Мембранные модели - Membrane models - Wikipedia

В этой статье обсуждается клеточная мембрана модели, предложенные с 1880 по 2000 годы, которые все привели к открытию нынешних Модель жидкой мозаики мембран.
Для искусственных мембран см. Модель мембраны.

До появления электронная микроскопия в 1950-х годах ученые не знали структуру клеточная мембрана или каковы были его компоненты; биологи и другие исследователи использовали косвенные доказательства для определения мембраны прежде, чем они действительно могли быть визуализированы. В частности, через модели Overton, Langmuir, Гортер и Грендель, и Davson и Даниэлли, что было установлено, что мембраны имеют липиды, белки, а двухслойный. Появление электронного микроскопа, открытия Дж. Дэвид Робертсон, предложение Певица и Николсон, и дополнительная работа Анвин и Хендерсон все внесли свой вклад в развитие современной модели мембраны. Однако понимание прошлых моделей мембран проливает свет на сегодняшнее восприятие характеристик мембран. После интенсивных экспериментальных исследований модели мембран прошлого века уступили место моделям. модель жидкой мозаики это принято сегодня.

Мембранная теория Гортера и Гренделя (1920)

Схема расположения молекул амфипатических липидов с образованием липидный бислой. Желтый полярный Головные группы отделяют серые гидрофобные хвосты от водной цитозольной и внеклеточной среды.

Эверт Гортер и Франсуа Грендель (голландские физиологи) подошли к открытию нашей нынешней модели плазматическая мембрана структура как липидный бислой. Они просто выдвинули гипотезу, что если плазматическая мембрана представляет собой двухслойный, то площадь поверхности измеренного монослоя липидов будет в два раза больше площади поверхности плазматической мембраны. Чтобы проверить свою гипотезу, они провели эксперимент, в котором извлекли липиды из известного количества красных кровяных телец (эритроциты ) из различных источников млекопитающих, таких как люди, козы, овцы и т. д., а затем распределять липиды в виде монослоя в Желоб Ленгмюра-Блоджетт. Они измерили общую площадь поверхности плазматической мембраны красных кровяных телец, и, используя метод Ленгмюра, они измерили площадь монослоя липидов. Сравнивая эти два, они рассчитали примерное соотношение 2: 1. Монослой липидов: плазматическая мембрана. Это подтвердило их гипотезу, которая привела к выводу, что клеточные мембраны состоят из двух смежных молекулярных слоев.[1] Два ученых предложили структуру этого двухслойного материала с полярный гидрофильный головы обращены наружу к водной среде и гидрофобный хвосты обращены внутрь от водной среды по обе стороны мембраны. Хотя они пришли к правильным выводам, некоторые экспериментальные данные были неверными, например, неверный расчет площади и давления липидного монослоя и неполнота экстракции липидов. Они также не смогли описать мембранную функцию и сделали ложные предположения, например, о плазматических мембранах, состоящих в основном из липидов. Однако в целом это представление о двухслойной структуре липидов стало основным допущением для каждого последующего уточнения в современном понимании функции мембран.[2]

Модель Дэвсона и Даниелли с поддержкой Робертсона (1940–1960)

Триламинарный вид клеточной мембраны

Следуя предложению Гортера и Гренделя, неизбежно возникли сомнения по поводу правдивости использования простого липидного двухслойного слоя в качестве мембраны. Например, их модель не могла дать ответы на вопросы о поверхностном натяжении, проницаемости и электрическом сопротивлении мембран. Поэтому физиолог Хью Дэвсон и биолог Джеймс Даниэлли предположил, что в мембранах действительно есть белки. По их словам, существование этих «мембранных белков» объясняет то, на что не могла ответить модель Гортера-Гренделя.

В 1935 году Дэвсон и Даниелли предположили, что биологические мембраны состоят из двух слоев липидов, покрытых с обеих сторон тонкими слоями белка, и упростили свою модель до "маломолекулярный" теория.[3] Эта теория утверждает, что все биологические мембраны имеют "липоид «центр окружен монослоями липидов, которые покрыты монослоями белка. Короче говоря, их модель была проиллюстрирована как« сэндвич »белок-липид-белок. Модель Дэвсона-Даниелли пролила новый свет на понимание клетки мембраны, подчеркивая важную роль белков в биологических мембранах.

