Посещений:
Cell-Membrane Bilayers
Плазматическая Мембрана: Модели

Lipids on the frontier: a century of cell-membrane bilayers
Michael Edidin
NATURE REVIEWS | MOLECULAR CELL BIOLOG VOLUME 4 | MAY 2003 | P. 414-417 2003



(Рис.1.)  |  The unit membrane concept.


(Рис.2.)  | The fluid mosaic membrane of Singer and Nicholson.


(Рис.3.)  |  Membrane domains.


Timeline  |  A century of cell-membrane bilayers

Box 1 | Oil spreading on water, Ms Agnes Pockels and the Langmuir trough A Langmuir trough is a simple device for controlling the spreading of an oil or fat on a water surface (see figure). The molecules in the film become orientated so that their hydrophobic tails are in the air and their polar heads are in the water. A key part of this device is a method for moving the barrier to cause a defined lateral pressure against the oil layer. This was Langmuir’s great improvement on Ms Agnes Pockels’ apparatus (see below). Oil films on water have been used and characterized in many different ways:
  • Eighteenth century BC : Babylonians spread oil for divination.
  • 1770: Benjamin Franklin experimented with the damping of surface waves by spreading olive oilon the surface of an English pond.
  • Late nineteenth century: Lord Rayleigh worked on surface tension and received a letter from Agnes Pockels who developed the Langmuir trough in her family’s kitchen. You can read more about Ms Pockels at the Contributions of 20th century women to physics web site (see Online links).
  • Early twentieth century: Langmuir 7 provided detailed explanations of the thickness of oil layers and the orientation of molecules. He developed the Langmuir film balance to measure surface tension. The diagram and information in this box were provided courtesy of M. Dennin, Department of Physics and Astronomy, University of California, Irvine, USA.
    		•
    Наше представление о клеточных мембранах как липидных бислоях результат столетних исследований, которые были сконцентрированы на липидах и белках мембран клеточной поверхности. Недавние исследования изменили картину. Все мембраны эукариотических клеток отделяют , а мембрана клеточной поверхности - плазматическая мембрана - является крайностью. Она является границей между клеткой и окружающее ее средой. Плазматическая мембрана является липидным бислоем, состав которого регулирует пересечение границы молекулами между окружением клетки и ее внутренностью. С помощью физической химии из ансамблей чистых белков моделируются мембраны in vitro из одного или двух типов липидов. Данные из этих упрощенных мембран позволяют исследовать более сложные клеточные мембраны, которые богаты белками и содержат необъяснимые массивы липидов. С помощью физической химии получена информация, как липиды ассоциируют один с др. и как они динамически взаимодействуют др. с др. и с мембранными белками. В последние годы новые технологии позолили визуализировать структуру и динамику клеточных мембран. Следующим шагом стало создание новой интегральной модели (TIMELINE).

    Membrane history: cells and models


    Cell boundaries and cell permeability. Используя стиль Rudyard Kipling,

    “In the high and far off times cells,
    O best beloved, had no plasma membranes”.

    Они имеют только ‘end layer’ — наружный слой из протоплазмы неизвестного состава и свойств. Этот конечный слой был исследован физиологами, химиками и морфологами 2. Физиологи охарактеризовали клеточную поверхность в терминах ее функций; они измерили какие мигрирующие молекулы и ионы способны пересекать границу. Было установлено, что жирорастворимые молекулы обычно пересекают границу более легко, чем растворимые в воде молекулы и ионы. Барьер клеточной поверхности, следовательно, является определенного вида липидным - “fatty oil” — богатым холестеролом и фосфолипидами1. Позднее была предложена комбинированная химичская и морфологическая модель, согласно которой этот слой всего толщиной в несколько липидов, которые покрыты белками. В 1920s и 1930s измерения способностей клеточных мембран Fricke3 показали, что плазматическая мембрана всего толщиной в 4-nm, а измерения поверхностного натяжения у многих типов клеток Harvey4 в работе 1935 вместе с Danielli и в работе Cole5 показали, что поверхность покрыта скорее белками, чем является голым липидом. Модель, разработанная в 1935 была обобщена Danielli and Davson6.

