Модель жидкой мозаики - Fluid mosaic model - Wikipedia

Жидкая мозаичная модель клеточная мембрана

В модель жидкой мозаики объясняет различные наблюдения относительно структуры функциональных клеточные мембраны. Согласно этому биологическая модель, Существует липидный бислой (слой толщиной в две молекулы, состоящий в основном из амфипатических фосфолипидов), в котором белок молекулы встроены. Липидный бислой дает текучесть и эластичность к мембрана. Небольшие количества углеводы также находятся в клеточной мембране. Биологическая модель, разработанная SJ Singer и Г. Л. Николсон в 1972 г. описывает клеточную мембрану как двумерная жидкость что ограничивает боковая диффузия компонентов мембраны. Такие домены определяются наличием внутри мембраны участков со специальным липидным и белковым коконом, которые способствуют образованию липидные рафты или белок и гликопротеин комплексы. Другой способ определения мембранных доменов - ассоциация липидной мембраны с цитоскелет волокна и внеклеточный матрикс через мембранные белки.[1] Текущая модель описывает важные особенности, относящиеся ко многим клеточным процессам, включая: передача сигналов от клетки к клетке, апоптоз, деление клеток, почкование мембраны и слияние клеток. Модель жидкой мозаики является наиболее приемлемой моделью плазматической мембраны. Его основная функция - отделить содержимое ячейки снаружи.

Химическая косметика

Химически клеточная мембрана состоит из четырех компонентов: (1) фосфолипиды (2) белки (3) углеводы (4) холестерин.

Экспериментальные доказательства

Жидкость функциональных биологических мембран определялась с помощью маркировка эксперименты, дифракция рентгеновских лучей, и калориметрия. Эти исследования показали, что интегральные мембранные белки диффундируют со скоростью, на которую влияет вязкость липидного бислоя, в который они были встроены, и продемонстрировали, что молекулы внутри клеточной мембраны являются скорее динамическими, чем статическими.[2]

Предыдущие модели биологических мембран включали Модель мембраны блока Робертсона и Дэвидсон-Даниелли Трехслойная модель.[1] В этих моделях белки представлены в виде слоев, соседствующих с липидным слоем, а не включены в фосфолипидный бислой. В других моделях описаны повторяющиеся регулярные единицы белка и липида. Эти модели не были хорошо подтверждены микроскопией и термодинамический данные, и не вмещали доказательства динамических свойств мембраны.[1]

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

Фрай и Эдидин провели важный эксперимент, который предоставил доказательства в пользу жидкой и динамической биологии. Они использовали Сендайский вирус заставить клетки человека и мыши слиться и образовать гетерокарион. С помощью окрашивание антител, они смогли показать, что белки мыши и человека оставались разделенными на отдельные половины гетерокариона через короткое время после слияния клеток. Однако белки в конечном итоге диффундировали, и со временем граница между двумя половинами была потеряна. Снижение температуры замедляет скорость этой диффузии, заставляя фосфолипиды мембран переходить из жидкой фазы в гелевую.[3] Сингер и Николсон обосновали результаты этих экспериментов, используя свою модель жидкой мозаики.[2]

Модель жидкой мозаики объясняет изменения в структуре и поведении клеточных мембран при различных температурах, а также ассоциацию мембранных белков с мембранами. В то время как Сингер и Николсон имели существенные доказательства, полученные из различных подполей, в поддержку своей модели, недавние достижения в флуоресцентная микроскопия и структурная биология подтвердили жидкую мозаичность клеточных мембран.

Последующие события

Асимметрия мембраны

Кроме того, две створки биологических мембран асимметричны и разделены на субдомены, состоящие из определенных белков или липидов, что позволяет пространственно разделить биологические процессы, связанные с мембранами. Холестерин а белки, взаимодействующие с холестерином, могут концентрироваться в липидных плотах и ​​ограничивать клеточные сигнальные процессы только этими плотами.[4] Другая форма асимметрии была показана в работе Моуритсена и Блума в 1984 г., где они предложили Модель матраса липид-белковых взаимодействий, чтобы обратиться к биофизическим свидетельствам того, что мембрана может иметь различную толщину и гидрофобность белков.[5]

Недвухслойные мембраны

Существование недислойных липидных образований с важными биологическими функциями было подтверждено после публикации модели жидкой мозаики. Эти мембранные структуры могут быть полезны, когда клетке необходимо размножать недислойную форму, которая возникает во время деления клетки и образования щелевой переход.[6]

Кривизна мембраны

Бислой мембраны не всегда бывает плоским. Локальная кривизна мембраны может быть вызвана асимметрией и недислойной организацией липидов, как обсуждалось выше. Более резкое и функциональное искривление достигается за счет BAR домены, которые связаны с фосфатидилинозитол на поверхности мембраны, помогая в везикул формирование органелла образование и деление клеток.[7] Развитие кривизны находится в постоянном потоке и способствует динамичности биологических мембран.[8]

