Модель жидкой мозаики

Опишите жидкостно-мозаичную модель плазматической мембраны.

Жидкостно-мозаичная модель клеточной мембраны

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 встроены белковые молекулы . Бислой фосфолипидов придает мембране текучесть и эластичность . 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, относящиеся 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

Экспериментальные доказательства

Жидкостные свойства функциональных биологических мембран были определены с помощью экспериментов по маркировке , рентгеновской дифракции 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 статичными. ^[1]

Предыдущие модели биологических мембран включали модель мембраны Робертсона и трехслойную модель Дэвсона-Даниелли . ^[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]

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

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, в поддержку своей модели, недавние достижения в области флуоресцентной микроскопии и структурной биологии подтвердили жидкостно-мозаичную природу клеточных мембран.

Последующие события

Мембранная асимметрия

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 « матрасную модель » липид-белковых взаимодействий для рассмотрения биофизических данных о том, что мембрана может различаться по толщине и гидрофобности белков. ^[5]

Недвуслойные мембраны

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 недвухслойную форму, что происходит во время деления клетки и образования щелевого соединения . ^[6]

Искривление мембраны

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

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 оказывает влияние на текучесть мембран, передачу сигналов, транспортировку и функцию.

Ограничения бислойной текучести

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] Кроме 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 мембранных компонентов очень важно, поскольку оно позволяет функциональную специализацию определенных областей внутри клеточных мембран.

Липидные рафты

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

Белки и гликопротеины клеточной мембраны не существуют как отдельные элементы липидной мембраны, как впервые предположили Сингер и Николсон в 1972 году. Скорее, они возникают в виде диффузионных комплексов внутри мембраны. ^[2] 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 . ^[2]

Цитоскелетные ограждения (загоны) и связывание с внеклеточным матриксом

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 вовлеченных белков и липидов, а также других взаимодействующих компонентов клеточных мембран.

Септины S.cerevisiae
Кольцевые структуры септина (зеленого цвета) могут зажимать клеточные мембраны и расщеплять 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

• 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. мембраны плазмы и 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

1. Singer SJ, Николсон Г.Л. (февраль 1972 г.). «Жидкостно-мозаичная модель строения клеточных мембран». Наука . 175 (4023): 720–731. дои : 10.1126/science.175.4023.720. PMID  4333397. S2CID  83851531.
2. Николсон Г.Л. (июнь 2014 г.). «Жидкостно-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.
3. 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.
4. 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.
5. Моуритсен О.Г., Блум М. (август 1984 г.). «Матрацная модель липидно-белковых взаимодействий в мембранах». Биофизический журнал . 46 (2): 141–153. дои : 10.1016/S0006-3495(84)84007-2. ПМЦ 1435039 . ПМИД  6478029. 
6. 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.
7. 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. 
8. Родригес-Гарсия Р., Арриага Л.Р., Мелл М., Молейро Л.Х., Лопес-Монтеро I, 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.
9. 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.
10. Ханкинс 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. 
11. Лингвуд Д., Саймонс К. (январь 2010 г.). «Липидные рафты как принцип организации мембран». Наука . 327 (5961): 46–50. дои : 10.1126/science.1174621. PMID  20044567. S2CID  35095032.
12. Вереб Г., Сёллоши Дж., Матко Дж., Надь П., Фаркас Т., Виг Л. и др. (июль 2003 г.). «Динамичный, но структурированный: клеточная мембрана через 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. 
13. 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. 
14. Овертон Э (1895). «Uberdie osmotischen Eigenshafter der Lebenden Pflanzen und tierzelle». VJSCHR Naturf Ges Zurich . 40 : 159–201.
15. 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. 
16. 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.
17. Хойзер Дж. Э. (1995). «Памяти Дж. Дэвида Робертсона» (PDF) . Информационный бюллетень Американского общества клеточной биологии .