Войти
Поперечное сечение этого жидкого липидного бислоя полностью из фосфатидилхолина.
Трех основных составов фосфолипидов образуются в растворе; липосома (замкнутый бислой), мицелла и бислой. липидный бислой (или фосфолипидный бислой ) представляет собой тонкий полярный мембрана, состоящая из двух слоев липидов молекул. Эти мембраны предоставляют собой плоские листы, которые образуют непрерывный барьер вокруг всех ячеек. клеточные мембраны почти всех организмов и многих вирусов состоят из липидного бислоя, как и ядерная мембрана, окружающая ядро клетки и мембраны мембраносвязанных органелл в клетке. Липидный бислой является барьером, который удерживает ионы, белки и другие молекулы там, где они необходимы, предотвращает их диффузию в области, где они не должны находиться. Липидные бислои идеально подходят для этой роли, даже если они имеют ширину всего несколько нанометров, поскольку они непроницаемы для ядер водорастворимых (гидрофильных ) молекул. Бислои особенно непроницаемые для кожи, что позволяет регулировать концентрацию солей и pH, транспортируя ионы через свои мембраны с помощью белков, называемых ионными насосами.
Биологические бислои обычно состоят из амфифильных фосфолипиды, которые имеют гидрофильную фосфатную головку и гидрофобную хвостовую часть, состоящую из двух цепей жирных кислот. Фосфолипиды с определенными головными группами химический состав поверхности бислоя и могут, например, служить сигналом, а также «якорями» для других молекул в мембранах клеток. Так же, как и головы, хвосты липидов также могут влиять на свойства мембран, например, определяя фазу бислоя. Двухслойный слой может твердое гелевое фазовое состояние при более низких температурах, но претерпевать фазовый переход в жидкое состояние при более высоких температурах, и химические свойства липидов 'хвосты вещества на то, при какой температуре это происходит. Упаковка липидов внутрилоя также влияет на его механические свойства, включая его сопротивление растяжению и изгибу. Многие из этих свойств были изучены с использованием искусственных «модельных» бислоев, созданных в лаборатории. Везикулы, образованные модельные бислоями, также использовались в клинической практике для доставки лекарств.
Биологические мембраны обычно включают несколько типов молекул, кроме фосфолипидов. Особенно примером в клетках животных является холестерин, который помогает укрепить бислой и снизить его проницаемость. Холестерин также помогает регулировать активность некоторых интегральных мембранных белков. Интегральные мембранные белки функционируют при включении липидного бислой, и они плотно удерживаются на липидном бислое с помощью кольцевой липидной оболочки. Эти бисерные белки участвуют во многих внутри- и межклеточных процессах передачи сигналов. Определенные виды мембранных белков участвуют в процессе слияния двух бислоев. Это слияние позволяет объединить две отдельные структуры, как в акросомной реакции во время оплодотворения яйцеклетки сперматозоидом или входа вируса в клетку. Временами липидные бислои хрупки и невидимы в микроскоп, их сложно изучать. Эксперименты с бислоями часто требуют передовых методов, таких как электронная микроскопия и атомно-силовая микроскопия.
Когда фосфолипиды подвергаются воздействию воды, самостоятельно собираются в двухслойный лист с гидрофобными хвостами, направленными к центру листа. Такое изображение приводит к двум «листочкам», каждое из которых представляет собой отдельный молекулярный слой. Центр этого бислоя почти не содержит воды и не включает такие молекулы, как сахара или соль, растворяющиеся в воде. Процесс сборки управляется взаимодействми между гидрофобными молекулами (также называемый гидрофобным эффектом ). Увеличение взаимодействий между гидрофобными молекулами (вызывающее кластеризацию гидрофобных областей) позволяет молекулам воды более свободно связываться друг с другом, увеличивая энтропию системы. Этот сложный процесс включает нековалентные взаимодействия, такие как силы Ван-дер-Ваальса, электростатические и водородные связи.
Схема профиля поперечного сечения типичного липидного бислоя. Есть три различных области: полностью гидратированные головные группы, полностью дегидратированное алкановое ядро и короткая промежуточная область с частичной гидратацией. Хотя головные группы нейтральны, они обладают значительными дипольными моментами, которые обладают значительными дипольными моментами на молекулах. Липидный бислой очень тонкий по сравнению с его поперечными размерами. Если бы типичную клетку млекопитающего (диаметр ~ 10 микрометров) увеличить до размера арбуза (~ 1 фут / 30 см), липидный бислой, составляющий плазматическую мембрану, был бы толщиной примерно с кусок офисной бумаги. Несмотря на толщину всего в несколько нанометров, бислой из нескольких различных химических органов в поперечном сечении. Эти области и их поведение с окружающей средой в течение последних нескольких десятилетий характеризовались методами рентгеновской рефлектометрии, рассеяния нейтронов и ядерного магнитного резонанса.
