Войти
В биологии, текучесть мембран относится к вязкости в липидный бислой из в клеточной мембране или синтетической липидной мембраны. Упаковка липидов может влиять на текучесть мембраны. Вязкость мембраны может влиять на вращение и диффузию белков и других биомолекул внутри мембраны, тем самым влияя на функции этих веществ.
На текучесть мембран влияют жирные кислоты. Более конкретно, то, являются ли жирные кислоты насыщенными или ненасыщенными, влияет на текучесть мембран. Насыщенные жирные кислоты не имеют двойных связей в углеводородной цепи и имеют максимальное количество водорода. Отсутствие двойных связей снижает текучесть, делая мембрану очень прочной и плотно уложенной. Ненасыщенные жирные кислоты имеют по крайней мере одну двойную связь, создавая «петлю» в цепи. Двойная связь увеличивает текучесть. На текучесть мембран также влияет холестерин. Холестерин может сделать клеточную мембрану жидкой, а также жесткой.
На текучесть мембран может влиять ряд факторов. Один из способов увеличить текучесть мембраны - нагреть мембрану. Липиды приобретают тепловую энергию при нагревании; энергичные липиды больше перемещаются, располагаясь и перестраиваясь случайным образом, делая мембрану более жидкой. При низких температурах липиды упорядочены по бокам и организованы в мембране, а липидные цепи в основном находятся в полностью транс-конфигурации и хорошо упаковываются вместе.
Температура плавления мембраны определяется как температура, при которой мембрана переходит из кристаллической структуры в подобную жидкости или наоборот. Этот фазовый переход не является фактическим переходом между состояниями, но два уровня организации очень похожи на твердое и жидкое состояние.
Состав мембраны также может влиять на ее текучесть. Фосфолипиды мембран включают жирные кислоты различной длины и насыщенности. Липиды с более короткими цепями менее жесткие и менее вязкие, потому что они более восприимчивы к изменениям кинетической энергии из-за их меньшего размера молекулы, и у них меньше площадь поверхности, чтобы подвергаться стабилизирующим силам Лондона с соседними гидрофобными цепями. Липидные цепи с двойными углерод-углеродными связями ( ненасыщенные ) более жесткие, чем липиды, насыщенные атомами водорода, поскольку двойные связи не могут свободно вращаться. Из-за этой жесткости ненасыщенные двойные связи затрудняют сбор липидов вместе, создавая перегибы в выпрямленной углеводородной цепи. Хотя отдельные липиды могут быть более жесткими, мембраны, изготовленные из таких липидов, более текучие и имеют более низкие температуры плавления : для достижения такого же уровня текучести требуется меньше тепловой энергии, чем у мембран, изготовленных из липидов с насыщенными углеводородными цепями. Известно, что включение определенных липидов, таких как сфингомиелин, в синтетические липидные мембраны, делает мембрану более жесткой. Такие мембраны можно охарактеризовать как «стеклянное состояние, т.е. жесткие, но без кристаллического порядка».
Холестерин действует как двунаправленный регулятор текучести мембраны, потому что при высоких температурах он стабилизирует мембрану и повышает ее точку плавления, тогда как при низких температурах он интеркалирует между фосфолипидами и предотвращает их скопление вместе и повышение жесткости. Известно также, что некоторые лекарства, например лозартан, изменяют вязкость мембран. Другой способ изменить текучесть мембраны - это изменить давление. В лаборатории поддерживаемые липидные бислои и монослои могут быть созданы искусственно. В таких случаях еще можно говорить о текучести мембран. Эти мембраны поддерживаются плоской поверхностью, например дном коробки. Текучесть этих мембран можно контролировать с помощью приложенного бокового давления, например, боковыми стенками коробки.
Отдельные липидные домены с различным составом и, следовательно, текучестью мембран могут сосуществовать в модельных липидных мембранах; это можно наблюдать с помощью флуоресцентной микроскопии. Предполагается, что биологический аналог, « липидный плот », существует в клеточных мембранах и выполняет биологические функции. Кроме того, узкая кольцеобразные липидная оболочка из мембранных липидов в контакте с интегральными мембранными белками имеет низкую текучесть по сравнению с объемными липидами в биологических мембранах, так как эти молекулы липидов остаться прилипли к поверхности белковых макромолекул.
Текучесть мембраны может быть измерена с помощью электронного спинового резонанса, флуоресценции, силовой спектроскопии на основе атомно-силовой микроскопии или спектроскопии ядерного магнитного резонанса дейтерия. Измерения электронного спинового резонанса включают наблюдение за поведением спинового зонда в мембране. Эксперименты по флуоресценции включают наблюдение за флуоресцентными зондами, встроенными в мембрану. С помощью атомно-силовой микроскопии можно измерить текучесть синтетических или изолированных участков нативных мембран. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса твердого тела дейтерия включает наблюдение дейтерированных липидов. Эти методы дополняют друг друга в том смысле, что они работают в разных временных масштабах.
