Биомембрана это: Что такое мембрана и ее виды в современной спортивной одежде

© 2021 textiletrend.ru

Мембрана в одежде: что это такое, каковы свойства и состав мембранной ткани, как ухаживать за материалом?

Мембранная ткань – одно из самых полезных изобретений последних лет. Высокие прочность и плотность, легкость и свобода передвижения делают это полотно незаменимым при изготовлении специальной мужской одежды: для занятий спортом, охоты, работы в условиях сурового климата, а также детских костюмов. Какими критериями нужно руководствоваться при выборе одежды и обуви из мембраны?

Понятие мембранной ткани и цели ее использования в одежде

Мембрана выглядит как тонкая пленка с множеством мельчайших отверстий, которую наносят (ламинируют) на внешнюю поверхность полотна. По другой технологии текстиль пропитывают полимерным составом. Посредством такой обработки на поверхности образуется плотная химическая структура, препятствующая проникновению воды и ветра, но одновременно обеспечивающая выведение влаги, образующейся вследствие повышенной физической нагрузки.

Мембрана преимущественно используется для изготовления спецодежды. В зависимости от назначения одежды для ее пошива применяются разные типы мембраны. Для занятий зимними видами спорта используется тонкий немногослойный текстиль. При выборе экипировки для охоты отдают предпочтение бесшовной одежде из мембраны с повышенной износостойкостью.

Состав и принцип действия мембраны

Мембранное полотно состоит из верхнего, наиболее прочного, срединных тканевых и нижнего мягкого слоев. Такая структура обеспечивает наилучшую защиту от дождя и ветра.

Для изготовления мембранной ткани используются следующие материалы:

• полиуретан, образующий плотную пленку без пор, на поверхности которой влага скапливается, а затем медленно испаряется;
• полиэстер – наиболее эстетичный и прочный материал, но отличающийся недостаточным воздухообменом;
• тенсела – экологичный, мягкий и отлично впитывающий влагу материал, отличающийся низкой устойчивостью к деформации;
• хлопок – наиболее мягкая и гипоаллергенная ткань, использующаяся для изготовления детских вещей;
• тефлон – ткань, обладающая максимальной грязестойкостью и гидрофобностью, но при неправильном уходе ее поры быстро засоряются, препятствуют нормальному воздухообмену;
• комбинированная мембрана – материал, сочетающий в себе свойства тефлона и полиуретана.

Мембранные ткани обладают избирательной паропроницаемостью. Они работают таким образом, что маленькие молекулы пара легко выходят через ее поры, а крупные капли дождя просто скатываются с ее поверхности. Это происходит из-за разницы между давлением внешней среды и пространства между одеждой и кожей, поэтому для поддержания комфортного микроклимата нужно постоянно двигаться.

Основные характеристики ткани

Чтобы правильно выбрать мембрану, руководствуются следующими критериями:

• Водонепроницаемостью – показателем давления воды, которое полотно может выдерживать без промокания. Существуют 3 степени водонепроницаемости мембраны: менее 5000 мм – подходит для прогулок под моросящим дождем, от 10000 до 15000 мм – защищает от сильного дождя при условии отсутствия ноши на плечах и спине, от 20000 мм – выдерживает осадки любой интенсивности.
• Паропроницаемостью – показателем количества пара, который может быть выведен через 1 м2 полотна за 24 часа, не задерживаясь в волокнах в виде конденсата. Показатели паропроницаемости указываются в г/м2 и варьируются в пределах от 3000 и до более чем 20000 г/м2, но могут указываться и в RET – сопротивляемости материала проходящим через него испарениям. Наилучшей является мембрана с RET 0-6, хуже всего пропускает воздух ткань с показателями 20-30.

Вещи из мембраны предназначены для защиты от осадков и ветра, обеспечения воздухообмена и поддержания нормальной температуры тела, но не для согревания.

Чтобы сохранить тепло и обеспечить выведение испарений, не давая им накапливаться в тканях, нужно надевать 3 слоя одежды: 1-й – термобелье, 2-й – вещи из шерсти или синтетики, отводящей влагу, 3-й – верхнюю одежду из мембраны.

Достоинства и недостатки материала

Одежда из мембраны – это изделия с выраженными водоотталкивающими свойствами и способностью поддерживать нормальную температуру тела. Вещи из такого текстиля оптимальны как для непогоды с ветром и моросящим дождем, так и для сильного мороза. Другие преимущества одежды из мембраны:

• легкость и удобство ношения;
• защита от перегрева и переохлаждения при ношении с термобельем и водоотталкивающей одеждой;
• грязеотталкивающие свойства;
• привлекательный внешний вид.

Желая приобрести костюм из мембранной ткани, нужно приготовиться выложить за него крупную сумму. Не стоит покупать дешевую мембрану, обладающую меньшей износостойкостью, чем дорогие образцы. Такая одежда требует особого ухода и моментально приходит в негодность, если ее, например, неправильно постирать. Вещи из мембранной ткани нужно носить строго по назначению, т. е. они не подходят для ежедневной носки.

Разновидности мембран по строению и назначению

Виды мембранной ткани в зависимости от строения и принципа работы:

• Пористая. Оптимальный размер пор такого текстиля уберегает его от проникновения капель дождя, но позволяет беспроблемно выводить капли пара, предупреждая чрезмерное потение. Недостатками пористой мембраны являются засорение микроотверстий и быстрая потеря защитных свойств из-за неправильного ухода.
• Непористая. Не имеет пор, поэтому пар локализуется внутри ткани, после чего выталкивается наружу из-за разницы давления внутри и снаружи полотна. Вещи с полиуретановой пленкой отличаются высокой износостойкостью и могут носиться при любой температуре, но из-за длительного выведения капель пота создается впечатление, что одежда постоянно мокрая.
• Комбинированная. Внутри изделия используется пористое полотно, снаружи – непористое, что обеспечивает наивысшее качество вещи. Этот материал стоит дороже остальных и применяется для изготовления функциональной одежды (см. на фото).

Виды и маркировки материала в зависимости от слоев:

• Двухслойный, или 2l, предусматривающий нанесение на изнаночную сторону ткани мембранного покрытия. Его преимуществом является легкость и наилучший воздухообмен. Вещи из этой мембраны рекомендуется носить во время занятий спортом и активных прогулок.
• Два с половиной слоя, или 2,5l. В этом случае к изнанке изделия дополнительно крепят сетку или защитное покрытие, благодаря чему мембрана не соприкасается с одеждой и дольше сохраняет свои свойства. Применяется преимущественно для пошива горнолыжного снаряжения.
• Трехслойная, или 3l. В этом случае мембрана с 2-х сторон защищена материалом, что делает вещь более износостойкой, но и дорогой. Такая ткань используется при пошиве одежды для ношения в экстремальных условиях, суровом климате.

В зависимости от цели использования мембранная ткань делится на:

• Ветрозащитную. В этом случае синтетическую ткань, чаще всего флис, пропитывают водоотталкивающими пропитками. Вещи из этого полотна имеют доступную цену и более легкие в уходе, используются в осенне-весенний период, когда дуют ветры, но нет сильных дождей.
• Ветро- и влагозащитную – универсальный материал, чаще всего использующийся для пошива спецодежды, поэтому подходит для ношения во время сильных морозов и снегопадов.

На что нужно обратить внимание при покупке одежды с мембраной?

В первую очередь нужно определить цель использования одежды из мембраны, после чего обозначить оптимальные характеристики водонепроницаемости и паропроницаемости и составить примерное описание будущей покупки. Другие критерии выбора одежды из мембранной ткани:

• Швы. Чтобы предупредить проникновение влаги через отверстия, неизбежно появляющиеся из-за прошивания полотна швейной иглой, швы проклеивают специальной лентой. Со временем это покрытие смывается, поэтому нужно периодически пропитывать вещи водоотталкивающими средствами.
• Наличие дополнительной вентиляции – молний в области подмышек, вдоль внутреннего шва брюк, откидных карманов, позволяющих быстрее выводить пар, образующийся при интенсивных физических нагрузках.

• Удобство капюшона – он не должен сползать на глаза, стягивать или, наоборот, слетать с головы. Для демисезонных курток подходят капюшоны простого кроя, для горнолыжного снаряжения – плотно прилегающие к шлему, имеющие несколько уровней регулирования.
• Качество фурнитуры. В одежде из мембранного материала трудно поменять молнию без риска нарушения герметичности швов, поэтому во время покупки нужно несколько раз проверить ее целостность. Рассматривая дорогое изделие, можно заметить, что молнии обработаны специальным полимером, обеспечивающим максимальное прилегание зубцов друг к другу и препятствующим проникновению влаги. В крайнем случае молния должна закрываться тканевой планкой.

Ведущие производители мембранной ткани

Цена на изделия из мембраны также зависит от «именитости» производителя. W.L.Gore and Associates стала первой компанией, начавшей использовать мембранные волокна. Материал изначально использовался для изготовления снаряжения для астронавтов, позднее – для альпинизма и горного туризма. В рейтинг популярных изготовителей вещей из мембраны также входят: The North Face, Marmot, Black Yak, Arcteryx, Norrona, Decathlon и др.

Особенности ухода за материалом

Чтобы надолго сохранить качество вещей, нужно придерживаться следующих правил ухода:

• стирка специальными средствами, ни в коем случае не порошком или составами с хлором, разрушающими защитный слой;
• чистка незначительных загрязнений щеткой и тканью, смоченной в воде;
• ручная стирка или стирка в машине в деликатном режиме без отжима;
• отказ от химчистки;
• очищение мембранной кожаной обуви водой и мягкой тканью, из нубука – сухой щеткой, из текстиля – губкой и моющим средством на водной основе;
• периодическая пропитка вещей водоотталкивающими средствами;
• ни в коем случае не гладить вещи из мембраны.

Куртку из мембраны нужно сушить естественным путем, раскладывая на горизонтальной поверхности. Обувь после чистки следует промокнуть сухой тканью. Когда с куртки стечет вода, ее нужно повесить на вешалку до окончательного высыхания. Помещение должно хорошо проветриваться, но важно исключить попадание на мембрану прямых солнечных лучей, чтобы предупредить ее выгорание. Не нужно устанавливать вблизи вещей нагревательные приборы.