Первая область по обе стороны от бислоя - это гидрофильная головная группа. Эта часть мембраны полностью гидратирована и обычно имеет толщину около 0,8-0,9 нм. В бислое фосфолипида фосфатная группа внутри этой гидратированной области, примерно на 0,5 нм за пределами гидрофобного ядра. В некоторых случаях гидратированная область может простираться намного дальше, например, в липидах с большим количеством белка или длинной сахарной цепью, привитыми к голове. Один из распространенных примеров такой модификации в природе является покрытием липополисахарида на внешней мембране бактерий, которое помогает удерживать водный слой вокруг бактерии для предотвращения обезвоживания.
ТЕМ изображение бактерии. Пушистый вид снаружи обусловлен слоемноцепочечных сахаров, прикрепленных к клеточной мембране. Это покрытие помогает удерживать воду, чтобы предотвратить обезвоживание бактерий. Рядом с гидратированной областью находится промежуточная область, которая лишь частично гидратирована. Этот пограничный слой имеет толщину примерно 0,3 нм. На этом коротком уровне воды падает с 2M на стороне головной группы до почти нуля на стороне хвоста (сердцевины). Гидрофобное ядро бислоя обычно имеет толщину 3-4, но это значение зависит от длины цепи и химического состава. Толщина сердцевины также значительно зависит от температуры, в частности вблизи фазового перехода.
Во многих встречающихся в природе бислоев внутренних и внешних листочков мембраны различается. В человеческих красных кровяных тельцах внутренний (цитоплазматический) листок состоит в основном из фосфатидилэтаноламина, фосфатидилсерина и фосфатидилинозита и его фосфорилированных производных. Напротив, внешний (внеклеточный) листок основан на фосфатидилхолине, сфингомиелине и различных гликолипидах. В некоторых случаях эта асимметрия образуются в клетке, и отражает их первоначальную ориентацию. Биологические функции липидной асимметрии изучены недостаточно, хотя ясно, что она используется в нескольких различных ситуациях. Например, когда клетка претерпевает апоптоз, фосфатидилсерин - обычно локализованный в цитоплазматическом листке - переносится на внешнюю поверхность: там он распознается макрофагом, который активно очищает умирающая клетка.
Липидная асимметрия, по крайней мере частично, из-за того факта, что большинство фосфолипидов синтезируется и изначально вставляется во внутреннюю монослой: те, которые составляют внешнюю монослой, переносятся из внутреннего монослоя с помощью класса ферментов, называемых флиппасы. Другие липиды, такие как сфингомиелин, по-видимому, синтезируются во внешней створке. Флиппазы являются членами более крупного семейства молекул липидов, которые также включают флоппазы, которые переносят липиды в противоположном направлении, и скрамблазы, которые рандомизируют распределение липидов по липидным бислоям (как в апоптотических клетках). В любом случае, когда только липидная асимметрия установлена, она обычно не рассеивается быстро, потому что спонтанное переключение липидов между листочками происходит очень медленно.
Можно имитировать эту асимметрию в лабораторных условиях в модельных двухслойных системах. Некоторые типы очень маленьких искусственных везикул автоматически становятся слегка асимметричными, хотя этот механизм, с помощью которого возникает асимметрия, сильно отличается от такового в клетках. Используя два разных монослоя в осаждении Ленгмюра-Блоджетт или комбинации Ленгмюра-Блоджетт и осаждения разрыва везикул, также можно синтезировать асимметричный плоский бислой. Эта асимметрия может быть потеряна со временем, поскольку липиды в поддерживаемых бислоях могут быть склонны к срабатыванию триггеров.
Диаграмма, показывающая влияние ненасыщенных липидов на бислой. Липиды с ненасыщенным хвостом (синий) нарушают упаковку липидов с насыщенным хвостом (черный). Полученный бислой имеет больше свободного пространства и, как следствие, более проницаем для воды и других малых молекул. При заданной температуре липидный бислой может существовать либо в жидкой, либо в гелевой (твердой) фазе. Все липиды имеют характерную температуру, при которой они переходят (плавятся) из гелевой фазы в жидкую. В обоих фазах молекулы липидов не перемещается через бислой, но в жидких бислоях липид будет обмениваться местами со своим соседом миллионы раз в секунду. Этот обмен случайным блужданием позволяет липиду диффундировать и, таким образом, блуждать по поверхности мембраны. В отличие от бислоев жидкой фазы, липиды в бислое гелевой фазы обладают меньшей подвижностью.
Фазовое поведение липидных бислоев в степени мощи притягивающих ван-дер-ваальсовых взаимодействий между соседними молекулами липидов. Липиды с более поздними хвостами имеют большую площадь для взаимодействия, увеличивает силу этого поведения, как следствие, снижает подвижность липидов. Таким образом, при данной температуре липид с коротким хвостом будет более жидким, чем идентичный липид с длинным хвостом. На температуру также может влиять степень ненасыщенности липидных хвостов. Ненасыщенная двойная связь может вызвать перегиб в цепи алкана, нарушая упаковку липидов. Это разрушение дополнительного пространства внутри бисло, дополнительная гибкость соседним цепям. Пример этого эффекта можно отметить в повседневной жизни, когда сливочное масло имеет большой процент насыщенных жиров, твердым при комнатной температуре, в основном ненасыщенное, является жидким.
