Текучесть мембраны

Вязкость липидного бислоя клеточной мембраны

В биологии текучесть мембраны 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 вещей. ^[1]

Текучесть мембраны зависит от жирных кислот. В частности, то, являются ли жирные кислоты насыщенными или ненасыщенными, влияет на текучесть мембраны. Насыщенные жирные кислоты не имеют двойных связей в углеводородной цепи и максимальное количество водорода. Отсутствие двойных связей снижает текучесть. Ненасыщенные жирные кислоты имеют по крайней мере одну двойную связь, создавая «перегиб» в цепи. Двойная связь увеличивает текучесть. В то время как добавление одной двойной связи повышает температуру плавления, исследования, проведенные Сяогуаном Яном и др., подтверждают, что четыре или более двойных связей имеют прямую корреляцию с текучестью мембраны. Текучесть мембраны также зависит от холестерина. ^[2] Холестерин может сделать клеточную мембрану как жидкой, так и жесткой.

Факторы, определяющие текучесть мембраны

На текучесть мембраны может влиять ряд факторов. ^[1] Основными факторами, влияющими на текучесть мембраны, являются окружающая среда (например, температура) и состав. ^[3] Один из способов увеличить текучесть мембраны — нагреть мембрану. Липиды приобретают тепловую энергию при нагревании; энергичные липиды больше перемещаются, упорядочиваясь и перестраиваясь случайным образом, делая мембрану более текучей. При низких температурах липиды упорядочены и организованы в мембране латерально, а липидные цепи в основном находятся в полностью транс-конфигурации и хорошо упакованы вместе.

Температура плавления мембраны определяется как температура, при которой мембрана переходит из кристаллоподобной в жидкоподобную организацию или наоборот. Этот фазовый переход не является фактическим переходом состояния, но два уровня организации очень похожи на твердое и жидкое состояние. ${\displaystyle T_{m}}$

• ${\displaystyle T<T_{m}}$: Мембрана находится в кристаллической фазе, уровень порядка в бислое высокий, а текучесть низкая.
• ${\displaystyle T>T_{m}}$: Мембрана находится в жидкокристаллической фазе, мембрана менее упорядочена и более жидкая. При 37 °C это состояние мембраны: присутствие холестерина , однако, обеспечивает стабилизацию мембраны и более компактную организацию.

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 для воздействия стабилизирующих лондоновских сил с соседними гидрофобными цепями. Молекулы с двойными связями углерод-углерод ( ненасыщенные ) более жесткие, чем те, которые насыщены водородами, поскольку двойные связи не могут свободно поворачиваться. В результате присутствие жирных ацильных цепей с ненасыщенными двойными связями затрудняет упаковку липидов вместе, создавая перегибы в иначе выпрямленной углеводородной цепи. В то время как ненасыщенные липиды могут иметь более жесткие индивидуальные связи, мембраны, изготовленные из таких липидов, более текучи, поскольку отдельные липиды не могут упаковываться так же плотно, как насыщенные липиды, и, таким образом, имеют более низкие температуры плавления : требуется меньше тепловой энергии для достижения того же уровня текучести, что и мембраны, изготовленные из липидов с насыщенными углеводородными цепями. ^[1] Известно, что включение определенных липидов, таких как сфингомиелин , в синтетические липидные мембраны делает мембрану жесткой. Такие мембраны можно описать как «стеклянное состояние, т. е. жесткое, но без кристаллического порядка». ^[4]

Холестерин действует как двунаправленный регулятор текучести мембраны, 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 препараты, например, лозартан , также изменяют вязкость мембраны. ^[4] Другой способ изменения текучести мембраны — изменение давления. ^[1] В лабораторных условиях поддерживаемые липидные бислои и монослои могут быть созданы искусственно. В таких случаях все еще можно говорить о текучести мембраны. Эти мембраны поддерживаются плоской поверхностью, например, дном коробки. Текучесть этих мембран можно контролировать с помощью бокового давления, приложенного, например, боковыми стенками коробки.