Поделитесь с друьями!

Топ-5 мембран на все случаи жизни

Несмотря на то, что в названии статьи сказано обо всех случаях жизни, конечно, надо понимать, что производители мембранных тканей – не джины из бутылки, и решить все проблемы пользователей не способны, хоть и очень стараются. Дабы составить представление о том, что такое мембранные ткани и какие задачи они способны решать, давайте коротко разберемся в строении мембран, способах производства и свойствах.

Виды мембран

Мембранные ткани различаются строением, методом производства и образом действия. По строению мембраны делятся на беспоровые, поровые, комбинированные и электроспиннинговые.

Беспоровые мембраны (гидрофильные) – сплошное покрытие, осуществляющее транспортировку влаги изнутри за счет диффузии. Необходима разница в давлении и влажности. Поэтому, прежде чем выйти наружу, влага скапливается внутри мембраны в достаточном для вытеснения на поверхность количестве. Материал всегда ощущается слегка влажным. Соответственно, беспоровая мембрана не слишком хорошо выводит пары влаги при открытой вентиляции, влажной погоде и при минусовых температурах. К положительным качествам можно отнести долговечность, высокие показатели водостойкости и паропроницаемости, абсолютную ветроустойчивость и относительно низкую стоимость. Наиболее известные примеры: Toray Dermizax, Marmot Membrane, Mountain Hardware Conduit.

Поровые мембраны (гидрофобные) – представляют собой тонкий слой полиуретана или тефлона (политетрафторэтилена – ПТФЭ), растянутый до такой степени, что распадается на отдельные волокна, между которыми образуются поры. Поровые мембраны хорошо работают на отведение паров влаги и имеют хорошую водостойкость. Такие мембраны работают во влажной атмосфере и при низких температурах. Однако, поры быстро загрязняются, а сама мембрана слишком нежна и подвержена повреждениям от механического воздействия. Наиболее известные примеры: Gore-Tex 30-летней давности, первые мембраны eVent и другие.

Поровая мембрана под микроскопом

Комбинированные мембранные материалы сочетают в себе поровую мембрану и беспоровое покрытие, защищающее ее от механических повреждений. Классический представитель данной конструкции – современный Gore-Tex. Беспоровое покрытие значительно тоньше стандартной беспоровой полиуретановой мембраны, а потому ее недостатки практически не проявляются. Таким образом, комбинированный мембранный материал обладает преимуществами поровых мембран и надежностью беспорового покрытия.

Электроспиннинговый мембранный материал — относительно свежее изобретение. Яркими представителями служат Polartec Neoshell (2012 год), Outdoor Research AscentShell (2016 год) и The North Face Futurelight™ (2019 год). Особенностью конструкции является нанопокрытие из полиуретана, наносимое практически на любую ткань с помощью множества миниатюрных сопел. Процесс схож с работой струйного принтера. Толщина полиуретановых нитей настолько мала, что на поверхности ткани образуется тончайшая пространственная решетка, обладающая свойствами мембраны. Плотность мембранной пленки очень низка, ткань сохраняет эластичность и имеет чрезвычайно высокие показатели паропроницаемости. Благодаря контролируемому процессу характеристиками такой мембраны можно управлять еще во время нанесения нановолокон на ткань. Считается, что данная технология – будущее outdoor индустрии.

Ради чего же проводятся все эти дорогостоящие исследования, запускаются невероятные технологические процессы, создаются производственные мощности и делаются сумасшедшие открытия? Ведь можно просто надеть полиэтиленовый пакет размером с человеческий организм и остаться сухим во время сильнейшего ливня. Да, если вы бежите из дачного домика накрыть огурцы в огороде, чтобы их не побило градом. Люди, покоряющие вершины гор и проходящие маршрут  в суровых природных условиях, нуждаются в чем-то большем, чем полиэтиленовый пакет. Им необходима надежность, безопасность, максимально возможный комфорт и минимум мыслей о том, как работает их одежда, подведет ли она в самый ответственный момент. Им нужно ощущение сухости изнутри. Прочность и долговечность. Возможность довериться своему снаряжению, поскольку от этого часто зависит их жизнь.

Свойства мембран

Итак, что мы можем получить от мембранного материала?

Паропроницаемость – способность ткани выводить наружу избыточную влагу, которая непременно образуется у человека во время интенсивных нагрузок. Влага выводится в виде пара после испарения с поверхности кожи. Эта способность защищает от переохлаждения в холодную погоду и от перегрева во время физической активности.

Водостойкость – свойство мембраны препятствовать проникновению влаги снаружи. Пар и капля воды состоят из молекул одинакового размера, поскольку это всего лишь разные агрегатные состояния воды. Это мы знаем из школьного курса физики. Однако, связь между молекулами в капле значительно выше, капля плотнее, а значит, ее проще задержать на поверхности. Так и работает мембрана. Вода снаружи задерживается, не проникая внутрь, а избыточный пар изнутри свободно выводится на поверхность.

И тут кроется задачка, справиться с которой производителям мембранных материалов пока не под силу. Если придать мембране высокие показатели паропроницаемости, она потеряет в водостойкости. Сделав мембрану максимально водостойкой, чрезвычайно сложно придать ей высокие влагоотводящие показатели. Должен соблюдаться определенный баланс. Или теряется универсальность.

Ветроустойчивость или воздухопроницаемость – характеристика, описывающая возможность мембранной ткани пропускать воздух или противостоять ветру. Ветер может быть как помощником, охлаждающим организм во время высокой активности, так и ярым противником, выдувающим из-под одежды драгоценное тепло. Чем более устойчива к ветру мембранная ткань куртки или брюк, тем выше вероятность сохранения внутреннего микроклимата даже в экстремальных условиях. Показатели воздухопроницаемости крайне редко указываются производителями мембранных тканей. Чаще всего приблизительно пишут о процентах ветроустойчивости.

Топ-5

Рассмотрим пять наиболее известных мембранных тканей, достаточно универсальных, чтобы подойти «на все случаи жизни». Как мы уже поняли, всякая универсальность имеет границы. Поэтому выбирать мембранную ткань стоит, исходя из условий использования и собственных требований к конкретному снаряжению.

А вот и «случаи жизни» – сферы деятельности, в которых нам необходима высокотехнологичная одежда и обувь с мембраной:

• все виды альпинизма
• скалолазание на естественном рельефе
• зимние виды спорта: сноуборд, горные лыжи, в том числе экстремальные дисциплины, такие как фрирайд и хелиски.
• хайкинг, треккинг и горный туризм
• рыбалка и охота
• мотоспорт и автоспорт

 

Gore-Tex Pro

Согласно заявлению производителя – мембранная ткань из категории Ultimate. Бескомпромиссная защита от ветра и воды, высокие показатели паропроницаемости и отменная прочность. Везде, где от одежды требуется полная отдача, подойдет мембранная ткань Gore-Tex Pro.

Мембранные ткани Gore-Tex Pro имеют высокие показатели паропроницаемости, следовательно, при интенсивных нагрузках внутренний микроклимат будет сохраняться, что поможет избежать перегрева или переохлаждения в суровых условиях. К тому же образующийся во время двигательной активности липкий пот – явление малоприятное. Дождь, снег и попадание под водопад мембрана держит очень долгое время. В ботинках Gore-Tex Pro можно смело измерять глубину луж и долго идти по горным тропам в проливной дождь. Сухость изнутри гарантирована. Ледяной ветер остужает одежду-оболочку, но не проникает внутрь через ткань, а значит, не выдувает тепло и не охлаждает организм.

Показатели в числах:

• паропроницаемость – RET <6 м² Pa/W (тест, определяющий способность ткани сопротивляться проникновению пара; чем ниже показатель, тем лучше паропроницаемость)
• водостойкость – 28 000 мм водяного столба

Конструкция Gore-Tex Pro представляет собой 3 полноценных слоя: верхняя ткань, мембрана и внутренняя ткань. Внешний слой обычно имеет водоотталкивающую пропитку DWR, которая не позволяет ему намокать и накапливать влагу. Сухой внешний слой обеспечивает защиту от механических повреждений и беспрепятственную работу мембраны по транспортировке избыточной влаги от тела. Внутренний слой защищает мембрану от трения о средние и базовые слои одежды, не препятствует отводу влаги.

Мембрана Gore—Tex под микроскопом

Плюсы очевидны. Сюрпризы природы в виде дождя, снега и ветра обладателю комплекта одежды с мембраной Gore-Tex Pro не страшны. А значит, можно заниматься любимым видом деятельности, не отвлекаясь на мелочи. Однако если вам нравится, например, бег по пересеченной местности, и вы совершаете пробежки в любую погоду, включая июльскую жару, стоит обратить внимание на другие продукты Gore-Tex, более подходящие для теплой погоды.

Мембранные материалы Gore-Tex используют практически все известные производители снаряжения для экстремальных видов спорта. В нашем магазине это бренды Arcteryx, Asolo, Berghaus, Dakine, Haglofs, La Sportiva, Montura, Norrona, Mammut, Mountain Equipment, Mountain Hardwear, Patagonia и другие.

.

Toray Dermizax NX

Мембранная ткань Dermizax NX японского производителя Toray представляет последнее поколение беспоровых мембран. Очень тонкая и эластичная  полиуретановая ткань, имеющая кристаллическую структуру, высочайшие показатели паропроницаемости и водостойкости. Поскольку такая ткань не имеет пор, она способна растягиваться до 200%. Прочная и устойчивая к жесткой эксплуатации, не забивается частицами грязи или кожного жира, совершенно не пропускает ветер. С использованием мембраны Dermizax NX производятся эффективно работающие трехслойные ткани для одежды outdoor.