Большинство природных мембран представляют собой сложную смесь различных липидных молекул. Если некоторые из компонентов являются жидкими при данной температуре, другие находятся в гелевой фазе, эти две фазы могут сосуществовать в пространственно разделенных областях, как айсберг, плавающий в океане. Это разделение фаз играет решающую роль в биохимических явлениях, поскольку компоненты мембраны могут разделяться на ту или иную фазу, таким образом, локально концентрироваться или активироваться. Одним из особенно важных компонентов многих смешанных фазовых систем является холестерин, который модулирует проницаемость двух слоев, механическую прочность и биохимические взаимодействия.
Хотя липидные хвосты в первую очередь модулируют поведение двухслойной фазы, именно головная группа определяет химию двухслойной поверхности. Большинство природных бислоев состоят в основном из фосфолипидов, но сфинголипиды и стерины, такие как холестерин, также являются важными компонентами. Из фосфолипидов наиболее распространенной головной группой является фосфатидилхолин (ПК), на долю которого приходится около половины фосфолипидов в большинстве клеток млекопитающих. ПК представляет собой цвиттерионную головную группу, поскольку он имеет отрицательный заряд на фосфатной группе и положительный заряд на амине, но поскольку эти локальные заряды уравновешивают, нет чистого заряда.
Другие головные группы также присутствуют в различной степени и другие фосфатидилсерин (PS) фосфатидилэтаноламин (PE) и фосфатидилглицерин (PG). Эти альтернативные головные группы создают биологические функции, которые часто зависят от контекста. Например, наличие PS на поверхности внеклеточной мембраны эритроцитов является маркером апоптоза клеток , тогда как PS в везикулах пластинки роста необходим для зарождение кристаллов гидроксиапатита и последующая минерализация кости. В отличие от ПК, некоторые другие головные группы не общий заряд, который может отличать электростатические электрические молекулы с бислоем.
Основная роль липидного бислоя в биологии заключается в отделении водных компартментов от их окружения. Без какой-либо формы барьера, отделяющего «я» от «не-я», трудно даже определить концепцию организма или жизни. Этот барьер принимает форму липидного бислоя во всех известных формах жизни, за исключением нескольких видов архей, которые используют адаптированный липидный монослой. Было даже высказано предположение, что первая форма жизни могла быть простая липидная везикула с практически единственной биосинтетической способностью произносить больше фосфолипидов. Способность к разделению липидного бислоя основывается на том факте, что гидрофильные молекулы не могут легко пересечь гидрофобное ядро двухслойного слоя, как обсуждается в разделе «Транспорт через бислой» ниже. Ядро, митохондрии и хлоропласты имеют два липидных бислоя, в то время как другие субклеточные структуры окружены одним липидным бислоем (например, плазматическая мембрана, эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи и лизосомы). См. Органеллы.
Прокариоты имеют только один липидный бислой - клеточную мембрану (также известную как плазматическая мембрана). Многие прокариоты также имеют клеточную стенку, но клеточная стенка состоит из белков или длинноцепочечных углеводов, а не липидов. Напротив, эукариоты имеют ряд органелл, включая ядро , митохондрии, лизосомы и эндоплазматический ретикулум. Все эти субклеточные компартменты окружены одними или частями липидными бислоями и вместе обычно составляют часть двухслойной области, присутствующей в клетке. Например, в печени гепатоцитах на плазматическую мембрану приходится только два процента от общей двуслойной площади клетки, в то время как эндоплазматический ретикулум содержит более пятидесяти процентов, а митохондрии - еще тридцать процентов.
Иллюстрация сигнального белка GPCR. В ответ на связывание молекул, такой как гормон с внешним доменом (синий), GPCR меняет форму и катализирует химическую реакцию во внутреннем домене (красный). Серая особенность - окружающий бислой. Вероятно, наиболее знакомая форма клеточной передачи сигналов - это синаптическая передача, при которой нервный импульс достигает конца одного нейрон передается к соседнему нейрону посредством высвобождения нейромедиаторов. Эта передача становится возможной благодаря действию синаптических пузырьков, загруженных высвобождаемыми нейротрансмиттерами. Эти везикулы сливаются с клеточной мембраной на пресинаптическом конце и высвобождают его содержимое наружу клетки. Затем содержимое диффундирует через синапс к постсинаптическому окончанию.
