Текучесть мембраны

Вязкость липидного бислоя клеточной мембраны

В биологии текучесть мембран относится к вязкости липидного бислоя клеточной мембраны или синтетической липидной мембраны . Липидная упаковка 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, на текучесть мембран влияет то, являются ли жирные кислоты насыщенными или ненасыщенными. Насыщенные жирные кислоты не имеют двойных связей в углеводородной цепи и имеют максимальное количество водорода. Отсутствие двойных связей увеличивает текучесть. Ненасыщенные жирные кислоты имеют по крайней мере одну двойную связь, создавая «перегиб» в цепи. Двойная связь снижает текучесть. Хотя добавление одной двойной связи повышает температуру плавления, исследования, проведенные Xiaoguang Yang et. ал. подтверждает, что четыре или более двойных связей имеют прямую корреляцию с текучестью мембраны. На текучесть мембран также влияет холестерин. ^[2] Холестерин может сделать клеточную мембрану жидкой и жесткой.

Факторы, определяющие текучесть мембраны

На текучесть мембраны может влиять ряд факторов. ^[1] Основными факторами, влияющими на текучесть мембраны, являются окружающая среда (т.е. температура) и состав. ^[3] Одним из способов увеличения текучести мембраны является нагрев мембраны. Липиды приобретают тепловую энергию при нагревании; Энергичные липиды перемещаются больше, располагаясь и перестраиваясь случайным образом, делая мембрану более жидкой. При низких температурах липиды латерально упорядочены 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 из кристаллического состояния в жидкое или наоборот. Этот фазовый переход не является фактическим переходом состояний, но два уровня организации очень похожи на твердое и жидкое состояние. ${\displaystyle T_{m}}$

• ${\displaystyle T<T_{m}}$: Мембрана находится в кристаллической фазе, уровень упорядоченности бислоя высокий, а текучесть низкая.
• ${\displaystyle T>T_{m}}$: Мембрана находится в жидкокристаллической фазе, мембрана менее упорядочена и более текуча. При 37 °C мембрана находится в таком состоянии: однако наличие холестерина позволяет стабилизировать мембрану и сделать ее более компактной.

Состав мембраны также может влиять на ее текучесть. Мембранные фосфолипиды включают жирные ацильные цепи различной длины и насыщенности . Липиды с более короткими цепями менее жесткие и менее вязкие, поскольку они более восприимчивы к изменениям кинетической энергии из-за меньшего размера молекул и имеют меньшую площадь поверхности, чтобы подвергаться стабилизирующим силам Лондона с соседними гидрофобными цепями. Молекулы с двойными углерод-углеродными связями ( ненасыщенные ) более жесткие, чем те, которые насыщены водородом, так как двойные связи не могут свободно вращаться. В результате наличие жирных ацильных цепей с ненасыщенными двойными связями затрудняет упаковку липидов вместе, создавая изломы в выпрямленной углеводородной цепи. Хотя ненасыщенные липиды могут иметь более жесткие индивидуальные связи, мембраны, изготовленные из таких липидов, являются более текучими, поскольку отдельные липиды не могут упаковываться так плотно, как насыщенные липиды, и, следовательно, имеют более низкие температуры плавления : для достижения того же уровня текучести, что и мембраны, требуется меньше тепловой энергии. изготовлены из липидов с насыщенными углеводородными цепями. ^[1] Известно, что включение определенных липидов, таких как сфингомиелин , в синтетические липидные мембраны придает мембране жесткость. Такие мембраны можно охарактеризовать как «стеклянное состояние, т. е. жесткое, но без кристаллического порядка». ^[4]

Холестерин действует как двунаправленный регулятор текучести мембран, поскольку при высоких температурах он стабилизирует мембрану и повышает ее температуру плавления, тогда как при низких температурах он интеркалирует между фосфолипидами и предотвращает их слипание и затвердевание. Известно, что некоторые лекарства, например Лозартан , изменяют вязкость мембран. ^[4] Еще одним способом изменения текучести мембраны является изменение давления. ^[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, со стороны боковых стенок коробки.