Показатели в числах:

• паропроницаемость – 30 000 до 40 000 г/м²/24ч
• водостойкость – 20 000 мм водяного столба и выше

Транспортировка влаги на поверхность материала достигается за счет процесса диффузии, благодаря разнице во влажности изнутри и снаружи. Dermizax NX осуществляет перенос быстро, демонстрируя минимальный уровень конденсации, а время является важным показателем качества мембраны. Соответственно, при высоких температурах влага будет накапливаться быстрее, транспортировка тоже ускорится.

Структура мембраны Dermizax

Группа тканей Toray Dermizax напрямую соперничает с Gore-Tex по своим характеристикам и показателям.

Бренд с мембранами группы Dermizax, представленный в нашем магазине: Bergans.

.

The North Face Futurelight™

Фирменный мембранный материал от бренда The North Face, полученный посредством электроспиннинговой технологии. В компании назвали процесс производства «наноспиннинг».

Futurelight™ – трехслойная ткань. На внешний слой из переработанных материалов нанесена тончайшая полимерная сетка. Вместо пор – микроскопические промежутки между волокнами полиуретана. Внутренний слой – мягкая подкладка, также сделанная из переработанных материалов. Внешний слой ткани обрабатывается стойкой водоотталкивающей пропиткой DWR без полифторированных соединений в составе (PFC-Free).

По утверждению производителя наноструктура мембраны Futurelight™ позволяет существенно повысить показатели паропроницаемости без ущерба водонепроницаемости и долговечности, а процесс производства – задать эти свойства на этапе нанесения волокон полиуретана на ткань. В итоге получилась водостойкая, ветрозащитная, отлично «дышащая», тонкая, эластичная и прочная ткань, способная защитить пользователя в самых суровых условиях. Плотность мембранного слоя невысока и содержит до 85% воздуха, поэтому материал имеет малый вес, сохраняет некоторую воздухопроницаемость. Плюс, с помощью данной технологии можно создавать бесшовные переходы между более водостойкими и воздухопроницаемыми зонами на одежде. То есть, в стратегически расположенных зонах мембрана будет или защищать от проникновения воды извне, или помогать телу дышать, осуществляя транспортировку влаги на поверхность с большей эффективностью.

Несмотря на свежесть разработки, уже были проведены полевые и лабораторные испытания. Компания The North Face сотрудничает с американской организацией Underwriters Laboratories Inc. (далее – UL), занимающейся стандартизацией и сертификацией в области техники безопасности. UL подвергла ткань Futurelight™ тем же испытаниям на водостойкость, что использовались для пожарного снаряжения. На одежду сбрасывалось более 200 галлонов (757 л) воды в час. Futurelight™ выдержала испытание и получила сертификат UL, гарантирующий 100% водонепроницаемость при сохранении высокого уровня воздухопроницаемости. Однако, конкретные числа компанией не раскрываются.

Показатели паропроницаемости известны и являются максимальными из существующих на рынке – верхний возможный предел 75 000 г/м²/24 ч. Мембрана превосходно работает на выведение влаги и не позволяет конденсату образовываться на внутренней поверхности одежды.

Полевые испытания прошли успешно в экстремальных условиях гор от Эвереста до первого спуска на лыжах с вершины Лходзе.

В нашем магазине товары бренда с мембраной Futurelight™ можно посмотреть здесь: The North Face.

.

Patagonia h3No

h3No – собственная разработка компании Patagonia. История и идеология бренда базируются на гуманном отношении к природе, поэтому основной отличительной особенностью тканей Patagonia является включение в их состав переработанных и биоразлагаемых  материалов. Трехслойная мембранная ткань h3No, детали производства которой не разглашаются, состоит из 100% переработанного нейлона, поликарбонатной мембраны с 13% биоразлагаемых компонентов и трикотажной подкладки. Плюс, стойкая водоотталкивающая пропитка без PFC – Deluge® DWR, которая считается более надежной, чем классическая DWR.

Чтобы продукция бренда служила дольше и менялась пользователями реже, материалам придана исключительная долговечность, прочность и износоустойчивость. Patagonia подвергает свои ткани жесточайшим тестам. Тест на прочность, например, называется «Killer Wash» – «стирка-убийца». Тест за 24 часа имитирует годы интенсивной эксплуатации во влажных условиях, проверяя продукцию на стойкость к заломам и истиранию. Тест на водостойкость предполагает три дня испытаний небольшим дождем, ливнями и на специальном оборудовании. Паропроницаемость тестируется по стандартам MVTR (Moisture Vapor Transmission Rate).

Показатели в числах:

• паропроницаемость: 15 000 г/м²/24ч
• водостойкость – 20000 мм водяного столба до теста Killer Wash и 10000 мм после теста

Таким образом, компания Patagonia вот уже несколько лет предлагает нашему вниманию одежду с собственной мембраной. Одежду, способную выдержать экстремальные нагрузки, полностью защитить от воды и ветра, эффективно транспортировать пары пота изнутри, препятствовать конденсации влаги и быстро сохнуть.

Одежда бренда Patagonia есть в наших магазинах.

 

.

Event DValpine

Мембранная ткань бренда Event производится компанией BHA Technologies с 1999 года. Огромный шаг вперед был сделан, когда появилась собственная технология Direct Venting™ (DV). Классическая поровая мембрана без покрытия быстро теряет свои свойства из-за загрязнения пор. Основными загрязнителями являются жиры, которые накапливаются в материале ePTFE (ПФТЭ) поскольку он олеофилен. Direct Venting™ Technology создало мембрану, которая всегда имеет открытые поры и не накапливает загрязнения. С этой целью на волокна мембраны наносится олеофобное покрытие, предотвращающее оседание жиров и масел и сохраняющее свойства ткани.

Благодаря технологии Direct Venting™ пары влаги свободно выходят через поры на поверхность. Материал не накапливает влагу, не нуждается в разнице давления для ее транспортировки, хорошо работает при низких температурах и в условиях высокой влажности. То есть, не имеет «болячек» первых беспоровых мембран. Организм человека даже при интенсивной нагрузке находится в так называемой «сухой зоне». Он достаточно охлаждается, чтобы не перегреться в результате неэффективного испарения, и не замерзает, поскольку влага не скапливается под одеждой.

Ламинат DValpine состоит из 3 слоев: верхний слой с обработкой DWR, мембрана с технологией Direct Venting™ и мягкая, комфортная подкладка, не препятствующая переносу влаги.

Показатели в числах:

• паропроницаемость: 20 000 г/м²/24ч
• водостойкость: 20000 мм водяного столба

В нашем магазине мембраны Event представлены брендом Hoka.

Бонус – Hydroshell Elite Pro

Hydroshell  – мембранные ткани британской компании Berghaus, которая имеет пятидесятилетний опыт создания водонепроницаемого снаряжения. Впервые одежда с мембраной Hydroshell  была представлена в 2015 году.

Hydroshell Elite Pro абсолютно водонепроницаема, обладает высокими показателями паропроницаемости, отличным соотношением прочности и веса. Сверхлегкая конструкция из 2.5 слоев, верхний из которых – прочный нейлон. Стойкая и долговечная водоотталкивающая обработка DWR, которую используют в Berghaus, не содержит полифторированных соединений в составе (PFC-Free). Производитель утверждает, что пропитка держится дольше своих аналогов и реже требует восстановления.

Показатели в числах:

• паропроницаемость: 20000 г/м2/24ч
• водостойкость: 20000 мм

В нашем магазине есть продукция бренда Berghaus с мембранами Hydroshell.

.

Заключение

Выбирать мембрану стоит, исходя из предполагаемого вида деятельности и его особенностей. Рассмотренные нами примеры максимально универсальны и способны защитить от суровых погодных условий.

Однако надо быть готовым к нескольким моментам, которые сложно обойти в процессе использования одежды из мембранных материалов.

1. Куртка с мембраной не будет корректно выполнять свою задачу, если под ней обычные вещи, не поддерживающие систему слоев. Мембрана не сможет вывести влагу, если ее накапливает белье или свитер. Куртка будет работать в качестве дождевика, а внутри все равно образуется конденсат.
2. У каждой мембраны есть предел времени или количества влаги, по окончании которого она начнет промокать. Это не значит, что материал плох. Просто он достиг своего предела.
3. Мембрана с показателем водонепроницаемости 10 000 мм водяного столба защитит вас от сильного дождя, если вы не гуляете под ним весь день. Большинству пользователей такой степени защиты достаточно. От 20 000 мм и выше – рассчитаны на экстремальный уровень. Поэтому не гоняйтесь за цифрами, выбирайте по потребностям.
4. Как и любые ткани, мембранные материалы постепенно изнашиваются и теряют свои свойства. Но можно продлить срок службы, если правильно ухаживать за своими вещами. О бережном отношении не говорим, ведь предназначены они для эксплуатации в экстремальных условиях. Хотя, это тоже помогло бы.
5. Кроме Gore-Tex, Dermizax, Futurelight, h3No, Event и Hydroshell, существует огромное количество похожих по принципу действия мембранных материалов. Старайтесь не выбирать «noname» за цену и доступность. Процесс производства, тестирования и сертификации очень дорог. Мембрана не может быть дешевой. Такая покупка не решит проблему и не прослужит долго.

 

До встречи в горах!

Перевод выполнила Драгунова Анна

Структура мембраны | Биология для майоров I

Описать структуру и функцию мембран, особенно бислоя фосфолипидов.

В результате мы узнаем о структуре мембран.

Цели обучения

• Описать строение клеточных мембран
• Определить компоненты клеточной мембраны, включая фосфолипиды, холестерин, белки и углеводы
• Объясните, почему гидрофильные вещества не могут проходить через клеточную мембрану

Структура клеточной мембраны

Плазматическая мембрана клетки определяет границу клетки и определяет характер ее контакта с окружающей средой.Клетки исключают одни вещества, поглощают другие и выделяют третьи в контролируемых количествах. Плазматические мембраны ограничивают границы клеток, но они не статичны, а динамичны и постоянно изменяются. Плазматическая мембрана должна быть достаточно гибкой, чтобы определенные клетки, такие как эритроциты и лейкоциты, могли изменять форму при прохождении через узкие капилляры. Это наиболее очевидные функции плазматической мембраны. Кроме того, поверхность плазматической мембраны несет маркеры, которые позволяют клеткам узнавать друг друга, что жизненно важно, поскольку ткани и органы формируются на раннем этапе развития, и которые позже играют роль в различении «я» и «не-я». иммунный ответ.