Липидные бислои также участвуют в передаче сигналов благодаря своей роли интегральных мембранных белков. Это чрезвычайно широкий и важный класс биомолекул. Подсчитано, что до трети протеома человека являются мембранными белками. Некоторые из этих белков связаны с внешней стороной клеточной мембраны. Примером этого является белок CD59, который идентифицирует клетки как «собственные» и, таким образом, препятствует их разрушению иммунной системой. Вирус ВИЧ ускользает от иммунной системы частично за счет трансплантации этих белков с мембраны хозяина на его собственную поверхность. В качестве альтернативы, некоторые мембранные белки проникают через бислой и служат для передачи отдельных сигнальных событий извне внутрь клетки. Наиболее распространенным классом этого типа белка является рецептор, связанный с G-белком (GPCR). GPCR ответственны за большую часть способности клетки ощущать свое окружение, и из-за этой важной роли примерно 40% всех современных лекарств нацелены на GPCR.
Помимо процессов, опосредованных белками и растворами, также возможно, чтобы липидные бислои непосредственно участвовали в передаче сигналов. Классическим примером этого является запускаемый фосфатидилсерином фагоцитоз. В норме фосфатидилсерин асимметрично распределен в клеточной мембране и присутствует только на внутренней стороне. Во время запрограммированной гибели клеток белок, называемый скрамблазой, уравновешивает это распределение, отображая фосфатидилсерин на поверхности внеклеточного бислоя. Затем присутствие фосфатидилсерина запускает фагоцитоз для удаления мертвых или умирающих клеток.
Изображение с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ТЕМ) липидного пузырька. Две темные полосы по краю - это две листочки бислоя. Исторически подобные изображения подтвердили, что клеточная мембрана представляет собой бислой . Липидный бислой представляет собой очень сложную структуру для изучения, поскольку он очень тонкий и хрупкий. Несмотря на эти ограничения, за последние семьдесят лет были разработаны десятки методов, позволяющих исследовать его структуру и функции.
Электрические измерения - это простой способ охарактеризовать важную функцию двухслойного слоя: его способность разделять и предотвращать поток ионов в растворе. Путем подачи напряжения на бислой и измерения результирующего тока определяется сопротивление двойного слоя. Это сопротивление обычно довольно высокое (10 Ом-см или более), поскольку гидрофобное ядро непроницаемо для заряженных частиц. Наличие даже нескольких отверстийнанометрового размера приводит к резкому увеличению тока. Чувствительность этой системы такова, что можно определить активность даже отдельных ионных каналов.
Эритроциты человека, просматриваемые с помощью флуоресцентного микроскопа. клеточная мембрана была окрашена флуоресцентным красителем. Масштабная линейка составляет 20 мкм. Электрические измерения не дают реального изображения, как изображения с помощью микроскопа. Липидные бислои нельзя увидеть в татуировке, потому что они слишком тонкие. Чтобы увидеть бислои, исследователи часто используют флуоресцентную микроскопию. Образец возбуждается с помощью одной длины волны света и наблюдается на другой длине волны, так что будут видны только флуоресцентные молекулы с совпадающим профилем возбуждения и излучения. Природные липидные бислои не являются флуоресцентными, поэтому используется краситель, который прикрепляется к нужным молекулам в бислое. Разрешение обычно ограничивается сотнями нанометров, что намного меньше, чем у типичной камеры, но намного больше, чем толщина липидного бислоя.
Электронная микроскопия предлагает изображение с более высоким разрешением. В электронном микроскопе луч сфокусированных электронов взаимодействует с образцом, а не лучом света, как в традиционной микроскопии. В сочетании с методами быстрого замораживания электронная микроскопия использовалась для изучения механизмов меж- и межклеточного, например, для демонстрации того, что экзоцитотические везикулы являются средством химического высвобождения в синапсах.
P-Спектроскопия ЯМР (ядерного магнитного резонанса) широко используется для исследования фосфолипидных бислоев и биологических мембран в естественных условиях. Анализ спектров P-ЯМР липидов может предоставить широкий спектр информации об упаковке липидного бислоя, фазовых переходов (гелевая фаза, физиологическая жидкокристаллическая фаза, фазы пульсации, небислойные фазы), ориентации / динамике головной группы липидов и эластических свойствх. чистого липидного бислоя и в результате связывания белков и других биомолекул.
3D-адаптированные АСМ изображения, показывающие образование трансмембранных пор (отверстий) в поддерживаемом липидном бислое 
Иллюстрация типичного АСМ изображения поддерживаемого липидного бислоя. Ямки - это дефекты в бислое, обнажающие гладкую поверхность подложки под ним. Новым методом исследования липидных бислоев является атомно-силовая микроскопия (АСМ). Вместо того, чтобы использовать луч света или частицы, очень маленький заостренный наконечник сканирует поверхность, физически контактируя с двухслойным слоем и перемещаясь по нему, как игла проигрывателя. АСМ - многообещающий метод, поскольку он позволяет получать изображения с нанометровым разрешением при комнатной температуре и даже в воде или физиологическом буфере, условиях, необходимых для естественного поведения бислоя. Используя эту возможность, AFM был использован для изучения динамического поведения бислоя, включая образование трансмембранных пор (отверстий) и фазовые переходы в поддерживаемых бислоях. Другое преимущество состоит в том, что AFM не требует флуоресцентного или изотопного мечения липидов, поскольку наконечник зонда механически взаимодействует с двухслойной поверхностью. Из-за этого одно и то же сканирование может отображать как липиды, так и связанные с ними белки, иногда даже с разрешением одной молекулы. АСМ может также исследовать механическую природу липидных бислоев.
