Модель жидкой мозаики - Fluid mosaic model
Модель жидкой мозаики объясняет различные наблюдения, касающиеся 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 . Липидный бислой дает текучесть и эластичность к мембране . Небольшое количество углеводов также содержится в клеточной мембране. Биологическая модель, разработанная SJ Singer и GL Nicolson в 1972 году, описывает клеточную мембрану как двумерную жидкость, которая ограничивает латеральную диффузию компонентов мембраны. Такие домены определяются наличием участков внутри мембраны со специальным липидным и белковым коконом, которые способствуют образованию липидных рафтов или комплексов белков и гликопротеинов . Другой способ определения мембранных доменов - это ассоциация липидной мембраны с филаментами цитоскелета и внеклеточным матриксом через мембранные белки. Текущая модель описывает важные особенности, относящиеся ко многим клеточным процессам, включая: передачу сигналов между клетками , апоптоз , деление клеток , зачатие мембран 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 была определена с помощью экспериментов по маркировке , дифракции рентгеновских лучей и калориметрии. Эти исследования показали, что интегральные мембранные белки диффундируют со скоростью, зависящей от вязкости липидного бислоя, в который они были встроены, и продемонстрировали, что молекулы внутри клеточной мембраны являются скорее динамическими, чем статическими.
Предыдущие модели биологических мембран включали единичную мембранную модель Робертсона и трехслойную модель Дэвсона-Даниелли . В этих моделях белки присутствовали в виде слоев, соседствующих с липидным слоем, а не включались в фосфолипидный бислой. В других моделях описаны повторяющиеся регулярные единицы белка и липида. Эти модели не были хорошо подтверждены данными микроскопии и термодинамики , а также не учитывали данные о динамических свойствах мембраны.
Фрай и Эдидин провели важный эксперимент, который предоставил доказательства в пользу жидкой и динамической биологии. Они использовали вирус Сендай, чтобы заставить клетки человека и мыши слиться и образовать гетерокарион . Используя окрашивание антител , они смогли показать, что белки мыши и человека оставались разделенными на отдельные половины гетерокариона через короткое время после слияния клеток. Однако в конечном итоге белки распространились, и со временем граница между двумя половинами была потеряна. Снижение температуры замедляло скорость этой диффузии, заставляя фосфолипиды мембран переходить из жидкой фазы в гелевую. Сингер и Николсон рационализировали результаты этих экспериментов, используя свою модель жидкой мозаики.
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 у Сингера и Николсона были существенные доказательства, полученные из различных областей, чтобы поддержать свою модель, недавние достижения в области флуоресцентной микроскопии и структурной биологии подтвердили жидкую мозаичную природу 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 и взаимодействующие с холестерином белки могут концентрироваться в липидных плотах и ограничивать клеточные сигнальные процессы только на этих плотах. Другая форма асимметрии была показана в работе Mouritsen и Bloom в 1984 году, где они предложили Матрасную модель липид-белковых взаимодействий для рассмотрения биофизических доказательств того, что мембрана может иметь различную толщину и гидрофобность белков.
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 размножаться в недислойной форме, что происходит во время деления клетки и образования щелевого соединения .
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-доменов , которые связываются с фосфатидилинозитолом на поверхности мембраны, способствуя образованию пузырьков , органелл и делению клеток. Развитие кривизны находится в постоянном потоке и способствует динамичности биологических мембран.
Движение липидов внутри мембраны
В течение десятилетия 1970 года было признано, что отдельные липидные молекулы подвергаются свободной латеральной диффузии внутри каждого из слоев липидной мембраны. Диффузия происходит с высокой скоростью, при этом средняя молекула липида диффундирует на ~ 2 мкм, что примерно соответствует длине крупной бактериальной клетки, примерно за 1 секунду. Также было замечено, что отдельные молекулы липидов быстро вращаются вокруг своей оси. Более того, молекулы фосфолипидов могут, хотя и редко, мигрировать с одной стороны липидного бислоя на другую (процесс, известный как триггер). 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 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 взаимодействиями белок-белок. Более того, ассоциации белок-цитоскелет опосредуют образование «цитоскелетных заграждений», загонов, в которых липидные и мембранные белки могут свободно диффундировать, но редко уходят. Ограничение скорости латеральной диффузии компонентов мембраны 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 в боковом направлении, перемещаясь по жидкому билипидному слою. Сфинголипиды и холестерин являются важными строительными блоками липидных рафтов.
Белковые комплексы
Белки клеточной мембраны и гликопротеины не существуют как отдельные элементы липидной мембраны, как впервые было предложено Сингером и Николсоном в 1972 году. Скорее, они существуют как диффундирующие комплексы внутри мембраны. 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 .
Цитоскелетные заборы (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 компартментализацию . Более того, они налагают физические ограничения, которые ограничивают свободную латеральную диффузию белков и, по крайней мере, некоторых липидов внутри билипидного слоя.
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. Оба процесса ограничивают диффузию непосредственно вовлеченных белков и липидов, а также других взаимодействующих компонентов клеточных мембран.
Септины представляют собой семейство GTP-связывающих белков, высоко консервативных среди эукариот. У прокариот есть похожие белки, называемые парасептинами. Они образуют компартментализирующие кольцеобразные структуры, прочно связанные с клеточными мембранами. Септины участвуют в образовании таких структур, как реснички и жгутики, дендритные шипы и дрожжевые почки.
Исторический график
- 1895 - Эрнест Овертон выдвинул гипотезу о том, что клеточные мембраны состоят из липидов.
- 1925 - Эверт Гортер и Франсуа Грендель обнаружили, что мембраны эритроцитов образованы жировым слоем толщиной в две молекулы, т.е. они описали билипидную природу клеточной мембраны.
- 1935 - Хью Дэвсон и Джеймс Даниелли 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.
- 1957 - Дж. Дэвид Робертсон на основе исследований электронной микроскопии устанавливает «гипотезу единичной мембраны». Это означает, что все мембраны в клетке, то есть мембраны плазмы и органелл, имеют одинаковую структуру: бислой фосфолипидов с монослоями белков по обе стороны от него.
- 1972 - SJ Singer и GL Nicolson предложили модель жидкой мозаики в качестве объяснения данных и последних данных, касающихся структуры и термодинамики клеточных мембран.