Плазматическая мембрана также несет рецепторы, которые являются местами прикрепления определенных веществ, взаимодействующих с клеткой. Каждый рецептор устроен так, чтобы связываться с определенным веществом. Например, поверхностные рецепторы мембраны создают изменения внутри, такие как изменения ферментов метаболических путей. Эти метаболические пути могут иметь жизненно важное значение для обеспечения клетки энергией, выработки определенных веществ для клетки или расщепления клеточных отходов или токсинов для утилизации.Рецепторы на внешней поверхности плазматической мембраны взаимодействуют с гормонами или нейротрансмиттерами и позволяют передавать свои сообщения в клетку. Некоторые сайты распознавания используются вирусами как точки прикрепления. Хотя они очень специфичны, патогены, такие как вирусы, могут развиваться, чтобы использовать рецепторы для проникновения в клетку, имитируя конкретное вещество, которое рецептор должен связывать. Эта специфичность помогает объяснить, почему вирус иммунодефицита человека (ВИЧ) или любой из пяти типов вирусов гепатита проникает только в определенные клетки.

Жидкая мозаика Модель

В 1972 году С. Дж. Сингер и Гарт Л. Николсон предложили новую модель плазматической мембраны, которая, по сравнению с более ранним пониманием, лучше объясняла как микроскопические наблюдения, так и функцию плазматической мембраны. Она получила название «жидкая мозаика » — модель . Модель со временем несколько эволюционировала, но по-прежнему лучше всего объясняет структуру и функции плазматической мембраны в том виде, в котором мы их теперь понимаем. Модель жидкой мозаики описывает структуру плазматической мембраны как мозаику компонентов, включая фосфолипиды, холестерин, белки и углеводы, в которых компоненты могут течь и менять положение, сохраняя при этом базовую целостность мембраны.Как молекулы фосфолипидов, так и встроенные белки способны быстро и латерально диффундировать в мембрану (рис. 1). Текучесть плазматической мембраны необходима для активности определенных ферментов и транспортных молекул внутри мембраны. Плазменные мембраны имеют толщину от 5 до 10 нм. Для сравнения, красные кровяные тельца человека, видимые с помощью световой микроскопии, имеют толщину примерно 8 мкм, или примерно в 1000 раз толще плазматической мембраны.

Рис. 1. Жидкая мозаичная модель структуры плазматической мембраны описывает плазматическую мембрану как жидкую комбинацию фосфолипидов, холестерина, белков и углеводов.

Плазматическая мембрана состоит в основном из бислоя фосфолипидов со встроенными белками, углеводами, гликолипидами и гликопротеинами, а в клетках животных — холестерином. Количество холестерина в плазматических мембранах животных регулирует текучесть мембраны и изменяется в зависимости от температуры окружающей среды клетки. Другими словами, холестерин действует как антифриз в клеточной мембране, и его больше у животных, живущих в холодном климате.

Основная ткань мембраны состоит из двух слоев молекул фосфолипидов, и полярные концы этих молекул (которые выглядят как набор шариков в изображении модели художником) (рис. 1) находятся в контакте с водной жидкостью. внутри и снаружи клетки.Таким образом, обе поверхности плазматической мембраны являются гидрофильными («водолюбивыми»). Напротив, внутренняя часть мембраны между двумя ее поверхностями является гидрофобной («ненавидящей воду») или неполярной областью из-за хвостов жирных кислот. Эта область не имеет притяжения для воды или других полярных молекул (мы обсудим это далее на следующей странице).

Белки составляют второй по величине химический компонент плазматических мембран. Интегральные белки встроены в плазматическую мембрану и могут охватывать всю или часть мембраны.Интегральные белки могут служить каналами или насосами для перемещения материалов в клетку или из клетки. Периферические белки находятся на внешней или внутренней поверхности мембран, прикрепленные либо к интегральным белкам, либо к молекулам фосфолипидов. Как интегральные, так и периферические белки могут служить ферментами, структурными прикреплениями волокон цитоскелета или частью сайтов узнавания клетки.

Углеводы — третий важный компонент плазматических мембран. Они всегда находятся на внешней поверхности клеток и связаны либо с белками (образуя гликопротеины), либо с липидами (образуя гликолипиды).Эти углеводные цепи могут состоять из 2–60 моносахаридных единиц и могут быть прямыми или разветвленными. Наряду с периферическими белками углеводы образуют на поверхности клетки специализированные участки, которые позволяют клеткам узнавать друг друга.

Как вирусы заражают определенные органы

Рис. 2. ВИЧ присоединяется и связывается с рецептором CD4, гликопротеином на поверхности Т-клеток, прежде чем проникнуть в клетку или инфицировать ее. (кредит: модификация работы Национальных институтов здравоохранения США / Национального института аллергии и инфекционных заболеваний)

Определенные молекулы гликопротеинов, экспонированные на поверхности клеточных мембран клеток-хозяев, используются многими вирусами для заражения определенных органов.Например, ВИЧ способен проникать через плазматические мембраны определенных видов белых кровяных телец, называемых Т-хелперами и моноцитами, а также через некоторые клетки центральной нервной системы. Вирус гепатита поражает только клетки печени.

Эти вирусы способны проникать в эти клетки, потому что клетки имеют участки связывания на своей поверхности, которые вирусы использовали с одинаково специфическими гликопротеинами в их оболочках. (Фигура 2). Клетка обманывается имитацией молекул вирусной оболочки, и вирус может проникать в клетку.Другие сайты узнавания на поверхности вируса взаимодействуют с иммунной системой человека, побуждая организм вырабатывать антитела. Антитела вырабатываются в ответ на антигены (или белки, связанные с инвазивными патогенами). Эти же сайты служат местами для прикрепления антител и либо уничтожают, либо подавляют активность вируса. К сожалению, эти сайты на ВИЧ кодируются генами, которые быстро меняются, что очень затрудняет производство эффективной вакцины против вируса. Популяция вируса внутри инфицированного человека быстро эволюционирует посредством мутаций в разные популяции или варианты, различающиеся различиями в этих сайтах распознавания.Такое быстрое изменение вирусных поверхностных маркеров снижает эффективность иммунной системы человека при атаке вируса, поскольку антитела не распознают новые вариации поверхностных структур.

Фосфолипиды

Как мы только что узнали, основная ткань мембраны состоит из двух слоев молекул фосфолипидов. Гидрофильные или «водолюбивые» области этих молекул (которые выглядят как набор шариков в изображении модели художником) (рис. 1) находятся в контакте с водной жидкостью как внутри, так и снаружи клетки.Таким образом, обе поверхности плазматической мембраны гидрофильны. Напротив, внутренняя часть мембраны между двумя ее поверхностями представляет собой гидрофобную или неполярную область из-за хвостов жирных кислот. Эта область не имеет притяжения для воды или других полярных молекул (мы обсудим это далее на следующей странице).

Гидрофобные или ненавидящие воду молекулы, как правило, неполярны. Они взаимодействуют с другими неполярными молекулами в химических реакциях, но обычно не взаимодействуют с полярными молекулами.При помещении в воду гидрофобные молекулы имеют тенденцию образовывать шар или кластер. Гидрофильные области фосфолипидов имеют тенденцию к образованию водородных связей с водой и другими полярными молекулами как снаружи, так и внутри клетки. Таким образом, поверхности мембраны, обращенные внутрь и снаружи клетки, являются гидрофильными. Напротив, внутренняя часть клеточной мембраны гидрофобна и не взаимодействует с водой. Таким образом, фосфолипиды образуют превосходную двухслойную клеточную мембрану, которая отделяет жидкость внутри клетки от жидкости вне клетки.

Рис. 3. Эта молекула фосфолипида состоит из гидрофильной головки и двух гидрофобных хвостов. Гидрофильная головная группа состоит из фосфатсодержащей группы, присоединенной к молекуле глицерина. Гидрофобные хвосты, каждый из которых содержит насыщенную или ненасыщенную жирную кислоту, представляют собой длинные углеводородные цепи.

Молекула фосфолипида (рис. 3) состоит из трехуглеродного глицеринового остова с двумя молекулами жирных кислот, присоединенными к атомам углерода 1 и 2, и фосфатсодержащей группой, присоединенной к третьему атому углерода.

Такое расположение дает всей молекуле область, описываемую как ее голова (фосфатсодержащая группа), которая имеет полярный характер или отрицательный заряд, и область, называемую хвостом (жирные кислоты), которая не имеет заряда. Голова может образовывать водородные связи, а хвост — нет. Молекула с таким расположением положительно или отрицательно заряженной области и незаряженной или неполярной области называется амфифильной или «двоякой».

Эта характеристика жизненно важна для структуры плазматической мембраны, потому что в воде фосфолипиды имеют тенденцию располагаться так, чтобы их гидрофобные хвосты были обращены друг к другу, а их гидрофильные головки были обращены наружу.Таким образом, они образуют липидный бислой — барьер, состоящий из двойного слоя фосфолипидов, который отделяет воду и другие материалы на одной стороне барьера от воды и других материалов на другой стороне. Фактически, фосфолипиды, нагретые в водном растворе, имеют тенденцию спонтанно образовывать маленькие сферы или капли (называемые мицеллами или липосомами), причем их гидрофильные головки образуют внешнюю поверхность, а их гидрофобные хвосты — внутри (рис. 4).