Липидные бислои демонстрируют высокие уровни двойного лучепреломления, где показатель преломления в плоскости двойного слоя отличается от этого перпендикуляра на 0,1 показатель преломления единиц. Это было использовано для характеристик степени упорядоченности и разрушения бислоев с помощью интерферометрии с двойной поляризацией для понимания механизмов взаимодействия белков.
Липидные бислои представляют собой сложные молекулярные системы со многими степенями свободы. Таким образом, атомистическое моделирование мембраны и, в частности, ab initio расчеты ее свойств сложны и требуют больших вычислительных затрат. Недавно были успешно выполнены квантово-химические расчеты для оценки дипольного и квадрупольного моментов липидных мембран.
Большинство полярных молекул имеют низкую растворимость в углеводородном ядре липидного бислоя и, как следствие, имеют низкие коэффициенты проницаемости через бислой. Этот эффект особенно выражен для заряженных частиц, которые имеют даже более низкие коэффициенты проницаемости, чем нейтральные полярные молекулы. Анионы обычно имеют высокую скорость диффузии через бислои, чем катионы. По сравнению с ионами воды на самом деле обладает относительно большой проницаемостью через бислой, о чем свидетельствует осмотическое набухание. Когда клетка или везикула с высокой концентрацией соли помещается в раствор с низкой концентрацией соли, она набухает и в конечном итоге лопается. Такой результат не наблюдался бы, если бы вода не могла относительно легко проходить через бислой. Аномально большая проницаемость воды через бислои до сих пор полностью не изучена и продолжает оставаться предметом дискуссий. Небольшие незаряженные аполярные молекулы диффундируют через липидные бислои на много порядков быстрее, чем ионы или вода. Это относится как к жирам, так и к органическим растворителям, таким как хлороформ и эфир. Независимо от их полярного характера более крупные молекулы медленнее диффундируют через липидные бислои, чем небольшие молекулы.
Структура ионного канала калия. альфа-спирали проникают в бислой (границы обозначены красными и синими линиями), открывая отверстие, через которое проходят ионы калия Два особых класса белков имеют дело с ионными градиентами, обнаруженными через клеточные и субклеточные мембраны в природе - ионные каналы и ионные насосы. И насосы, и каналы являются интегральными мембранными белками, которые проходят через бислой, но их роли совершенно разные. Ионные насосы - это градиентные средства для использования внешних источников энергии для увеличения химического потенциала. Источником энергии может быть АТФ, как в случае Na-K-АТФазы. В качестве альтернативы, может быть другой уже существующий химический градиент, как в Ca / Na-антипортере. Благодаря действию ионных насосов клетки могут регулировать pH посредством перекачки протонов.
В отличие от ионных насосов, ионные каналы не химические градиенты, а скорее рассеивают их в приказать выполнить работу или отправить сигнал. Вероятно, наиболее знакомым и наиболее изученным примером является управляемый напряжением Na-канал, который позволяет проводить потенциал действия вдоль нейронов. Все ионные насосы имеют триггерный или «стробирующий» механизм. В примере это было электрическое смещение, но другие каналы могут быть активированы путем связывания молекулярного агониста или посредством другого конформационного изменения в другом близлежащем белке.
Схематическое изображение пиноцитоза, типа эндоцитоза Некоторые молекулы или частицы слишком велики или слишком гидрофильны для прохождения через липидный бислой. Другие молекулы могут проходить через бислой, но транспортироваться быстро в таких больших количествах, что транспорт канального типа нецелцелен. В обоих случаях эти типы груза могут перемещаться через клеточную мембрану посредством слияния или отпочкования везикул. Когда везикула образуется внутри клетки и сливается с плазматической мембраной, чтобы высвободить ее содержимое во внеклеточное пространство, этот процесс известен как экзоцитоз. В обратном процессе участок клеточной мембраны будет заключаться внутрь и в конечном итоге заключаться в часть внеклеточной жидкости для транспортировки ее в клетку. Эндоцитоз и экзоцитоз зависят от очень разных механизмов, но эти два процесса связаны и не работают без друга. Первичный механизм этой взаимозависимости - это большое количество липидного материала. В типичной клетке области бислоя, эквивалентной всей плазматической мембране, проходит цикл эндоцитоза / экзоцитоза примерно за полчаса. Если бы эти два процесса не уравновешивали друг друга, либо раздувалась бы до неуправляемого размера, либо полностью истощала свою плазматическую мембрану за короткое время.
