. [98] Более поздние анализы показали несколько ошибок и неверных предположений в этом эксперименте, но, по счастливой случайности, эти ошибки были устранены, и из этих ошибочных данных Гортер и Грендель сделали правильный вывод — что клеточная мембрана представляет собой липидный бислой. [30]
Эта теория была подтверждена с помощью электронной микроскопии в конце 1950-х годов. Хотя он не опубликовал первое исследование липидных бислоев с помощью электронной микроскопии [99], Дж. Дэвид Робертсон был первым, кто утверждал, что две темные электронно-плотные полосы были головными группами и связанными с ними белками двух противолежащих липидных монослоев. [100] [101] В этой работе Робертсон выдвинул концепцию «единичной мембраны». Это был первый случай, когда структура бислоя была универсально приписана всем клеточным мембранам, а также мембранам органелл .
Примерно в то же время разработка модельных мембран подтвердила, что липидный бислой является стабильной структурой, которая может существовать независимо от белков. «Окрашивая» раствор липида в органическом растворителе через отверстие, Мюллер и Рудин смогли создать искусственный бислой и определить, что он проявляет латеральную текучесть, высокое электрическое сопротивление и самовосстановление в ответ на прокол, [102] все из которых являются свойствами естественной клеточной мембраны. Несколько лет спустя Алек Бэнгхэм показал, что бислои в форме липидных пузырьков также могут быть образованы просто путем воздействия воды на высушенный липидный образец. [103] Это было важным достижением, поскольку оно продемонстрировало, что липидные бислои образуются спонтанно посредством самосборки и не требуют узорчатой структуры поддержки.
В 1977 году Кунитаке и Окахата изготовили полностью синтетическую двухслойную мембрану из одного органического соединения, дидодецилдиметиламмоний бромида. [104] Это ясно показывает, что двухслойная мембрана была собрана межмолекулярными силами .