Рис. 4. В водном растворе фосфолипиды имеют тенденцию располагаться так, чтобы их полярные головки были обращены наружу, а их гидрофобные хвосты были обращены внутрь.(кредит: модификация работы Марианы Руис Вильярреал)

Вкратце: Структура клеточной мембраны

Современное понимание плазматической мембраны называется моделью жидкой мозаики. Плазматическая мембрана состоит из бислоя фосфолипидов, причем их гидрофобные хвосты жирных кислот контактируют друг с другом. Ландшафт мембраны усыпан белками, некоторые из которых покрывают мембрану. Некоторые из этих белков служат для транспортировки материалов в клетку или из клетки.Углеводы присоединяются к некоторым белкам и липидам на обращенной наружу поверхности мембраны. Они образуют комплексы, которые функционируют, чтобы идентифицировать клетку для других клеток. Жидкая природа мембраны обязана конфигурации хвостов жирных кислот, присутствию холестерина, встроенного в мембрану (в клетках животных), и мозаичному характеру белков и комплексов белок-углевод, которые не закреплены прочно. место. Плазматические мембраны ограничивают границы клеток, но они не статичны, а динамичны и постоянно изменяются.

Проверьте свое понимание

Ответьте на вопросы ниже, чтобы увидеть, насколько хорошо вы понимаете темы, затронутые в предыдущем разделе. В этой короткой викторине , а не засчитываются в вашу оценку в классе, и вы можете пересдавать ее неограниченное количество раз.

Используйте этот тест, чтобы проверить свое понимание и решить, следует ли (1) изучить предыдущий раздел дальше или (2) перейти к следующему разделу.

мембран

мембран Мембраны

Напомним, что фосфолипиды имеют гидрофобный конец и гидрофильный конец и что при помещении в воду они будут ориентироваться соответственно (5.11 стр.79). Это основа плазматической мембраны клетка. Клеточная мембрана состоит из бислоя фосфолипидов с внедренными белки. Обратимся к современной концептуальной модели клеточной мембраны. как модель «жидкой мозаики», поскольку фосфолипиды способны перемещаться на поверхности мембраны (жидкости) и белков много и разнообразный (мозаичный) (5.12).

Присоединяется к некоторым белкам и некоторым фосфолипидам. олигосахариды (короткие полисахариды). Когда в белке есть олигосахарид прикрепленный он называется гликопротеином.Гликолипиды — это фосфолипиды с добавлены сахарные цепочки. Эти олигосахариды находятся снаружи мембраны и используются в клетке для распознавания клетки. Они различаются между видов, среди особей и внутри особей.

Мембранные белки могут иметь ряд функций, например как транспортные белки, ферменты (подробнее об этом чуть позже), рецепторные участки, адгезия клеток, прикрепление к цитоскелету. (5.13)

Самое главное в мембранах то, что они регулировать то, что входит и выходит из клетки.Мембрана избирательно проницаема. потому что вещества не пересекают его без разбора.

Некоторые молекулы, например углеводороды и кислород, могут пересекаться мембрана. Многие большие молекулы (например, глюкоза и другие сахара) не могут. Вода может проходить между липидами. Ионы, такие как H + или Na +, не могут.

Транспортные белки делают возможным прохождение молекул и ионы, которые не могут проходить через простой фосфолипидный бислой. Некоторые транспортные белки имеют через себя гидрофильный туннель, который позволяет полярная молекула или ионы, чтобы пройти.Другие на самом деле связываются с молекулами и переместите их через мембрану. В любом случае транспортные белки очень специфический.

Пассивный транспорт

Диффузия и осмос

Диффузия — это тенденция молекул любого вещества разложить по доступному пространству. Хотя каждая молекула движется случайным образом разброс часто бывает направленным, так как молекулы движутся из области высокой концентрации к более низкой концентрации. Это называется перемещением вдоль (или вниз) градиента концентрации.Это не требует затрат энергии и когда это происходит через клеточную мембрану, это называется пассивным транспортом. Многие вещества перемещаются через клеточные мембраны до тех пор, пока не достигнет одинаковой концентрации. по обе стороны. (5.14)

Осмос — это особый случай диффузии. (5.15) Во-первых, представьте себе полупроницаемую мембрану, которая будет пропускать воду через но сохраняется в растворенных молекулах (называемых растворенными веществами). Во-вторых, представьте, что в воде с одной стороны эта мембрана, чем на другой.Растворенные вещества не могут перемещаться из стороны в сторону. другой из-за мембраны. Но вода может.

Помните, что молекулы, как правило, уходят из областей с высоким концентрации в областях с низкой концентрацией самостоятельно. Обратите внимание на воду по обе стороны от мембраны. Одна сторона мембраны содержит много растворенных веществ и меньше воды по сравнению с другими сторона, которая имеет несколько растворенных веществ и больше воды. Вода будет спускаться по ее градиент концентрации. Он будет двигаться со стороны мембраны вместе с с низким содержанием растворенных веществ (относительно более высокая концентрация воды) в области с высоким растворенные вещества (относительно более низкая концентрация воды).Это известно как осмос.

Немного терминологии:

— Раствор с высокой концентрацией растворенных веществ считается ГИПЕРТОНИЧЕСКИМ по сравнению с раствором с низкой концентрацией растворенных веществ. (в классе я использовал аналогичный термин гиперосмотический. То же самое.)

— раствор ГИПОТОНИКА имеет относительно низкую концентрацию растворенных веществ.

— Растворы равных концентраций называются ИЗОТОННЫМИ. Эти термины относительны.

Пара мелочей. 1) Хотя это легко представить что области с высокой концентрацией растворенных веществ — это области с низкой концентрацией воды, растворенные вещества не так сильно влияют на концентрацию воды.Однако они влияют на количество «свободной» воды, которая не собирается плотно вокруг растворенные вещества. Думаю, на рис. 5.15b это хорошо показано. 2) Это не так независимо от того, какие типы растворенных веществ находятся по обе стороны от мембраны. Мы обеспокоены с концентрацией воды, в конце концов. Это то, что движется.

Осморегуляция

Осморегуляция — это контроль водного баланса (5.16). Клетке в изосмотической среде не о чем беспокоиться, вода входит и вода уходит с той же скоростью.Но предположим, что ячейка находится в гиперосмотический раствор. Вода выйдет из клетки, оставив сморщенный вверх по ячейке. Это плохо для клетки. В клетках растений плазматическая мембрана фактически отодвигается от стенки (так называемый плазмолиз) и клетки умирает. Если ячейку поместить в гипоосмотический раствор, вода хочет получить внутри. Это тоже нехорошо, по крайней мере, для клеток животных. Растительные клетки имеют стенки ячеек, сдерживающие давление поступающей воды. Они используют это давление, чтобы клетки оставались набухшими, что помогает обеспечить механическую поддержку завода.

Облегченная диффузия.

Облегченная диффузия — это процесс, при котором растворенные вещества диффундируют через мембраны, через которые они обычно не проходят самостоятельно. Они проходят через транспортные белки. (5.17) белки являются «субстрат-специфичными», что означает, что они настроены на транспортировку только определенных молекул или ионов и блокируют остальные. Как и в случае «обычной» диффузии, растворенные вещества движутся по градиенту концентрации.

Диффузия, осмос и облегченная диффузия являются пассивными означает переносить вещи через мембрану.Есть энергозатратные средства также. Они подпадают под категорию активного транспорта.

Активный транспорт

Активный транспорт использует энергию клетки для перемещения веществ против их градиентов концентрации. Содержимое ячейки обычно различается из окрестностей. Активный транспорт — средство, с помощью которого это поддерживается. Транспортные белки делают эту работу. Примером может служить натриево-калиевый насос. используется при передаче нервных импульсов. Используя АТФ в качестве источника энергии, специальные транспортные белки перемещают Na + из клетки, а K + в клетку.(5.18 показывает гипотетический пример и роль фосфата из СПС)

Экзоцитоз и эндоцитоз

Действительно важные вещества (например, белки и полисахариды) не попадает в клетку и не выходит из нее, проходя через мембрану. Экзоцитоз это процесс, при котором большие молекулы покидают клетку. Пузыри изнутри сливаются с плазматической мембраной и опорожняют их содержимое. При эндоцитозе плазматическая мембрана образует везикулу вокруг частицы. Примеры экзоцитоза: Секреторные клетки поджелудочной железы экспортируют инсулин, нервные клетки выделяют химические вещества. сигналы через синапс, растения создают клеточные стенки.

Эндоцитоз можно разделить на три типа. Фагоцитоз, пиноцитоз и рецепторно-опосредованный эндоцитоз. Фагоцитоз — это поглощение процесс, о котором мы уже говорили. При пиноцитозе клетка «глотает» каплю. окружающей жидкости. (5.19 a и b) Эндоцитоз, опосредованный рецепторами (часть 3 из 5.19c) аналогична, за исключением внешней части ячейки, которая Втягивается, имеет специфические рецепторы, которые связываются только с определенными веществами. Это позволяет клетке вводить только то вещество, которое она хочет, часто в гораздо более высокая концентрация, чем окружающая жидкость.(сравните это с пиноцитоз).

Плазменная мембрана — определение и примеры

Плазменная мембрана
n., Множественное число: плазматические мембраны
Биологическая мембрана, такая как клеточная мембрана, окружающая клетку

Все ли клетки имеют плазматическую (или клеточную) мембрану? Да, все клетки имеют биологическую мембрану, отделяющую протоплазму от внешней среды. Это включает в себя клетки растений, которые имеют другой отличительный внешний слой, клеточную стенку , , то есть , не присутствующий в клетках животных .И животные, и растительные клетки имеют плазматическую мембрану, необходимую для клеточного гомеостаза. Таким образом, хотя они могут различаться в определенных аспектах, как животные, так и растительные клетки имеют клеточную стенку, которая по существу одинакова с точки зрения структуры и функций. Точно так же прокариоты также имеют плазматическую мембрану (также называемую прокариотической цитоплазматической мембраной ), так же, как грибы, водоросли, простейшие и другие организмы. В этой статье мы подробно рассмотрим все аспекты плазматической мембраны.