Движение липидов внутри мембраны

В течение десятилетия 1970 года было признано, что отдельные молекулы липидов подвергаются свободной латеральной диффузии внутри каждого из слоев липидной мембраны.[9] Диффузия происходит с высокой скоростью, при этом средняя молекула липида диффундирует на ~ 2 мкм, что примерно равно длине большого бактериальный ячейка 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 flip-flop). Однако триггер может быть усилен ферментами флиппазы. Описанные выше процессы влияют на неупорядоченную природу липидных молекул и взаимодействующих белков в липидных мембранах, что сказывается на текучести мембран, передаче сигналов, перемещении и функционировании.

Ограничения на двухслойную текучесть

Существуют ограничения на латеральную подвижность липидных и белковых компонентов в жидкой мембране, обусловленные образованием субдоменов внутри липидного бислоя. Эти подобласти возникают в результате нескольких процессов например связывание компонентов мембраны с внеклеточным матриксом, нанометрическими участками мембраны с определенным биохимическим составом, которые способствуют образованию липидных рафтов и белковых комплексов, опосредованных взаимодействиями белок-белок.[1] Кроме того, ассоциации белок-цитоскелет опосредуют образование «цитоскелетных заборов», загонов, в которых липидные и мембранные белки могут свободно диффундировать, но редко уходят.[1] Ограничение скорости латеральной диффузии компонентов мембраны очень важно, потому что оно позволяет функциональную специализацию определенных областей внутри клеточных мембран.

Липидные рафты

Липидные рафты представляют собой мембранные нанометрические платформы с определенным составом липидов и белков, которые диффундируют в боковом направлении, перемещаясь по жидкому билипидному слою. Сфинголипиды и холестерин являются важными строительными блоками липидных рафтов.[10]

Белковые комплексы

Белки клеточной мембраны и гликопротеины не существуют как отдельные элементы липидной мембраны, как впервые было предложено Зингером и Николсоном в 1972 году. Скорее, они существуют как диффундирующие комплексы внутри мембраны.[1] Сборка отдельных молекул в эти макромолекулярные комплексы имеет важные функциональные последствия для клетки; Такие как транспорт ионов и метаболитов, сигнализация, клеточная адгезия, и миграция.[1]

Цитоскелетные ограждения (загоны) и связывание с внеклеточным матриксом

Некоторые белки, встроенные в билипидный слой, взаимодействуют с внеклеточным матриксом вне клетки, филаментами цитоскелета внутри клетки и структурами, подобными кольцу септина. Эти взаимодействия оказывают сильное влияние на форму и структуру, а также на разделение. Более того, они налагают физические ограничения, которые ограничивают свободную латеральную диффузию белков и, по крайней мере, некоторых липидов внутри билипидного слоя.[1]

Когда интегральные белки липидного бислоя связаны с внеклеточным матриксом, они не могут свободно диффундировать. Белки с длинным внутриклеточным доменом могут сталкиваться с забором, образованным филаментами цитоскелета.[11] Оба процесса ограничивают диффузию непосредственно вовлеченных белков и липидов, а также других взаимодействующих компонентов клеточных мембран.

альтернативный текст
S.cerevisiae септины
Септиновые кольцевые структуры (отмечены зеленым) могут защемлять клеточные мембраны и разделять их на субдомены.

Септины представляют собой семейство GTP-связывающих белков, высоко консервативных среди эукариот. У прокариот есть похожие белки, называемые парасептинами. Они образуют компартментализующие кольцеобразные структуры, прочно связанные с клеточными мембранами. Септины участвуют в образовании таких структур, как реснички и жгутики, дендритные шипы и дрожжевые почки.[12]

Исторический график

  • 1895 – Эрнест Овертон выдвинули гипотезу, что клеточные мембраны состоят из липидов.[13]
  • 1925 – Эверт Гортер и Франсуа Грендель обнаружили, что мембраны красных кровяных телец образованы жировым слоем толщиной в две молекулы, т.е. они описали билипидную природу клеточной мембраны.[14]
  • 1935 – Хью Дэвсон и Джеймс Даниэлли предположили, что липидные мембраны представляют собой слои, состоящие из белков и липидов с пористой структурой, которые обеспечивают определенную проницаемость для определенных молекул. Затем они предложили модель клеточной мембраны, состоящую из липидного слоя, окруженного белковыми слоями с обеих сторон от него.[15]
  • 1957 – Дж. Дэвид Робертсон, основанный на исследованиях электронной микроскопии, устанавливает «гипотезу единичной мембраны». Это означает, что все мембраны в клетке, т.е. мембраны плазмы и органелл имеют одинаковую структуру: бислой фосфолипидов с монослоями белков по обе стороны от него.[16]
  • 1972 - SJ Singer и GL Nicolson предложили модель жидкой мозаики в качестве объяснения данных и последних данных, касающихся структуры и термодинамики клеточных мембран.[2]