Неоднородность физических свойств мембраны

Дискретные липидные домены разного состава и, следовательно, текучести мембран могут сосуществовать в модельных липидных мембранах; это можно наблюдать с помощью флуоресцентной микроскопии . ^[4] Предполагается , что биологический аналог, « липидный рафт », существует в клеточных мембранах и выполняет биологические функции. ^[5] Кроме того, узкая кольцевая липидная оболочка мембранных липидов , контактирующая с интегральными мембранными белками , имеет низкую текучесть по сравнению с объемными липидами в биологических мембранах , поскольку эти липидные молекулы остаются прилипшими 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 флуоресцентных зондов, встроенных в мембрану. Эксперименты с атомно-силовой микроскопией позволяют измерить текучесть синтетических ^[6] или изолированных участков нативных мембран. ^{[7] Спектроскопия ядерного магнитного резонанса} твердого дейтерия включает наблюдение дейтерированных липидов. ^[1] Эти методы дополняют друг друга, поскольку они действуют в разных временных масштабах.

Текучесть мембраны можно описать двумя различными типами движения: вращательным и латеральным. При электронном спиновом резонансе время вращательной корреляции спиновых зондов используется для характеристики того, насколько сильно мембрана накладывает на зонд ограничение. При флуоресценции можно использовать стационарную анизотропию зонда в дополнение к времени корреляции вращения флуоресцентного зонда. ^[1] Флуоресцентные зонды в разной степени предпочитают находиться в среде с ограниченным движением. В гетерогенных мембранах некоторые зонды обнаруживаются только в областях с более высокой текучестью мембраны, тогда как другие обнаруживаются только в областях с более низкой текучестью мембраны. ^[8] Предпочтение распределения зондов также может быть показателем текучести мембраны. В спектроскопии ядерного магнитного резонанса дейтерия средняя ориентация связи углерод-дейтерий в дейтерированном липиде приводит к специфическим спектроскопическим особенностям. Все три метода могут дать некоторую оценку усредненной по времени ориентации соответствующей (зондовой) молекулы, что свидетельствует о вращательной динамике молекулы. ^[1]

Латеральное движение молекул внутри мембраны можно измерить с помощью ряда методов флуоресценции: восстановление флуоресценции после фотообесцвечивания включает фотообесцвечивание равномерно меченной мембраны интенсивным лазерным лучом и измерение того, сколько времени требуется флуоресцентным зондам, чтобы диффундировать обратно в фотообесцвеченное пятно. ^[1] Корреляционная спектроскопия флуоресценции отслеживает колебания интенсивности флуоресценции, измеренные с помощью небольшого количества зондов в небольшом пространстве. На эти колебания влияет режим латеральной диффузии зонда. Отслеживание одиночных частиц включает в себя отслеживание траектории флуоресцентных молекул или частиц золота, прикрепленных к биомолекуле, и применение статистического анализа для получения информации о боковой диффузии отслеживаемой частицы. ^[9]

Биомембраны с дефицитом фосфолипидов

Исследование ширины центральных линий спектров электронного спинового резонанса тилакоидных мембран и водных дисперсий их суммарных экстрагированных липидов , меченных спиновой меткой стеариновой кислоты (имеющих 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 от 5-го до 16-го атомов углерода представляет собой увеличение степени свободы движения ( градиент текучести ) от стороны головной группы к метиловому концу как в нативных мембранах, так и в их водном липидном экстракте (многоламеллярная липосомальная структура, типичная для бислойной организации липидов ). Эта закономерность 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 сегментную подвижность жирно-ацильной цепи липидов от 9-го по 16-й атомы углерода по сравнению со своими липосомальными аналогами. Удивительно, но липосомальные жирные ацильные цепи более ограничены в 5-м и 7-м положениях углерода по сравнению с этими положениями в тилакоидных мембранах. Это объясняется эффектом ограничения движения в этих положениях из-за стерических затруднений 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 свободно ограничивать текучесть липидов как таковую. ^[10]

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 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. ^[4]

Биологическая значимость

Известно, что микроорганизмы, подвергнутые термическому стрессу, изменяют липидный состав своей клеточной мембраны (см. гомеовязкая адаптация ). Это один из способов, с помощью которого они могут регулировать текучесть своей мембраны в зависимости от окружающей среды. ^[1] Известно, что текучесть мембраны влияет на функцию биомолекул, находящихся внутри мембранной структуры или связанных с ней. Например, связывание некоторых периферических белков зависит от текучести мембраны. ^[11] Латеральная диффузия (внутри мембранного матрикса) мембранных ферментов может влиять на скорость реакции. ^[1] Следовательно, мембранозависимые функции, такие как фагоцитоз и передача сигналов клеткам , могут регулироваться текучестью клеточной мембраны. ^[12]