Экзоцитоз везикул наружной мембраны (MV), высвобожденных из раздутых периплазматических карманов (p) на поверхности Salmonella 3,10: r: - патогены стыкуются с плазматической мембраной макрофагальных клеток (M) в подвздошной кишке курицы, для патогена-хозяина передача сигналов in vivo. Экзоцитоз у прокариот : Мембранный везикулярный экзоцитоз, широко известный как трафик мембранных везикул, процесс, удостоенный Нобелевской программы (2013 г.), - это традиционно считается прерогативой эукариотических клеток. Однако этот миф был разрушен с открытием, что нанопузырьки, широко известные как мембраны мембраны бактерий, перемещают бактериальные сигнальные молекулы в клетки-хозяева или клетки-мишени для выполнения множественных множественных процессы в пользу секретирующего микроба, например, при инвазии клетки-хозяина и взаимодействии микробов с окружающей средой, в целом.
Электропорация - это быстрое увеличение проницаемости бислоя, вызванное применением большое искусственное электрическое поле через мембрану. Экспериментально электропорация используется для введения гидрофильных молекул в клетки. Это особенно полезный метод для больших высокозаряженных молекул, таких как ДНК, которые никогда не будут пассивно диффундировать через гидрофобное двухслойное ядро. По этой причине электропорация является одним из ключевых методов трансфекции, а также бактериальной трансформации. Было даже высказано предположение, что электропорация в результате ударов молнии может быть механизмом естественного горизонтального переноса генов.
. Это проницаемость в первую очередь влияет на транспорт и другие гидратированные частицы, которые представляют собой механизм в мембране водой отверстий в нанометровом масштабе. Хотя электропорация и диэлектрический пробой вызывают результатом приложения электрического поля, задействованные механизмы принципиально различаются. При пробое диэлектрика материал барьера ионизируется, создавая проводящий путь. Таким образом, изменение материала носит химический характер. Напротив, во время электропорации молекулы не изменяются химически, а просто меняют положение, открывая поры, которые как проводящий путь через бислой, поскольку он заполнен водой.
Схема, показывающая две возможные конформации липидов на краю поры. На изображении липиды не перегруппировались, поэтому стенка поры гидрофобна. На нижнем изображении некоторые из липидных головок изогнуты, поэтому стенка пор является гидрофильной. Липидные бислои представляют собой достаточно большие структуры, чтобы обладать некоторыми механическими свойствами жидкостей или твердых тел. Для их описания можно использовать модуль сжатия K a, модуль изгиба K b и краевую энергию 
Как обсуждалось в разделе «Структура и организация», гидрофобное притяжение липидных хвостов в воде является основной силой, удерживающей липидные бислои вместе. Таким образом, модуль упругости бислоя в первую очередь определяется тем, какая дополнительная площадь подвергается воздействию воды, когда молекулы липидов растягиваются. При таком понимании задействованных сил неудивительно, что исследования показали, что K a сильно зависит от осмотического давления, но слабо зависит от длины хвоста и ненасыщенности. Поскольку задействованные силы настолько малы, экспериментально определить K a сложно. Большинство методов требует сложной микроскопии и очень чувствительного измерительного оборудования.
В отличие от K a, который является мерой того, сколько энергии необходимо для растяжения бислоя, K b - это мера того, сколько энергии необходимо для изгиба или изгиба бислоя. Формально модуль изгиба определяется как энергия, необходимая для деформации мембраны от ее собственной кривизны до некоторой другой кривизны. Собственная кривизна определяется отношением диаметра головной группы к диаметру хвостовой группы. Для двусторонних липидов ПК это отношение почти равно единице, так что собственная кривизна почти равна нулю. Если конкретный липид имеет слишком большое отклонение от нулевой собственной кривизны, он не будет образовывать бислой, а вместо этого будет образовывать другие фазы, такие как мицеллы или инвертированные мицеллы. Добавление небольших гидрофильных молекул, таких как сахароза, в смешанные липидные ламеллярные липосомы, полученные из тилакоидных мембран, богатых галактолипидами, дестабилизирует бислои до мицеллярной фазы. Как правило, K b не измеряется экспериментально, а рассчитывается исходя из размера K a и толщины бислоя, как три связывают.
Иллюстрация слияния липидных везикул, показывающая два результата: гемифузия и полное слияние. При гемифузии смешиваются только внешние двухслойные листочки. При полном слиянии обе створки, а также внутреннее содержимое смешиваются. Слияние - это процесс, при котором два липидных бислоя сливаются, в результате чего образуется одна связанная структура. Если это слияние полностью проходит через обе створки обоих бислоев, образуется заполненный водой мостик, образуется смесь в бислое, могут смешиваться. Альтернативно, если только одна листочка из каждого бислоя участвует в процессе слияния, говорят, что бислои гемифузированы. Влияние участвует во многих клеточных процессах, в частности, у эукариот, поскольку эукариотическая клетка в степени подразделяется на липидные двухслойные мембраны. Экзоцитоз, оплодотворение ионами яйцеклетки посредством активации сперматозоидов и перенос продуктов жизнедеятельности в лизозому - это лишь некоторые из многих из многих эукариотических, которые зависят от той или иной формы плавления. Даже проникновение патогенов может регулироваться слиянием, поскольку многие вирусы с двухслойным покрытием имеют специальные слитые белки для проникновения в клетку-хозяина.