    Lipid monolayers and membrane structure. Физика и химия мембран, как известно, началась с наблюдений о распределении масел и жиров по воде - наблюдений которые возвращают нас в Вавилон в 18 столетие BC (BOX 1). В 1917, Irving Langmuir улучшил метод Agnes Pockels’ для измерения давления, которое оказывается молекулярной пленкой, когда она распределяется по воде. В первокласной работе он показал, что липиды, которые распределяются таким способом образуют мономолекулярный слой на поверхности воды. Простая арифметика дала область на молекулу липида и показала, что углеводные цепочки липидов флексибельны; они не распространяются прямо с поверхности воды, а согнуты7 .
    Эта работа вымостила путь к выяснению структуры бислоя плазматической мембраны. Первый шаг на этом пути был сделан, когда были применены методы Langmuir’s для измерения области на липидную молекулу в экстрактах липидов из мембран эритроцитов Gorter и Grendel в 1925 8. Использовав ‘Langmuir’s trough’ (BOX 1), julf они измерили область, занимаемую липидами, экстрагировнаными из ряда эритроцитов. Затем они измерили область поверхности целых эритроцитов и подсчитали, что липидов одиночного эритроцита хватает на два слоя. Они пришли к выводу, “It is clear that all our results fit in well with the supposition that the chromocytes are covered by a layer of fatty substances that is two molecules thick”. Хотя Gorter and Grendel совершили несколько экспериментальных ошибок9, ошибки взаимо поглотили др. др. и авторы пришли к правильному выводу. Так были открыты мембраны из липидного бислоя.
    The 1950s to 1980s: fluid membranes. Оптическая картина морфологии мембран получена задолго до прихода электронной микроскопии. Когда картина структуры бислоя стала ясной, то стало очевидным, что это не только структура плазматической мембраны толщиной в 75-ангстрем, но как установил Robertson, что и мембран всех клеточных органелл2 (FIG. 1). Обзор Stoeckenius и Engelman10 склонил чашу весов в пользу бислойной структуры клеточных мембран в противоположность мнению о дискретных, глобулярных субъединицах. И даже недавний обзор рассматривал различные модели инсерции белков в бислой11 . Однако, недавно были по новому интерпретированы старые работы по паттернам рентгеновской дифракции мембран12 и были получены новые доказательства физического состояния мембранных липидов13, консолидирующиеся с бислойной моделью мембран. Быстро развивающиеся методы магнитного резонанса — NMR и electron spin resonance — показывают, что бислойные липиды находятся в движении на многочисленных шкалах времени и расстояний, изгибаясь и диффундируя в плоскости мембраны. Короче, бислой является скорее всего жидким, чем плотным. Работы Лаб. McConnell и Chapman суммированы в сопутствующем обзоре14. В обзоре упоминается также о возможности того, что бислойные липиды распределены асимметрично — т.е., что два мембранных листка имеют разные составы липидов и жидкосность - это впервые было продемострировано на мембранах эритроцитов и как предполагает Bretscher11, является свойством всех мембранных бислоев.
    Расворенные вещества диффундируют в жидкости и в начале 1970s Cone и Poo а также Frye и авт. показали, что некоторые белки м. легко диффундировать в липидном бислое15–17. Коэффициенты диффузии указывают на то, что средняя вязкость бислоя в 100 раз выше, чем у воды. Теперь общепринято, что средняя вязкость липидного бислоя является сходной с таковой оливкового масла — и в более ‘exotic’ стандарте вязкости крокодильего жира в жаркий солнечный день.
    “The commonplace view now is that the average bilayer lipid viscosity is similar to that of olive oil — a more ‘exotic’ standard is the viscosity of crocodile fat on a warm summer’s day.”