Текучесть мембраны можно описать двумя разными типами движения: вращательным и боковым. В электронном спиновом резонансе время корреляции вращения спиновых зондов используется, чтобы характеризовать, насколько ограничения накладываются на зонд мембраной. При флуоресценции можно использовать стационарную анизотропию зонда в дополнение ко времени корреляции вращения флуоресцентного зонда. Флуоресцентные датчики демонстрируют разную степень предпочтения в условиях ограниченного движения. В гетерогенных мембранах некоторые зонды можно найти только в областях с более высокой текучестью мембран, в то время как другие можно найти только в областях с более низкой текучестью мембран. Предпочтение разделения зондов также может быть показателем текучести мембраны. В спектроскопии ядерного магнитного резонанса дейтерия средняя ориентация связи углерод-дейтерий дейтерированного липида приводит к определенным спектроскопическим особенностям. Все три метода могут дать некоторую меру усредненной по времени ориентации соответствующей молекулы (зонда), что указывает на динамику вращения молекулы.
Боковое движение молекул внутри мембраны можно измерить с помощью ряда флуоресцентных методов: восстановление флуоресценции после фотообесцвечивания включает фотообесцвечивание равномерно маркированной мембраны интенсивным лазерным лучом и измерение времени, необходимого флуоресцентным зондам, чтобы диффундировать обратно в фотообесцвеченное пятно. Флуоресцентная корреляционная спектроскопия отслеживает колебания интенсивности флуоресценции, измеренные с помощью небольшого количества зондов в небольшом пространстве. На эти колебания влияет режим боковой диффузии зонда. Отслеживание отдельных частиц включает отслеживание траектории флуоресцентных молекул или частиц золота, прикрепленных к биомолекуле, и применение статистического анализа для извлечения информации о боковой диффузии отслеживаемой частицы.
Исследование ширины центральной линии спектров электронного спинового резонанса тилакоидных мембран и водных дисперсий их общих экстрагированных липидов, меченных спиновой меткой стеариновой кислоты (имеющей спиновый или доксильный фрагмент при 5,7,9,12,13,14 и 16-м атомах углерода, относительно карбонильной группы), обнаруживает градиент текучести. Уменьшение ширины линии с 5-го до 16-го атомов углерода представляет возрастающую степень свободы движения ( градиент текучести) от стороны головной группы до метильного конца как в нативных мембранах, так и в их водном липидном экстракте (многослойная липосомная структура, типичная для организации липидного бислоя ). Этот паттерн указывает на сходство организации липидного бислоя как в нативных мембранах, так и в липосомах. Это наблюдение имеет решающее значение, поскольку тилакоидные мембраны, состоящие в основном из галактолипидов, содержат только 10% фосфолипидов, в отличие от других биологических мембран, состоящих в основном из фосфолипидов. Белки в тилакоидных мембранах хлоропластов, по-видимому, ограничивают подвижность сегментов липидных жирных ацильных цепей от 9-го до 16-го атомов углерода по сравнению с их липосомными аналогами. Неожиданно, липосомные жирные ацильные цепи более ограничены в 5-м и 7-м положениях углерода по сравнению с этими положениями в тилакоидных мембранах. Это объяснимо из-за эффекта ограничения движения в этих положениях, из-за стерических препятствий со стороны больших головных групп хлорофилла, особенно в липосомах. Однако в нативных тилакоидных мембранах хлорофиллы в основном образуют комплексы с белками в виде светособирающих комплексов и могут не в значительной степени сдерживать липидную текучесть как таковую.
Коэффициенты диффузии флуоресцентных аналогов липидов составляют около 10 -8 см 2 / с в жидких липидных мембранах. В гелевых липидных мембранах и природных биомембранах коэффициенты диффузии составляют примерно от 10 -11 см 2 / с до 10 -9 см 2 / с.
Плавление заряженных липидных мембран, таких как 1,2-димиристоил-sn-глицеро-3-фосфоглицерин, может происходить в широком диапазоне температур. В этом диапазоне температур эти мембраны становятся очень вязкими.
Известно, что микроорганизмы, подвергающиеся тепловому стрессу, изменяют липидный состав своей клеточной мембраны (см. Гомеовязкую адаптацию ). Это один из способов регулирования текучести мембраны в зависимости от окружающей среды. Известно, что текучесть мембраны влияет на функцию биомолекул, находящихся внутри мембранной структуры или связанных с ней. Например, связывание некоторых периферических белков зависит от текучести мембран. Боковая диффузия (внутри мембранного матрикса) мембранных ферментов может влиять на скорость реакции. Следовательно, мембранозависимые функции, такие как фагоцитоз и клеточная передача сигналов, могут регулироваться текучестью клеточной мембраны.
: Мембрана находится в кристаллической фазе, уровень порядка в двухслойном слое высокий, а текучесть низкая.
: Мембрана находится в жидкокристаллической фазе, мембрана менее упорядочена и более текучая. При 37 ° C это состояние мембраны: присутствие