Определение плазменной мембраны

Что такое плазматическая мембрана? Плазматическая мембрана (исторически известная как плазмалемма ) — это биологическая мембрана, которая окружает все живые клетки, отделяя внутренние компоненты от внешних. Он защищает клетку от различных внешних факторов стресса или веществ. Он состоит из фосфолипидного бислоя, белков, липидов, углеводов и других компонентов. Отличительные компоненты плазматической мембраны делают ее селективно проницаемым барьером .Это « полупроницаемый », потому что он регулирует то, что входит и выходит через механизмы клеточного транспорта. Это также облегчает передачу сотовых сигналов. Он очень гибкий, позволяя некоторым клеткам, таким как эритроциты и белые кровяные тельца , изменять форму при прохождении через узкие капилляры.

Плазменная мембрана (определение биологии): биологическая мембрана, состоящая из фосфолипидного бислоя с белками и углеводами. Синонимы: плазмалемма; клеточная мембрана; цитоплазматическая мембрана .

Почему это называется плазматической мембраной? Клетка содержит протоплазму (или просто плазма ), которая представляет собой полужидкое живое вещество. Это живое вещество или плазма содержится внутри биологической мембраны , называемой плазматической мембраной. Поскольку она окружает всю клетку, эту плазматическую мембрану называют клеточной мембраной .

Рисунок 1: Структура плазматической мембраны. Источник: Мария Виктория Гонзага, BiologyOnline.com.

Плазматическая мембрана и клеточная мембрана

Как уже указывалось, клеточная мембрана — это плазматическая мембрана, окружающая клетку. Термин «плазматическая мембрана» также включает биологические мембраны, которые образуют внешнюю границу внутренних компартментов (органелл). (Ссылка 1) Таким образом, строго говоря, плазматическая мембрана — это более широкий термин, поскольку он включает липидные двухслойные мембраны органелл, помимо клеточной мембраны, которая в данном случае является плазматической мембраной, которая устанавливает граница между клеткой и ее внешней средой.

Рисунок 2: Клеточные мембраны эукариотической клетки (слева) и прокариотической клетки (справа). Обратите внимание, что эукариотическая клетка (например, животная или растительная клетка) имеет ядро ​​и другие мембраносвязанные цитоплазматические структуры, в отличие от прокариотической клетки (например, бактерий и архей), в которой они отсутствуют.

Клеточная мембрана

• Клеточная мембрана покрывает все компоненты площади клетки.
• Он играет важную роль в цитокинезе во время деления клеток.
• Это мишень для проникновения молекул и других агентов внутрь клетки.
• Регулирует прохождение молекул и ионов внутрь и из клетки.
• Облегчает передачу сигналов между ячейками.

Плазменная мембрана

• Плазматическая мембрана окружает клетку и внутренние компартменты или клеточные органеллы.
• Не все они играют важную роль в цитокинезе во время деления клеток.

Клеточная мембрана и клеточная стенка

Клеточная стенка — это еще один мембранный слой, присутствующий в некоторых клетках, таких как клетки растений.Он образуется снаружи клеточной мембраны. Он придает растительным клеткам необходимую жесткость и прочность против механических нагрузок. Таким образом, в то время как клеточная мембрана неспособна защитить клетку от разрыва в результате чрезмерного притока воды, клеточная стенка стабилизирует растительную клетку, тем самым защищая ее от осмотического лизиса по мере продвижения воды в клетку. Это важно для растительных клеток, потому что им нужно, чтобы их клетки оставались набухшими (набухшими) и не увядшими.

Рис. 3. Растительная клетка, окруженная клеточной мембраной и дополнительно окруженная стенкой растительной клетки.

Функции плазменной мембраны

Какова функция плазменной или клеточной мембраны? Эта мембрана служит барьером между внутренней и внешней стороной. Подробности описаны ниже.

Физический барьер

Все клеточное содержимое физически отделено от внеклеточной жидкости клеточной мембраной. Это защищает все части клетки от внешней среды и позволяет отдельным действиям происходить внутри и вне клетки.То же самое и с органеллами. Их плазматическая мембрана допускает внутреннюю компартментализацию. Таким образом, биологические активности могут происходить отдельно и одновременно друг от друга.

Полупроницаемость

Плазменные мембраны полупроницаемые , что означает, что только определенные молекулы могут проходить через мембрану. Мембрана позволяет легко перемещать воду, кислород и углекислый газ. Обычно ионы (например, калия, натрия) и полярные молекулы не могут легко проходить через мембрану; вместо того, чтобы свободно диффундировать, они должны проходить через соответствующие каналы или поры в мембране.Таким образом, мембрана может регулировать скорость, с которой клетка может входить и выходить из таких молекул.

Эндоцитоз и экзоцитоз

Эндоцитоз происходит, когда клетка поглощает сравнительно больше веществ, чем отдельные ионы или молекулы, которые движутся через поры. Клетка может поглощать большие количества молекул или даже целые бактерии из внеклеточной жидкости посредством эндоцитоза. Экзоцитоз — это когда эти вещества высвобождаются клеткой. Во всех этих процессах, происходящих в клетке, значительную роль играет клеточная мембрана.Структура самой мембраны варьируется, поэтому молекулы могут входить в клетку или выходить из нее.

Передача сигналов клеток

Облегчение коммуникации и передачи сигналов между клетками — еще одна важная характеристика мембраны. Это достигается за счет использования в мембране различных белков и углеводов. Белки в основном находятся на ячейке « mark », поэтому ее могут обнаружить другие клетки. Мембрана также имеет рецепторы, которые позволяют ей выполнять определенные задачи, поскольку молекулы, такие как гормоны, связываются с этими рецепторами.

Функция клеточной мембраны в животной клетке — регулировать то, что движется в клетку и выходит из нее. Транспортировка веществ через мембрану может происходить либо без использования энергии клетки, либо заставлять клетку потреблять энергию при ее транспортировке. В результате клеточная мембрана используется как особый канал, который позволяет лишь нескольким веществам проникать в клетку и покидать ее.

Общие биологические процессы или виды деятельности

Диффузия

Молекулы или другие частицы, которые случайным образом диспергируются или мигрируют из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией, пока не наступит равновесие.В состоянии равновесия диффузия сохраняется, но баланс чистых потоков остается прежним. Диффузия — это один из методов пассивного транспорта, который не требует потребления клеточной энергии. Молекула может двигаться через клеточную мембрану пассивно, если она жирорастворима, незаряжена и очень мала, или если она поддерживается молекулой-носителем. Самостоятельная диффузия очень маленьких или жирорастворимых частиц называется простой диффузией. См. Рисунок 1. Процесс диффузии, в котором используется , известен как облегченная диффузия .

Рисунок 4: Облегченная диффузия

Клеточная мембрана позволяет неполярным молекулам (тем, которые с трудом связываются с водой) переходить из области высокой концентрации в область более низкой концентрации. Молекулы трансмембранного белка, называемые белками канала , , вкрапленные в мембрану, помогают молекулам перемещаться от внешнего слоя к внутреннему, создавая благоприятные для диффузии промежутки , через которые проходят молекулы.

Осмос

Осмос — это тип пассивного переноса, который идентичен диффузии, при котором растворитель проходит через селективно проницаемую или полупроницаемую мембрану от более высокой концентрации к более низкой концентрации.Такие растворы состоят из двух частей: растворителя и растворенного вещества.

Рисунок 5: Тоничность и осмос в эритроцитах.

Рис. 6: Осмос и тургорность растений.

Активный транспорт

Активный транспорт происходит против нормального градиента концентрации через полупроницаемую мембрану, переходя из области более низкой концентрации в область более высокой концентрации и вовлекая потребление энергии от молекулы АТФ.

Рисунок 7: Активный транспорт

Трансмембранные белки — это важные пересекающие мембраны белки, которые могут функционировать как пути для биологических молекул.Он действует как на внутреннюю, так и на внешнюю мембраны. Мембрану несколько раз пересекают политопные трансмембранные белки. Некоторые белки поступают из рецепторов, а некоторые из других каналов.

Пассивный транспорт считается переносом ионов, который не требует энергии, тогда как активным механизмам переноса требуется энергия для перемещения молекул. Активный транспорт используется регулярно, поскольку ионы перекачиваются против градиента концентрации мембранными белками. Это класс интегральных белков i.Белки, которые проникают в бислой мембраны или через него, являются трансмембранными белками. Молекулы двухслойных мембранных липидов в основном гидрофобны.

Эндоцитоз и экзоцитоз

Механизмы, посредством которых клетки переносят материалы в клетку или из нее, слишком большие для специфического прохождения через липидный бислой клеточной мембраны, известны как эндоцитоз и экзоцитоз. Любые из веществ, которые перемещаются посредством экзоцитоза и эндоцитоза через клеточную мембрану, представляют собой большие молекулы, микроорганизмы и продукты жизнедеятельности.

Рисунок 8: Типы эндоцитоза. Источник: модифицировано Марией Викторией Гонзага, BiologyOnline.com, из работ OpenStax Anatomy and Physiology.

Эндоцитоз — это механизм, с помощью которого клетки поглощают вещества извне клетки, вторгаясь в них в пузырьке. Они могут включать такие вещества, как питательные вещества, поддерживающие клетки, или бактерии, которые поглощают и убивают иммунные клетки. Эндоцитоз имеет тенденцию происходить, когда часть клеточной мембраны складывается сама по себе, окружая внеклеточную жидкость и различные вещества или микробы.Образовавшаяся везикула разрушается и переносится внутрь клетки.

Эндоцитоз выполняет множество функций, в том числе:

• Принятие питательных веществ для роста, развития и восстановления клеток. Клеткам требуются функционирующие вещества, такие как белки и липиды.
• Захват бактерий или других посторонних предметов, которые могут угрожать организму, поскольку иммунная система обнаруживает патогены, такие как микробы, которые попадают в организм иммунными клетками для уничтожения.
• Утилизация старых или дефектных клеток, когда они перестают работать должным образом, чтобы избежать повреждения других клеток, эти клетки должны быть безопасно утилизированы или устранены путем эндоцитоза.

Фагоцитоз и пиноцитоз — это два типа эндоцитоза. Фагоцитоз, иногда известный как поедание клеток . Это процесс, с помощью которого клетки рационализируют массивные фрагменты или клетки, такие как инфицированные клетки и бактерии. Как в клетках растений, так и в клетках животных пиноцитоз также известен как питья клеток . Во время пиноцитоза клетка удаляет из внеклеточной жидкости вещества, необходимые для функционирования. Они содержат такие продукты, как вода и питательные вещества.