    Предприняты попытки охарактиризовать свойства мембранных белков. При этом наталкивались на многочисленные трудности, т.к. мембранные белки плохо растворяются в воде. Изучение белков мембран эритроцитов11,18 и исследования белков, которые экстрагируются из различных наружных мембран привели Singer и Nicolson19 к выявлению критических различий между белками интегральной и периферической мембран в 1972. Это привело к созданию модели мембран — the fluid mosaic model (FIG. 2). Мозаицизм обеспечивается белками, которые вставлены в жидкость, которая является липидным бислоем. Модель несколько более схематична, чем предсказываемая модель, но она оказывается хорошо интегрирует разнообразные эксперименты по физике и химии мембран.
    История мембран из бислойных липидов нельзя обсуждать без учета сил, которые удерживают бислой вместе. Основная сила, которая задают форму бислою в смеси amphipathic липидов, это гидрофобная сила20, т.е. липиды образую. бислои, стобы минимизировать свой контакт с водой. Этот принцып применим и к инсерции мембранных белков в бислой - белки обычно расположены так, чтобы их гидрофобные поверхности были утоплены в липиде. Эти аминокислотные последовательности часто фланкированы заряженными или др. поляными остатками, которые взаимодействуют с водной средой на поверхности бислоя21,22.
    В модели бислойной мембраны 1980s, клеточные мембраны базируются в основном на жидком липидном бислое, в который вставлены белки. Бислой очень динамичен; липиды23 и белки24 м. сгибаться, ротировать и диффундировать латерально в двумерной жидкости. Жидкость изотропна, т.е. диффузия белков и липидов случайна независимо от того, что ей препятсвует цитоскелет и высокие концентрации мембранных белков. Липиды, непосредственно окружающие мембранный белок м. влиять на функцию белка, это м. объяснить довольно большое количество типов липидов (до 500–1,000 различного типа липидов), которые присутствуют в одиночной мембране. Существуют многочисленные идеи о купировании реакций с помощью диффузии25,26, но часто диффузия осуществляется в µm шкале, тогда как соотв. реакции происходят по шкале 10s ангстрем . Модель 1980s объясняет сложность жидкого бислоя и возможности молекулярных взаимодействий в нем диффузией и коллизией. Хотя и был кратковременный интерес к выявлению переходов липидных фаз в клеточных мембранах, но модель 1980 в основном пренебрегала возможностью того, что липиды м.б. распределены неслучайно в бислое и недооценила степень локальной упорядоченности, которая возможна в мембранах.