Примечания и ссылки

  1. ^ а б c d е ж грамм час Николсон Г.Л. (2014). «Жидко-мозаичная модель структуры мембраны: по-прежнему актуальна для понимания структуры, функции и динамики биологических мембран спустя более 40 лет». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Биомембраны. 1838 (6): 1451–146. Дои:10.1016 / j.bbamem.2013.10.019. PMID  24189436.
  2. ^ а б c Певица SJ, Николсон GL (февраль 1972 г.). «Жидкая мозаичная модель структуры клеточных мембран». Наука. 175 (4023): 720–31. Дои:10.1126 / science.175.4023.720. PMID  4333397. S2CID  83851531.
  3. ^ Фрай Л.Д., Эдидин М. (1970). «Быстрое перемешивание антигенов клеточной поверхности после образования гетерокарионов мышь-человек». J Cell Sci. 7 (2): 319–35. PMID  4098863.
  4. ^ Сильвиус-младший (2005). «Разделение мембранных молекул между рафтовыми и не рафтовыми доменами: выводы из модельных исследований мембран». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Исследование молекулярных клеток. 1746 (3): 193–202. Дои:10.1016 / j.bbamcr.2005.09.003. PMID  16271405.
  5. ^ Моуритсен О.Г., Блум М. (1984). «Матрасная модель липидно-белкового взаимодействия в мембранах». Biophys J. 46 (2): 141–153. Дои:10.1016 / S0006-3495 (84) 84007-2. ЧВК  1435039. PMID  6478029.
  6. ^ ван ден Бринк-ван дер Лаан Э; и другие. (2004). «Недислойные липиды влияют на периферические и интегральные мембранные белки через изменения профиля латерального давления». Biochim Biophys Acta. 1666 (1–2): 275–88. Дои:10.1016 / j.bbamem.2004.06.010. PMID  15519321.
  7. ^ Frost A; и другие. (2009). "Суперсемейство BAR-доменов: макромолекулы, формирующие мембраны". Клетка. 137 (2): 191–6. Дои:10.1016 / j.cell.2009.04.010. ЧВК  4832598. PMID  19379681.
  8. ^ Родригес-Гарсия Р; и другие. (2009). «Бимодальный спектр колебаний кривизны двухслойных везикул: чистый изгиб плюс гибридные режимы кривизны-дилатации». Phys Rev Lett. 102 (12): 128101. Дои:10.1103 / PhysRevLett.102.128101. PMID  19392326.
  9. ^ а б c Альбертс Б., Джонсон А., Льюис Дж. И др. (2008). Молекулярная биология клетки (5-е изд.). Нью-Йорк: Наука Гарланд. С. 621–622. ISBN  978-0-8153-4105-5.
  10. ^ Лингвуд Д., Саймонс К. (2010). «Липидные рафты как мембраноорганизующий принцип». Наука. 327 (5961): 46–50. Дои:10.1126 / science.1174621. PMID  20044567. S2CID  35095032.
  11. ^ Г. Вереб; и другие. (2003). «Динамичный, но структурированный: клеточная мембрана через три десятилетия после модели Сингера – Николсона». PNAS. 100 (14): 8053–8058. Дои:10.1073 / pnas.1332550100. ЧВК  166180. PMID  12832616.
  12. ^ Джуха Саарикангас; Ив Барраль (2011). «Новые функции септинов у многоклеточных животных». Отчеты EMBO. 12 (11): 1118–1126. Дои:10.1038 / embor.2011.193. ЧВК  3207108. PMID  21997296.
  13. ^ Овертон, E (1895). "Uberdie osmotischen Eigenshafter der Lebenden Pflanzen und tierzelle". ВАКХР Натурф Гес Цюрих. 40: 159–201.
  14. ^ Э. Гортер; Ф. Грендель (1925). «О биомолекулярных слоях липоидов на хромоцитах крови». Журнал экспериментальной медицины. 41 (4): 439–443. Дои:10.1084 / jem.41.4.439. ЧВК  2130960. PMID  19868999.
  15. ^ Джеймс Даниэлли; Хью Дэвсон (1935). «Вклад в теорию проницаемости тонких пленок». Журнал клеточной и сравнительной физиологии. 5 (4): 495–508. Дои:10.1002 / jcp.1030050409.
  16. ^ Джон Э. Хойзер (1995). «Памяти Дж. Дэвида Робертсона» (PDF). Информационный бюллетень Американского общества клеточной биологии.