К 1950-м годам клеточные биологи подтвердили существование плазматических мембран с помощью электронная микроскопия (что составило более высокие разрешения). Дж. Дэвид Робертсон использовал этот метод, чтобы предложить модель мембраны агрегата.[4] По сути, он предположил, что все клеточные мембраны имеют сходную основную структуру, мембрана блока. Предложение Робертсона, использующее окрашивание тяжелыми металлами, также, казалось, мгновенно совпало с моделью Дэвсона-Даниелли. В соответствии с триламинарным рисунком клеточной мембраны, рассмотренным Робертсоном, он предположил, что мембраны состоят из двух слоев липидов, покрытых с обеих сторон тонкими слоями белков. Это предложение стало большим толчком к предложению Дэвсона и Даниелли.[5] Однако даже с подтверждением Робертсона модель Дэвсона-Даниелли имела серьезные осложнения, главным из которых было то, что изучаемые белки были в основном глобулярными и поэтому не могли вписаться в утверждение модели о тонких белковых листах. Эти трудности с моделью стимулировали новые исследования в области организации мембран и проложили путь к модели жидкой мозаики, которая была предложена в 1972 году.

Модель жидкой мозаики Сингера и Николсона (1972 г.)

Основная статья: Модель жидкой мозаики

В 1972 г. С. Джонатан Сингер и Гарт Николсон разработал новые идеи мембранной структуры. Их предложение было модель жидкой мозаики, которая сейчас является доминирующей моделью. У него есть две ключевые особенности: мозаика белков, встроенных в мембрану, и мембрана, представляющая собой жидкий двойной слой липидов. Предположение о двухслойности липидов согласуется с предыдущими моделями, но рассматривает белки как глобулярные образования, встроенные в слой, а не тонкие слои на поверхности.

Согласно модели, мембранные белки делятся на три класса в зависимости от того, как они связаны с двухслойным липидом:

  1. Интегральные белки: Погружен в двухслойный слой и удерживается на месте за счет сродства гидрофобный части белка для гидрофобных хвостов фосфолипиды на внутренней части слоя.
  2. Периферические белки: Более гидрофильный, и, следовательно, не являютсяковалентно связаны с полярными головками фосфолипидов и другими гидрофильными частями других мембранных белков на поверхности мембраны.
  3. Белки, заякоренные липидами: По существу гидрофильные, поэтому они также расположены на поверхности мембраны и ковалентно прикреплены к молекулам липидов, встроенным в слой.

Что касается жидкой природы мембраны, липидные компоненты способны двигаться параллельно поверхности мембраны и находятся в постоянном движении. Многие белки также способны к такому движению внутри мембраны. Однако некоторые из них ограничены в своей мобильности из-за того, что они прикреплены к структурным элементам, таким как цитоскелет по обе стороны от мембраны.

В целом, эта модель объясняет большую часть критики Модель Дэвсона – Даниелли. Он устранил необходимость размещения мембранных белков в тонких поверхностных слоях, предположил, что вариабельность в соотношении белок / липид на разных мембранах просто означает, что разные мембраны различаются по количеству белка, который они содержат, и продемонстрировал, как экспонирование групп липидных головок на поверхности мембраны совместима с их чувствительностью к фосфолипаза пищеварение. Кроме того, текучесть двойных слоев липидов и перемешивание их компонентов внутри мембраны позволяет легко визуализировать подвижность как липидов, так и белков.

Жидкая мозаичная модель Сингера и Николсона

Мембранная теория Хендерсона и Анвина

альтернативный текст
Переходный рецепторный потенциал катионного канала подсемейства V член 1 (TRPV1 ). Ионные каналы являются составными мембранными белками, имеющими большое значение для живых организмов.