    The 1990s: membrane domains. Как только картина жидкой мозаичности была воспринята цитолагами, то была обрисована др. схема, согласно которой мембраны содержат участки из липидов, состав и физическое состояние которых отличается от обычных для бислоя. Этот эскиз впервые предложен Jain и White в качестве модели мембран27 и затем ему было посвящено большое число работ по выяснению формирования липидных участков в модельных мембранах. Липиды, как полагали образуют ‘domains’, это указывало на то, что участки не находятся в равновесии и не являются стабильными или долгоживущими как раздельные фазы, которые находятся в равновесии. Во-первых, в этих экспериментах использовались смеси геля и жидкости, так как показано на FIG. 3, но они затем дошли до использования систем несмешивающихся жидких липидов, которые и явились подходящими моделями биологических мембран. Некоторые измерения, проведенные на целых клетках, также выявляли липидные домены28,29, хотя некоторые домены клеточных мембран казались больше, чем те, что предполагались моделями мембран. Однако, эти различия м.б. результатом ограничений разрешающих способностей исследований клеточных мембран30,31 .
    Липидные домены были предположены, чтобы решить проблему сортировки и поставки липидов и закрепленных в липидах белков в поляризованных эпителиальных клетках32 . Эти молекулы дифференциально присутствовали на апикальной поверхности морфологически поляризованных клеток, это указывало на то, что cytoplasmic cell-sorting machinery (механизмы сортировки в клеточной цитоплазме) м. распознавать их, даже если они находятся на внутренней поверхности переносимых пузырьков33 . Предложена модель липидных платформ, плотиков (‘lipid-raft’), согласно которой липиды, которые сортируются, сегрегируют в платформы, которые богаты холестеролом и сфинголипидами. Платформа целиком затем распознается с целью переноса или благодаря тому, что она содержит также и трансмембранные белки или благодаря состоянию липидов в платформе, это каким-то образом распознается цитоплазматическими белками.
    В 1992 впервые осуществлена надежная проверка гипотезы плотиков или плавающих платформ (raft), Brown и Rose показали, что закрепленный в липиде белок и в самом деле м. втсупать липидный домен, богатый холестеролом и сфинголипидами, который м.б. выделен в холодном детергенте34 . Последние работы, которые часто менее тщательны (см. коментарии в последнем обзоре35 ), показали, что множество др. молекул, таких как сигнальные киназы, также м.б. выделены с этим детергент-нерастворимым комплексом, поэтому внимание было переключено с липидных плавающих платформ, как единиц переноса, на липидные плотики как сигнальные платформы36 . По мнению авт. большое число неудач возникло благодаря идее, что плотики представляют собой относительно большие и стабильные липидные домены, которые имеют 10s или 100s nm в диаметре. Слабой аналогией такой картины мембранного бислоя было бы наличие тысяч малых блоков масла, плавающих в море тяжелого крема. Более реалистичной картиной, однако, м. оказаться смесь тяжелого и легкого крема, которая находится на границе смешивания в одной жидкости, но она освежается за счет новых поставок одного типа крема или др.

    Modern times


    Итак, что отсутствует в нашей картине клеточной границы и почему это важно? Во-первых отсутствует элемент динамики. Мы уже отмечали, что липиды ‘dance to many tempos’ (танцуют во множестве ритмов); проблема, следовательно, в предопределении треков всех танцоров и в понимании, как они меняют свои танцы с одного темпа на др. (напр., от беспорядоченного и тесного касания к диффузии к др. липидам и затем к диффузии в и из липидных доменов, которые сохраняются в течение нескольких секунд). Метод отслеживание одиночных частиц позволяет визуализировать многие проявления латерального движения и ограничения в последовательности картин37 .
    Вторым отсутствующим элементом является перенос в и из границ. Более 20 лет тому назад Steinman показал, что в течение одного часа все плазматические мембраны некоторых клеток замещаются благодаря эндоцитозу и экзоцитозу38 . Такой перенос создает участки мембран, которые м. выглядеть как стабильные домены, но фактически диспергируют в десятки секунд39 . Это м. также разрушать и домены, находящиеся в мембранах. Хотя и имеется множество исследований по мембранному переносу (membrane traffic), но известно мало работ о пути, с помощью которого постоянный оборот мембран рандомизирует мембранные молекулы; если нет ограничивающих факторов, тогда вообще бислой д.б. изотропной жидкостью, в которой молекулы распределены случайно.. Total internal reflection микроскопия позволяет исследовать эту возможность40 .
    Третий отсутствующий элемент - это ассоциация цитоскелета с бислоем. Имеется огромное количество литературы по этому вопросу, но она не обобщена в новую модель мембран. Авт. полагает, что новая модель плазматических мембран д.б. морфологической моделью прежде всего — ‘greater membrane’, под которыми подразумевается не только бислой и вставленные в него белки, но также асимметрия распределения липидов между двумя листками бислоя плазматической мембраны и способ, с помощью которого эта асимметрия используется для соединения пограничной мембраны с остальной частью клетки. Когда мы будем иметь такую модель, мы сможем перейти от пограничной плазматической мембраны к новым границам - мембранам органелл эукариотических клеток - и авт. предвидит приятные сурпризы на этом пути.
    Michael Edidin is at the Department of Biology, Johns Hopkins University, 3400 North Charles Street, Baltimore, Maryland 21218, USA. e-mail: edidin@jhu.edu
    Сайт создан в системе uCoz