Процесс слияния состоит из четырех основных этапов. Во-первых, задействованные мембраны должны агрегироваться, приближаясь друг к другу с точностью до нескольких нанометров. Во-втором два бислоя войти в очень тесный контакт. Чтобы достичь этого тесного контакта, две поверхности должны стать, по крайней мере, частично обезвоженными, поскольку связанная поверхностная вода, обычно присутствующая на поверхности, вызывает сильное отталкивание двух слоев. Присутствие присутствует, в частности, в частности, таких как магний и кальций, влияет на этот этап. Одна из важнейших ролей кальция в организме - регулирование слияния мембран. В-третьих, дестабилизация должна формироваться в одной точке между двумя бислоями, локально искаженная их структуры. Точная природа этого искажения неизвестна. Одна из теорий заключается в том, что между двумя бислоями должен образовываться сильно изогнутый «стержень». Сторонники этой теории считают, что она объясняет, почему фосфатидилэтаноламин, сильно изогнутый липид, способствует слиянию. Наконец, на последнем этапе слияния эти точечный дефект, компоненты двух бислоев смешиваются и диффундируют вдали от места контакта.
Схематическая иллюстрация процесса слияния посредством образования стебля. 
Схема действия белков SNARE, стыкующих везикулу для экзоцитоза. Дополнительная версия белка на везикуле и цель мембране связываются и обвиваются вокруг друг друга, сближаясь в процессе два бислоя. Ситуация еще больше усложняется при рассмотрении слияния in vivo, поскольку биологическое влияние почти всегда регулируется мембраносвязанных белков. Первые из этих белков, были изучены, были слитные белки вируса, которые позволяют заключенному в оболочку вирусу вставлять свой генетический материал в клетку-хозяин (оболочечные вирусы - это вирусы, окруженные липидным бислоем; некоторые только белковая оболочка) оболочка). Эукариотические клетки также используют слитые белки, наиболее изученными из которых являются SNARE. Белки SNARE используются для управления всем везикулярным внутриклеточным трафиком. Несмотря на годы исследований, многое еще неизвестно о функциях этого класса белков. Фактически, до сих пор ведутся активные дебаты относительно того, связаны ли SNARE с ранней стыковкой или участвуют в процессе слияния, облегчая гемифузию.
В исследованиях молекулярной и клеточной биологии часто желательно искусственно индуцировать слияние. Добавление полиэтиленгликоля (ПЭГ) вызывает слияние без агрегации или биохимического нарушения. В настоящее время эта процедура широко используется, например, путем слияния B-клеток с миеломными клетками. Полученная «гибридома » из этой комбинации экспрессирует желаемое антитело, как определено участвующую В-клеткой, но бессмертна из-за компонента меланомы. Влияние также может быть искусственно индуцировано посредством электропорации в процессе, известном как электрослияние. Считается, что это явление является результатом энергетически активных краев, образованных во время электропорации, которые могут действовать как локальные дефектные точки для зарождения стеблей между двумя бислоями.
Липидные бислои могут быть созданы искусственно в лаборатории, чтобы исследователи могли проводить эксперименты, которые невозможно провести с естественными бислоями. Их также можно использовать в области синтетической биологии для определения границ искусственных клеток. Эти синтетические системы называются модельными липидными бислоями. Существует много различных типов модельных бислоев, каждый из которых имеет экспериментальные преимущества и недостатки. Они могут быть изготовлены из синтетических или натуральных липидов. Среди наиболее распространенных модельных систем:
На сегодняшний день наиболее успешным коммерческим применением липидных бислоев было использование липосом для доставки лекарств, особенно для лечения рака. (Обратите внимание: термин «липосома», по сути, является синонимом «везикула », за исключением того, что везикула является общим термином для структур, тогда как липосома относится только к искусственным, а не естественным везикулам). Основная идея липосомальной доставки лекарственного средства заключается в том, что лекарство инкапсулируется в растворе внутри липосом, а вводится пациенту. Эти нагруженные лекарством липосомы путешествуют по системе, пока не связываются в целевом участке и не разрываются, высвобождают лекарство. Теоретически липосомы создают идеальную систему лекарств, поскольку они могут быть относительно нетоксичными, поскольку в организме есть биохимические пути для разложения липиды.