Экзоцитоз — это процесс, посредством которого клетки перемещают продукты из внутренней части клетки во внеклеточную жидкость. Когда везикула сливается с плазматической мембраной, происходит экзоцитоз, в результате чего содержимое выходит за пределы клетки.

Экзоцитоз имеет следующую цель:

• Вытеснение токсинов или отходов изнутри клетки: клетки производят отходы или токсины, которые необходимо удалить из клетки для поддержания гомеостаза.Например, при аэробном дыхании клетки производят углекислый газ и водные отходы во время производства АТФ. Вода и углекислый газ выводятся из этих клеток путем экзоцитоза.
• Содействие клеточной коммуникации: клетки производят сигнальные молекулы, такие как гормоны и нейротрансмиттеры. Они переносятся в другие клетки после того, как были изгнаны из клетки путем экзоцитоза.

Структура плазменной мембраны

Из чего состоит клеточная мембрана? Плазматическая мембрана состоит из бислоя фосфолипидов, которые представляют собой два смежных слоя фосфолипидов.Фосфолипидный бислой, который образует устойчивый значительный барьер в двух жидкостях, является важной структурой. Компоненты находятся внутри и снаружи ячейки, в зависимости от слоя ячейки. Основные элементы клеточной мембраны — это белки, встроенные в липидную структуру. Это включает в себя специфическое движение частиц, которые могут диффундировать. Основные компоненты клеточной мембраны выделены ниже:

Фосфолипиды

Фосфолипиды являются важным аспектом структуры клеточной мембраны.Мембрана состоит в основном из молекул, называемых фосфолипидами, которые спонтанно образуют двойной слой, состоящий из внешне гидрофильных (водолюбивых) головок и внутренне гидрофобных (ненавидящих воду) хвостов. Такие взаимодействия с водой позволяют формировать плазматические мембраны. Гидрофобные молекулы могут быстро мигрировать через плазматическую мембрану, если они достаточно малы, потому что, как и внутренняя часть мембраны, они не любят воду. С другой стороны, гидрофильные молекулы не проходят через плазматическую мембрану без какой-либо поддержки, потому что они водолюбивы.

Двухслойная диаграмма фосфолипидов показана ниже:

Рисунок 9: Фосфолипиды плазматической мембраны. Источник: модифицировано Марией Викторией Гонзага, BiologyOnline.com, из работ OpenStax Anatomy and Physiology.

Фосфолипиды обладают как гидрофильными, так и гидрофобными функциями. Гидрофильные области — головки фосфолипидов — часто называют водолюбивыми областями . Будучи липидным бислоем, фосфолипидные головки клеточной мембраны подвергаются воздействию внутренних и внешних жидкостей.

водобоязненные области часто называют гидрофобными. Этот компонент липидной структуры состоит из больших, ненасыщенных и неполярных частей. Несомненно, ненасыщенные жирные кислоты могут взаимодействовать с другими неполярными частицами. Они плохо реагируют с водой и полярными молекулами. Эта ориентация, при которой гидрофильные части фосфолипидов находятся на « снаружи », в то время как гидрофобные части находятся на « внутри », делает плазматическую мембрану эффективным барьером.Например, вода не сможет просто пересечь гидрофобный слой.

Белки

В плазматической мембране помимо фосфолипидов есть вещества, в основном липиды и белки. Молекулы холестерина помогают плазматической мембране сохранять свою структуру. В плазматической мембране некоторые белки позволяют другим молекулам пересекать мембрану.

Определенные типы белков также находятся в плазматических мембранах. Мембранный белок — это молекула белка, которая связана или связана с мембраной клетки или органеллы.В зависимости от того, как белок связан с мембраной, его можно разделить на две группы.

Интегральная мембрана белки постоянно фиксируются в плазматической мембране. У них есть множество важных функций. Эти функции включают направление или перенос молекул через мембрану. Клеточные рецепторы действуют как другие интегральные белки. На основании их взаимодействия с бислоем интегральные мембранные белки можно классифицировать следующим образом:

• Трансмембранные белки занимают всю плазматическую мембрану.Трансмембранные белки задействованы во всех формах биологических мембран. Трансмембранные белки могут пересекать мембрану только один раз или могут иметь до 12 различных участков, перекрывающих мембрану. 20-25 гидрофобных аминокислот образуют стандартный мембранный сегмент.
• Интегральные монотопные белки прочно связаны с мембраной только с одной стороны.

Белки периферической мембраны — это белки, которые только временно прикрепляются к мембране и играют роль в передаче сигналов клеток .Периферические белки также могут быть связаны с интегральным мембранным белком или сами по себе могут связываться с небольшой частью липидного бислоя. Иногда ионные каналы и трансмембранные рецепторы связаны с белками периферических мембран. Большинство белков периферических мембран гидрофильны.

Углеводы и липиды

Углеводы являются одним из основных компонентов плазматической мембраны. В клеточной мембране они обычно расположены на внешней поверхности клеток и прикреплены либо к белкам (гликопротеинам), либо к липидам (гликолипиды).Эти углеводные цепи могут состоять из 2-60 единиц моносахарида и могут быть прямыми или разветвленными .

Основная функция углеводов в клеточной мембране заключается в том, что они позволяют иммунной системе отличать «я» от «чужого». Эти углеводы вместе с мембранными белками образуют отличительные клеточных маркера — вроде молекулярных идентификационных значков , которые позволяют клеткам идентифицировать друг друга. Эти маркеры очень важны для иммунной системы, позволяя иммунным клеткам отличать клетки организма, которые они не должны атаковать, и чужеродные клетки или ткани, которые они должны атаковать.Как подчеркивалось выше, углеводы также могут перемещаться внутри клеток посредством диффузии. Это зависит только от количества этих веществ, которое хочет или требует организм.

Гликолипид , углевод, связанный с липидом, представляет собой биомолекулу в клеточной мембране, углеводная часть которой простирается за пределы клетки. Примером гликолипида в клеточной мембране является гликосфинголипид . Другие присутствующие липиды представляют собой стерины. Стерол (например, холестерин) представляет собой липид, который обеспечивает структурную целостность и текучесть клеточной мембраны.В частности, холестерин позволяет клеткам животных изменять форму. Его присутствие делает клетки животных более гибкими или менее жесткими, чем клетки растений.

Модель жидкой мозаики

Модель, общепринятая для структуры плазматической мембраны, называемая жидкой мозаикой , модель была впервые представлена ​​в 1972 году. Со временем эта модель изменилась, но она по-прежнему дает четкое фундаментальное объяснение структуры мембраны и активности в ней. много ячеек.

Клеточные мембраны описываются жидко-мозаичной моделью, потому что они:

• Жидкость — бислой фосфолипидов вязкий и может перемещать положение отдельных фосфолипидов, холестерина и белков.
• Мозаика — бислой фосфолипидов инкапсулирован белками, в результате чего получается мозаика компонентов.

Липиды (фосфолипиды и холестерин), белки и углеводные группы, которые связаны с некоторыми липидами и белками, являются основными компонентами плазматической мембраны. Количество белков, липидов и углеводов плазматической мембраны варьируется в зависимости от типа клеток. Однако для стандартной клетки человека белки составляют около 50% от массы, липиды составляют около 40% (всех типов), а оставшиеся 10% составляют углеводы.

Мембранные белки и липиды могут проходить через мембрану вбок, как плавают в воде, или вбок вокруг мембраны. Постоянное изменение «мозаичного рисунка » плазматической мембраны вызвано таким движением.

Мозаичный узор является результатом нескольких различных двухслойных компонентов. Эти компоненты включают фосфолипиды, интегральные и периферические белки, гликопротеины и гликолипиды, которые способствуют перемещению пищи, воды, отходов и других мембран в их местоположении.

Каталожные номера

• мембрана | Определение, структура и функции | Британника. (2020). В Британская энциклопедия . https://www.britannica.com/science/membrane-biology
• Плазменная мембрана (клеточная мембрана) . (2020). Геном. https://www.genome.gov/genetics-glossary/Plasma-Membrane
• Фонд СК-12. (2020). Добро пожаловать в фонд CK-12 | Фундамент СК-12 . Фундамент СК-12; Фундамент СК-12.https://www.ck12.org/book/ck-12-biology-advanced-concepts/section/3.13/
• Компоненты и структура | Безграничная биология . (2013). Lumenlearning.Com. https://courses.lumenlearning.com/boundless-biology/chapter/components-and-structure/
• Модель жидкой мозаики — Тетрадь общей практики . (2018). Gpnotebook.Com. https://gpnotebook.com/simplepage.cfm?ID=1624244282‌

‌ © BiologyOnline. Контент предоставлен и модерируется редакторами BiologyOnline.

Следующий

Прыжок PTEN на клеточной мембране регулируется положительно заряженным доменом C2

Abstract

PTEN, опухолевый супрессор, который часто мутирует при широком спектре раковых заболеваний, проявляет активность фосфатазы PI (3,4,5) P ₃ , которая регулируется его динамическим перемещением между мембраной и цитоплазмой. Прямое наблюдение PTEN в межфазной среде может дать количественную информацию о динамике челночного перемещения, но остается неуловимым.Здесь мы показываем, что положительно заряженные остатки, расположенные в спирали cα2 домена C2, необходимы для мембранной локализации PTEN посредством стабильных электростатических взаимодействий в Dictyostelium discoideum . Анализ изображений одной молекулы показал, что молекулы PTEN перемещаются на расстояния намного больше, чем ожидалось, если бы они были вызваны боковой диффузией, явлением, которое мы называем «прыжками». Наш новый метод трекинг-анализа одиночных частиц показал, что спираль cα2 помогает в регулировании прыжков и состояний стабильного связывания.Было обнаружено, что динамически установленная мембранная локализация PTEN важна для процессов развития и проясняет фундаментальный механизм регуляции количества и активности белка на плазматической мембране.