Неоднородность физических свойств мембраны

Дискретные липидные домены с различным составом и, следовательно, текучестью мембраны могут сосуществовать в модельных липидных мембранах; это можно наблюдать с помощью флуоресцентной микроскопии . ^[4] Предполагается, что биологический аналог, « липидный плот », 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 прикрепленными к поверхности макромолекул белка .

Методы измерения

Текучесть мембраны можно измерить с помощью электронного спинового резонанса , флуоресценции , атомно-силовой микроскопии, силовой спектроскопии или дейтериевой ядерно-магнитной резонансной спектроскопии . Измерения электронного спинового резонанса включают наблюдение за поведением спинового зонда в мембране. Эксперименты с флуоресценцией включают наблюдение за флуоресцентными зондами, включенными в мембрану. Эксперименты с атомно-силовой микроскопией могут измерять текучесть на синтетических ^[6] или изолированных участках нативных мембран. ^[7] Твердотельная дейтериевая ядерно-магнитная резонансная спектроскопия включает наблюдение за дейтерированными липидами. ^[1] Методы являются взаимодополняющими, поскольку они работают в разных временных масштабах.

Текучесть мембраны можно описать двумя различными типами движения: вращательным и латеральным. В электронном спиновом резонансе время вращательной корреляции спиновых зондов используется для характеристики того, насколько сильно мембрана ограничивает зонд. В флуоресценции можно использовать стационарную анизотропию зонда в дополнение к времени вращательной корреляции флуоресцентного зонда. ^[1] Флуоресцентные зонды демонстрируют различную степень предпочтения нахождения в среде ограниченного движения. В гетерогенных мембранах некоторые зонды будут обнаружены только в областях с более высокой текучестью мембраны, в то время как другие обнаруживаются только в областях с более низкой текучестью мембраны. ^[8] Предпочтение зондов по разделению также может быть показателем текучести мембраны. В спектроскопии ядерного магнитного резонанса дейтерия средняя ориентация связей углерод-дейтерий дейтерированного липида приводит к появлению специфических спектроскопических особенностей. Все три метода могут дать некоторую меру усредненной по времени ориентации соответствующей молекулы (зонда), что указывает на вращательную динамику молекулы. ^[1]

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

Биомембраны с дефицитом фосфолипидов

Исследование центральных линий спектров электронного спинового резонанса тилакоидных мембран и водных дисперсий их общих экстрагированных липидов , меченых спиновой меткой стеариновой кислоты (имеющей спиновую или доксильную часть у 5,7,9,12,13,14 и 16-го атомов углерода, относительно карбонильной группы), выявляет градиент текучести . Уменьшение ширины линии от 5-го до 16-го атома углерода представляет собой увеличение степени свободы движения ( градиента текучести ) от стороны головной группы до метильного конца как в нативных мембранах, так и в их водном липидном экстракте (многослойная липосомальная структура, типичная для организации липидного бислоя ). 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 мембранах тилакоидов хлоропластов , по-видимому, ограничивают сегментарную подвижность липидной жирной ацильной цепи от 9-го до 16-го углерода по сравнению с их липосомальными аналогами. Удивительно, но липосомальные жирные ацильные цепи более ограничены в позициях 5-го и 7-го углерода по сравнению с этими позициями в мембранах тилакоидов. Это объяснимо из-за эффекта ограничения движения в этих позициях из-за стерических препятствий со стороны больших головных групп хлорофилла , особенно в липосомах. Однако в нативных мембранах тилакоидов хлорофиллы в основном связаны с белками в качестве комплексов, собирающих свет , и не могут в значительной степени быть свободными для ограничения текучести липидов как таковой. ^[10]