Хендерсон и Анвин изучили фиолетовая мембрана методом электронной микроскопии, используя метод определения проекционных структур неокрашенных кристаллических образцов. Применяя метод к наклонным образцам и используя принципы, предложенные ДеРозье и Klug для комбинации таких двухмерных изображений они получили трехмерную карту мембраны с разрешением 7 Å. Карта показывает расположение белковых и липидных компонентов, расположение полипептидных цепей внутри каждой белковой молекулы и взаимосвязь белковых молекул в решетке.[6]

Микрофотографии с высоким разрешением кристаллических массивов мембранных белков, полученные при низкой дозе электронов для минимизации радиационного повреждения, были использованы для определения трехмерной структуры с помощью преобразование Фурье. Недавние исследования отрицательно окрашенных крыс гепатоцит Переходы Gap ™, подвергнутые 3-мерным реконструкциям Фурье (малодозовые электронные микрофотографии ) указывают на то, что шесть субъединиц белка расположены в цилиндре, слегка наклоненном по касательной, охватывая канал шириной 2 нм во внеклеточной области. Размеры канала внутри мембраны были более узкими, но не могли быть разрешены (Unwin and Zampighi, 1980). Небольшое радикальное движение субъединиц на концах цитоплазмы могло бы уменьшить наклон субъединицы по касательной к шестикратной оси и закрыть канал.[7]

Дальнейшие детали молекулярной организации должны появиться по мере того, как станет доступным больше методов приготовления, так что будут получены трехмерные изображения с высоким разрешением, сопоставимые с пурпурными мембранами. Используя оригинальные процедуры для анализа периодических массивов биологических макромолекулы, в котором были объединены данные из изображений с малой дозой электронов и дифракционных картин, Хендерсон и Анвин (1975) реконструировали трехмерное изображение пурпурных мембран с разрешением 0,7 нм. Встраивание глюкозы использовалось для облегчения дегидратации, а низкие дозы (<0,5 е / А *) - для уменьшения радиационного повреждения. Электронные микрофотографии неокрашенных мембран были записаны так, что единственным источником контраста был слабый фазовый контраст, вызванный дефокусировкой.

В своем эксперименте Анвин и Хендерсон обнаружили, что белок простирается к обеим сторонам липидного двойного слоя и состоит из семи α-спиралей, расположенных на расстоянии примерно 1–1,2 нм друг от друга и длиной 3,5–4,0 нм, идущих перпендикулярно плоскости мембраны. . Молекулы организованы вокруг 3-кратной оси с пространством шириной 2 нм в центре, заполненным липидами. Эта элегантная работа представляет собой самый значительный шаг вперед на данный момент, поскольку она впервые предоставила нам структуру интегрального мембранного белка in situ. Доступность аминокислотной последовательности вместе с информацией о плотности рассеяния электронов от работа Хендерсона и Анвина стимулировала усилия по построению моделей (Engleman et al., 1980), чтобы они соответствовали бактериородопсин информацию о последовательности в серию α-спиральных сегментов.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Мембрана - Введение» (PDF). Вайли-ВЧ. Получено 9 октября 2015.
  2. ^ Мир клетки Беккера (8-е изд.). Университет Висконсин-Мэдисон: Джефф Хардин. 2012 г.
  3. ^ Робертсон, Дж. Дэвид. «Мембранная структура» (PDF). jcb.rupress.org. jcb.rupress.org. Получено 9 октября 2015.
  4. ^ Хойзер, Джон Э. "Памяти Дэвида Робертсона" (PDF). heuserlab.wustl.edu. heuserlab.wustl.edu. Получено 8 октября 2015.
  5. ^ Хардин, Джефф; Kleinsmith, Lewis J .; Бертони, Грегори; Беккер, Уэйн М. (2012). Мир клетки (Восьмое изд.). США: Пирсон Бенджамин Каммингс. С. 158–163.
  6. ^ Р. Хендерсон и П. Н. Т. Анвин (4 сентября 1975 г.). «Трехмерная модель пурпурной мембраны, полученная с помощью электронной микроскопии». Природа. Кембридж: Лаборатория молекулярной биологии MRC. 257 (5521): 28–32. Bibcode:1975Натура.257 ... 28ч. Дои:10.1038 / 257028a0. PMID  1161000.
  7. ^ Мальхотра, С. К. (1983). Плазменная мембрана. Канада: John Wiley & Sons. С. 3, 92, 93, 95.