Первое поколение липосом для доставки лекарств имело простой липидный состав и имело несколько ограничений. Циркуляция в кровотоке была ограничена из-за как почечного очищения, так и фагоцитоза. Усовершенствование липидной композиции для регулирования образования пузырьков, которые адсорбируют меньше белков из сыворотки и, таким образом, менее легко распознаются иммунной системой. Наиболее значительным достижением в этой области стало прививание полиэтиленгликоля (ПЭГ) на поверхности липосом для получения «скрытых» везикул, которые циркулируют в течение длительного времени без иммунной или почечной очистки.
Первые скрытые липосомы были пассивно нацелены на опухолевые ткани. Позволяет использовать быстрый и неконтролируемый опухоли ангиогенез, они особенно «протекают» и позволяют липосомам выходить из кровотока с гораздо большей скоростью, чем нормальные ткани. Совсем недавно были предприняты действия по прививке антител или других молекулярных маркеров на поверхности липосом в их активное связывание с конкретным типом клетки или ткани. Некоторые примеры этого подхода уже проходят клинические испытания.
Еще одним потенциальным применением липидных бислоев является область биосенсоров. Временной ограничитель внутренней и внешней части камеры. На протяжении многих лет пытались использовать этот потенциал для разработки двухслойного устройства для клинической диагностики или обнаружения биотерроризма. Прогресс в этой области был медленным, хотя несколько компаний разработали автоматизированные системы обнаружения на основе липидов, они по-прежнему ориентированы на исследовательское сообщество. К ним относится Biacore (ныне GE Healthcare Life Sciences), которая предлагает одноразовый чип для использования липидных бислоев в исследованиях кинетики связывания и Nanion Inc., которая разработала автоматическую систему зажима пластыря. Также исследуются другие, более экзотические применения, такие как использование пор липидных двухслойных мембран для секвенирования ДНК с помощью Oxford Nanolabs. На сегодняшний день эта технология не оказалась коммерчески жизнеспособной.
Липидный бислой на подложке (SLB), указанный выше, достиг коммерческого успеха в качестве метода скрининга для измерения проницаемости лекарственных средств. Этот p параллельный a искусственный m embrane p ermeability a ssay метод PAMPA измеряет проницаемость через специально составленный липидный коктейль (-ы), как обнаружено, сильно коррелирует с культурами Caco-2, желудочно-кишечным трактом, гематоэнцефалическим барьером и кожей.
К началу двадцатого века ученые пришли к выводу, что клетки окружены тонким масляным барьером, но структурная природа этой мембраны была неизвестна. Два эксперимента 1925 года заложили основу для восполнения этого пробела. Путем измерения емкости растворов эритроцитов Хьюго Фрике определил, что толщина клеточной мембраны составляет 3,3 нм.
Хотя результаты этого эксперимента были точными, Фрике неверно истолковал данные означают, что клеточная мембрана представляет собой единый молекулярный слой. Профессор доктор Эверт Гортер (1881–1954) и Ф. Грендель из Лейденского университета подошел к другой точке зрения, проблема распространив липиды эритроцитов в виде монослоя на желоб Ленгмюра-Блоджетт. Когда они сравнивают площадь монослоя с площадью поверхности клеток, они представляют соотношение два к одному. Более поздний анализ показал несколько ошибок в этом эксперименте, но по счастливой случайности эти ошибки свели на нет, и из этих ошибочных данных Гортер и Грендель сделали правильный вывод - что клеточная мембрана представляет собой липидный бислой.
Эта теория была подтверждена. подтверждено с помощью электронной микроскопии в конце 1950-х годов. Хотя он не публиковал первое электронно-микроскопическое исследование липидных бислоев, Дж. Дэвид Робертсон был первым, кто утверждал, что две темные электронно-плотные полосы были головными группами и ассоциированными белками двух сопряженных липидных монослоев. В этой работе Робертсон выдвинул концепцию «единичной мембраны». Это был первый случай, когда двухслойная структура была универсально приписана всем клеточным мембранам, а также мембранам органелл.
Примерно в то же время разработка модельных мембран подтвердила, что липидный бислой представляет собой стабильную структуру, которая может существовать независимо от белков. «Окрашивая» раствор липида в органическом растворителе через отверстие, Мюллер и Рудин создали искусственный бислой и определили, что он демонстрирует боковую текучесть, высокое электрическое сопротивление и самовосстановление в ответ на прокол, все это свойства естественной клеточной мембраны. Несколькими годами позже Алек Бэнгхэм показал, что бислои в липидных везикул также могут быть сформированы простым воздействием воды на высушенный липидный образец. Это был важный шаг вперед, поскольку он показал, что липидные двухслойные образуют спонтанно через самосборка и не требуют структуры структуры поддержки.
В 1977 году Кунитаке и Окахата изготовили полностью синтетическую двухслойную мембрану из одного органического соединения - дидодецилдиметиламмонийбромида. Это ясно показывает, что двухслойная мембрана была собрана с помощью Ван-дер-Ваальсова взаимодействия.
 | На Wikimedia Commons есть материалы, связанные с липидными бислоями. |