Коэффициенты диффузии

Коэффициенты диффузии флуоресцентных липидных аналогов составляют около 10−8 ^см2 / ^с в жидких липидных мембранах. В гелевых липидных мембранах и природных биомембранах коэффициенты диффузии составляют около 10−11 ^см2 / ^с до 10−9 ^см2 / ^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, подвергающиеся термическому стрессу, изменяют липидный состав своей клеточной мембраны (см. гомеовязкостная адаптация ). Это один из способов, с помощью которого они могут регулировать текучесть своей мембраны в ответ на окружающую среду. ^[1] Известно, что текучесть мембраны влияет на функцию биомолекул, находящихся внутри или связанных с мембранной структурой. Например, связывание некоторых периферических белков зависит от текучести мембраны. ^[11] Латеральная диффузия (внутри мембранной матрицы) мембранно-связанных ферментов может влиять на скорость реакции. ^[1] Следовательно, мембранозависимые функции, такие как фагоцитоз и клеточная сигнализация , могут регулироваться текучестью клеточной мембраны. ^[12]

Смотрите также

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

Ссылки

1. Gennis, RB (1989) Биомембраны: молекулярная структура и функция . Springer, ISBN  0387967605 .
2. Yang, Xiaoguang; Sheng, Wenwen; Sun, Grace Y.; Lee, James CM. (Февраль 2011). «Влияние чисел ненасыщенности жирных кислот на текучесть мембран и зависимую от α-секретазы обработку предшественника амилоидного белка». Neurochemistry International . 58 (3): 321–329. doi :10.1016/j.neuint.2010.12.004. ISSN  0197-0186. PMC 3040984 . PMID  21184792. 
3. Лось, Дмитрий А.; Мурата, Норио (2004-11-03). «Текучесть мембран и ее роль в восприятии сигналов окружающей среды». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Биомембраны . Липидно-белковые взаимодействия. 1666 (1): 142–157. doi :10.1016/j.bbamem.2004.08.002. ISSN  0005-2736.
4. Хаймбург, Т. (2007) Тепловая биофизика мембран . Wiley-VCH, ISBN 3527404716 . 
5. Simons K, Vaz WL (2004). «Модельные системы, липидные плоты и клеточные мембраны» (PDF) . Annual Review of Biophysics and Biomolecular Structure . 33 : 269–95. doi : 10.1146/annurev.biophys.32.110601.141803. hdl : 10316/11254 . PMID  15139814.
6. Chiantia, Salvatore (2006). «Комбинированное АСМ и двухфокусное SFCS-исследование модельных мембран, демонстрирующих плот». ChemPhysChem . 7 (11): 2409–2418. doi :10.1002/cphc.200600464. PMID  17051578.
7. Гальванетто, Никола (2018). «Открытие одиночных клеток: топология зондирования и наномеханика нативных мембран». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Биомембраны . 1860 (12): 2532–2538. arXiv : 1810.01643 . doi : 10.1016/j.bbamem.2018.09.019. PMID  30273580. S2CID  52897823.
8. Баумгарт, Тобиас; Хант, Джефф; Фаркас, Элейн Р.; Уэбб, Уотт У.; Фейгенсон, Джеральд У. (2007). «Распределение флуоресцентного зонда между фазами Lo/Ld в липидных мембранах». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Биомембраны . 1768 (9): 2182–94. doi :10.1016/j.bbamem.2007.05.012. PMC 2702987. PMID  17588529 . 
9. Almeida, P. и Vaz, W. (1995). "Латеральная диффузия в мембранах", Гл. 6, стр. 305–357 в: Lipowsky, R. и Sackmann, E. (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 , т. 15(4), стр. 281-288.https://www.researchgate.net/publication/225688482_Magnetic_resonance_studies_of_dynamic_organisation_of_lipids_in_chloroplast_membranes?ev=prf_pub
11. Хаймбург, Томас и Марш, Дерек (1996). «Термодинамика взаимодействия белков с липидными мембранами». В книге Кеннета М. Мерца-младшего и Бенуа Ру (редакторы). Биологические мембраны . Бостон: Birkhäuser. стр. 405–462. doi :10.1007/978-1-4684-8580-6_13. ISBN 978-1-4684-8580-6.
12. Helmreich EJ (2003). «Влияние окружающей среды на передачу сигнала через мембраны: ретроспективный мини-обзор». Биофизическая химия . 100 (1–3): 519–34. doi :10.1016/S0301-4622(02)00303-4. PMID  12646388.