Смотрите также

• Кольцевая липидная оболочка
• Гомеовязкая адаптация
• Липидный бислой
• Фазовое поведение липидного бислоя
• Липосома
• Модель Саффмана – Дельбрюка

Рекомендации

1. Gennis, RB (1989) Биомембраны: молекулярная структура и функции . Спрингер, ISBN  0387967605 .
2. Ян, Сяогуан; Шэн, Венвен; Сан, Грейс Ю.; Ли, Джеймс CM. (февраль 2011 г.). «Влияние чисел ненасыщенности жирных кислот на текучесть мембран и зависимую от α-секретазы переработку белка-предшественника амилоида». Нейрохимия Интернэшнл . 58 (3): 321–329. doi :10.1016/j.neuint.2010.12.004. ISSN  0197-0186. ПМК 3040984 . ПМИД  21184792. 
3. Лось, Дмитрий А.; Мурата, Норио (3 ноября 2004 г.). «Текучесть мембраны и ее роль в восприятии сигналов окружающей среды». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) – Биомембраны . Липидно-белковые взаимодействия. 1666 (1): 142–157. дои : 10.1016/j.bbamem.2004.08.002. ISSN  0005-2736.
4. Хеймбург, Т. (2007) Термальная биофизика мембран . Уайли-ВЧ, ISBN 3527404716 . 
5. Саймонс К., Ваз В.Л. (2004). «Модельные системы, липидные рафты и клеточные мембраны» (PDF) . Ежегодный обзор биофизики и биомолекулярной структуры . 33 : 269–95. doi :10.1146/annurev.biophys.32.110601.141803. hdl : 10316/11254 . ПМИД  15139814.
6. Кьянтиа, Сальваторе (2006). «Комбинированное АСМ и двухфокусное исследование SFCS модельных мембран, демонстрирующих плот». ХимияФизХим . 7 (11): 2409–2418. дои : 10.1002/cphc.200600464. ПМИД  17051578.
7. Гальванетто, Никола (2018). «Одноклеточное снятие крыши: исследование топологии и наномеханики нативных мембран». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) – Биомембраны . 1860 (12): 2532–2538. arXiv : 1810.01643 . дои : 10.1016/j.bbamem.2018.09.019. PMID  30273580. S2CID  52897823.
8. Баумгарт, Тобиас; Хант, Джефф; Фаркас, Элейн Р.; Уэбб, Ватт В.; Фейгенсон, Джеральд В. (2007). «Распределение флуоресцентного зонда между фазами Lo / Ld в липидных мембранах». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) – Биомембраны . 1768 (9): 2182–94. дои : 10.1016/j.bbamem.2007.05.012. ПМК 2702987 . ПМИД  17588529. 
9. Алмейда П. и Ваз В. (1995). «Боковая диффузия в мембранах», гл. 6, стр. 305–357 в: Липовски Р. и Сакманн Э. (ред.) Справочник по биологической физике . Elsevier Science BV doi : 10.1016/S1383-8121(06)80023-0, ISBN 978-0-444-81975-8 
10. YashRoy RC (1990) Магнитно-резонансные исследования динамической организации липидов в мембранах хлоропластов. Журнал биологических наук , том. 15(4), стр. 281-288.
11. Хеймбург, Томас и Марш, Дерек (1996). «Термодинамика взаимодействия белков с липидными мембранами». В Кеннете М. Мерце-младшем и Бенуа Ру (ред.). Биологические мембраны . Бостон: Биркхойзер. стр. 405–462. дои : 10.1007/978-1-4684-8580-6_13. ISBN 978-1-4684-8580-6.
12. Хельмрайх Э.Дж. (2003). «Влияние окружающей среды на передачу сигнала через мембраны: ретроспективный мини-обзор». Биофизическая химия . 100 (1–3): 519–34. дои : 10.1016/S0301-4622(02)00303-4. ПМИД  12646388.