Войти
Модель жидкой мозаики клеточной мембраны Модель жидкой мозаики объясняет различные наблюдения относительно структуры функциональных клеточных мембран. Согласно этой биологической модели, существует липидный бислой (слой толщиной в две молекулы, состоящий в основном из амфипатических фосфолипидов), в котором белковые молекулы встроены. Липидный бислой придает текучесть и эластичность мембране. Небольшие количества углеводов также находятся в клеточной мембране. Биологическая модель, разработанная SJ Singer и G. Л. Николсон в 1972 году описывает клеточную мембрану как двумерную жидкость, которая ограничивает боковую диффузию компонентов мембраны. Такие домены определяются наличием участков внутри мембраны со специальным липидным и белковым коконом, которые способствуют образованию липидных рафтов или комплексов белка и гликопротеина. Другим способом определения мембранных доменов является ассоциация липидной мембраны с цитоскелетными нитями 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.
Химически клеточная мембрана состоит из четырех компонентов: (1) Фосфолипиды (2) Белки (3) Углеводы (4) Холестерин
Текучие свойства функциональных биологических мембран определяли с помощью экспериментов по маркировке, дифракции рентгеновских лучей и калориметрии. 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.
Предыдущие модели биологических мембран включали единичную мембранную модель Робертсона и трехслойную модель Дэвидсона-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 доказательства динамических свойств мембран.
Эксперимент Фрая-Эдидина показал, что когда две клетки сливаются, белки обеих клеток диффундируют вокруг мембрана и смешиваются, а не прикрепляются к своей области мембраны. Фрай и Эдидин провели важный эксперимент, который предоставил доказательства, подтверждающие наличие жидкости и динамической биологии. Они использовали вирус Сендай, чтобы заставить клетки человека и мыши слиться и образовать гетерокарион. Используя окрашивание антителом, 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 мембраны переходить из жидкой фазы в гелевую. Сингер и Николсон обосновали 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 нескольких областей, в поддержку своей модели, недавние достижения в флуоресцентной микроскопии и структурной биологии подтвердили жидкую мозаичную природу клеточных мембран.
Кроме того, две створки биологических мембран асимметричны и разделены на субдомены, состоящие из определенных белков или липидов, что позволяет пространственно разделить связанные биологические процессы. с мембранами. Холестерин и белки, взаимодействующие с холестерином, могут концентрироваться в липидных плотах и ограничивать клеточные сигнальные процессы только на этих плотах. Другая форма асимметрии была показана в работе Моуритсена и Блума в 1984 году, где они предложили Модель матраса липидно-белковых взаимодействий для рассмотрения биофизических доказательств того, что мембрана может варьироваться по толщине и гидрофобности белков.
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.
Мембранный бислой не всегда плоский. Локальная кривизна мембраны может быть вызвана асимметрией и недислойной организацией липидов, как обсуждалось выше. Более резкая и функциональная кривизна достигается за счет BAR-доменов, которые связываются с фосфатидилинозитом на поверхности мембраны, способствуя образованию везикул, органелл образование и деление клеток. Развитие кривизны находится в постоянном потоке и способствует динамической природе биологических мембран.
В течение десятилетия 1970 года было признано, что отдельные молекулы липидов 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 равно длине большой 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 флип-флоп). 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.
Существуют ограничения на латеральную подвижность липидных и белковых компонентов в жидкой мембране, налагаемые 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. Более того, ассоциации белок-цитоскелет опосредуют образование «цитоскелетных заборов», загонов, в которых липидные и мембранные белки могут свободно диффундировать, но редко уходят. Ограничение скорости латеральной диффузии компонентов мембраны очень важно, потому что оно позволяет функциональную специализацию определенных областей внутри клеточных мембран.
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.
Белки клеточной мембраны и гликопротеины не существуют как отдельные элементы липидной мембраны, как впервые было предложено Сингером и Николсоном в 1972. Скорее они возникают 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.
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 в билипидном слое.
Когда интегральные белки липидного бислоя привязаны к внеклеточному матриксу, 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 S.cerevisiae. кольцеобразные структуры септина (обозначены зеленым цветом) могут защемлять клеточные мембраны и расщеплять их на субдомены. 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 зачатки дрожжей.