Сведения об авторе

Плазматическая мембрана является основным полем химических реакций в живых клетках, и молекулярные механизмы межмембранного взаимодействия важны для многих клеточных функций. В этом отчете мы обнаружили, что белок PTEN, который проходит между цитоплазмой и мембраной, прыгает вдоль плазматической мембраны живых клеток.Мы отслеживали отдельные молекулы PTEN на мембране с помощью визуализации отдельных молекул и проанализировали прыжковое поведение, разработав новый метод анализа, который измеряет вероятность повторного связывания мембраносвязанных белков после отделения от мембраны. Мы обнаружили, что положительно заряженные аминокислоты в домене C2 PTEN, которые, как сообщается, важны для его фосфатазной активности на мембране, необходимы для подавления чрезмерного прыжка и стабилизации связывания PTEN с мембраной. Стабильные электростатические взаимодействия локализуют PTEN на плазматической мембране и играют незаменимую роль в регулировании размера многоклеточных структур, образующихся в условиях голода.Наши результаты предполагают, что электростатические взаимодействия между белком и мембраной регулируют количество и активность белка.

Образец цитирования: Ясуи М., Мацуока С., Уэда М. (2014) Прыжок PTEN на клеточной мембране регулируется с помощью положительно заряженного домена C2. PLoS Comput Biol 10 (9): e1003817. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1003817

Редактор: Джозеф Фалке, Университет Колорадо, Соединенные Штаты Америки

Поступила: 13 декабря 2013 г .; Принята к печати: 17 июля 2014 г .; Опубликован: 11 сентября 2014 г.

Авторские права: © 2014 Yasui et al.Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

Финансирование: Специального финансирования на эту работу получено не было.

Конкурирующие интересы: Авторы заявили об отсутствии конкурирующих интересов.

Введение

Молекулярные реакции на плазматической мембране отвечают за различные клеточные функции.Внутренняя поверхность клеточной мембраны покрыта отрицательно заряженным слоем толщиной до 20 нм, возникающим из полярных головных групп анионных фосфолипидов [1]. Цитоплазматические белки, которые имеют на своей поверхности положительно заряженные участки из-за катионных аминокислотных остатков, таким образом, электростатически притягиваются к мембране. Такие электростатические взаимодействия обеспечивают существенную механистическую основу для транслокации цитоплазматических белков к мембране, которая обычно опосредуется через домены или мотивы белков, включая C2 и домены гомологии плекстрина (PH) [2], [3].Основываясь на специфичности взаимодействия, эти домены и мотивы могут служить тегами, которые направляют белки к месту их функций.

Фосфоинозитиды и окружающая их электростатическая среда служат важными медиаторами для большого количества фундаментальных клеточных функций. Одним из примеров является фосфатидилинозитол-3,4,5-трифосфат (PI (3,4,5) P ₃ ), который активирует нижестоящие сигнальные пути для роста и выживания клеток и безусловная активация которого вызывает рак [4].Передача сигналов PI (3,4,5) P ₃ может быть антагонизирована опухолевым супрессором PTEN (гомолог фосфатазы и тензина, удаленный из хромосомы 10), который дефосфорилирует 3-фосфоинозитиды путем динамического перемещения между мембраной и цитоплазмой [5] — [ 7]. Некоторые области PTEN были идентифицированы как необходимые для мембранного взаимодействия: фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфат (PI (4,5) P ₂ ) -связывающий мотив (PBM) на N-конце, каталитический сайт и Петля T1 в среднем домене фосфатазы и катионные участки, включая спираль cα2 и петлю CBR3 в C-концевом домене C2 (рис.1А) [8]. Хотя точечная мутация может нарушить способность связывания субстрата без значительного влияния на локализацию мембраны, замены основных аминокислот в PBM, петле T1, петле CBR3 или спирали cα2 снижают сродство к везикулам, содержащим анионные фосфолипиды, такие как фосфатидилсерин (PS) и PI ( 4,5) P ₂ [8] — [11]. Следовательно, локализация PTEN на мембране, вероятно, регулируется посредством электростатических взаимодействий с этими анионными фосфолипидами.

Рисунок 1.Фенотип PTEN дикого типа и мутантов PTEN _i ( i = 1,2,…, 7).

(A) Кристаллическая структура PTEN человека (остатки 14–351) [8]. PTEN _i мутанты имели разные положительные заряды в спирали cα2. Области, окрашенные в зеленый и синий цвета, показывают домен C2 и домен фосфатазы, соответственно. Красные, желтые и оранжевые области показывают спираль cα2, петлю T1 и петлю CBR3 соответственно. PBM на N-конце (остатки 1–13) и 24 остатка в домене C2 (остатки 282–312) не показаны.Верхняя сторона конструкции обращена к мембране. (B) Флуоресцентные изображения клеток Dictyostelium discoideum , экспрессирующих мутанты PTEN или PTEN дикого типа. PTEN был помечен TMR через HaloTag (PTEN-Halo-TMR). Изображения были получены с помощью конфокальной микроскопии. Масштабная линейка 5 мкм. (C) Соотношение интенсивностей флуоресценции плазматической мембраны и цитоплазмы. (D) Изображения плодовых тел, образованных клетками дикого типа или нулевыми клетками pten , экспрессирующими PTEN или мутанты PTEN дикого типа. Масштабная линейка, 500 мкм (E) Диаметр соруса в плодовых телах.Данные являются средними +/- SD.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1003817.g001

За исключением спирали cα2, вышеупомянутые области уже оказались незаменимыми для локализации мембран в живых клетках. Напр., Петля CBR3, по-видимому, замаскирована в культивируемых клетках млекопитающих отрицательно заряженным C-концевым хвостом из-за множественного фосфорилирования, которое предотвращает рекрутирование PTEN на мембрану [7], [12] — [14]. Мутация, сбрасывающая положительные заряды на петле Т1, также изменяет внутриклеточную локализацию PTEN от мембраны до цитоплазмы [10].PBM значительно влияет на внутриклеточную локализацию PTEN, вызывая постоянную локализацию Dictyostelium PTEN на мембране из-за отсутствия области, которая соответствует С-концевому хвосту человеческого PTEN [7], [9], [15] . Сравнительно мало известно о том, как спираль cα2 способствует локализации мембран в живых клетках. PTEN с мутацией M-cα2 (327-A-A-G-A-D-A-A-N-A-335) демонстрирует пониженное сродство к фосфолипидным везикулам [8]. Благодаря этому свойству, хотя он сохранял активность фосфатазы в отношении водорастворимого PI (3,4,5) P ₃ , мутант не подавлял рост клеток глиобластомы.Поскольку мутации, происходящие из опухоли, обнаруживаются в спирали cα2, новое понимание механизма мембранной локализации PTEN может быть получено путем изучения роли спирали cα2 в живых клетках [8].

Прямое наблюдение с помощью визуализации одиночных молекул стало стандартной техникой для анализа диффузионных движений молекул на мембране и их перемещения между мембраной и цитоплазмой. Наблюдая флуоресцентно меченые молекулы с помощью флуоресцентной микроскопии полного внутреннего отражения (TIRFM), поведение молекул можно визуализировать на базальной клеточной мембране [16].По траекториям движения молекул на мембране можно анализировать пространственно-временные свойства взаимодействия мембран, такие как диффузионная подвижность и время жизни [17], [18]. Эти исследования стимулировали разработку новых методов статистического анализа, которые могут вывести механистические основы поведения молекул, что привело, например, к обнаружению аномальной диффузии биологических молекул на мембране [19], [20]. Недавно было обнаружено более сложное поведение молекул на поверхности мембраны из-за электростатических характеристик поверхностного слоя.Falke и соавторы, основываясь на исследованиях связывания PH домена общего рецептора фосфоинозитидов 1 (GRP1) с липидными пузырьками in vitro, предложили механизм электростатического поиска, в котором неспецифическая адсорбция анионными фосфолипидами увеличивает общую скорость специфического связывания с PI (3,4,5) P ₃ [21]. Их последующие исследования одной молекулы домена PH, связанного с поддерживаемыми липидными бислоями in vitro, показали, что белок часто демонстрирует повторное связывание с мембраной, давая электростатические «прыжки» на большие расстояния, вместо того, чтобы диффундировать в раствор [22].Они также предположили, что тот же самый механизм электростатического поиска будет важен в клетках [21], [22], хотя это предсказание еще не было проверено.

В настоящем исследовании роль спирали cα2 в локализации PTEN на плазматической мембране была исследована с помощью визуализации отдельных молекул, обнаружив, что взаимодействия с мембраной, по-видимому, стабилизируются положительно заряженными остатками на спирали cα2. Более того, мы обнаружили, что молекулы PTEN повторно связываются с плазматической мембраной, но не диффундируют в цитоплазму, как если бы они прыгали по мембране.Был разработан новый метод анализа для расчета вероятности прыжков. Результаты анализа предполагают, что PTEN может принимать специфическое состояние, в котором прыжки усиливаются, и что спираль cα2, по-видимому, ответственна за подавление чрезмерных прыжков. Наш анализ предполагает возможность того, что электростатические взаимодействия через спираль cα2 используются не только для стабилизации мембранных взаимодействий, но также для поиска субстрата на мембране.

Результаты

Мембранная локализация PTEN зависит от спирали cα2 в домене C2

Чтобы изучить роль электростатических взаимодействий в спирали cα2 в регулировании количества PTEN на мембране, мы сконструировали семь мутантов PTEN с различным количеством положительно заряженных аминокислот.У мутантов, которые мы назвали PTEN _i ( i = 1,2,…, 7), основные аминокислоты были заменены на нейтральные, так что положительный заряд постепенно уменьшался с PTEN ₁ до PTEN _7. (таблица 1). PTEN ₇ имеет ту же аминокислотную последовательность, что и M-cα2 [8]. Мутантные PTEN были помечены белком HaloTag, и внутриклеточная локализация была визуализирована в живых клетках Dictyostelium discoideum путем мечения тетраметилродамином.PTEN дикого типа локализован на плазматической мембране клеток Dictyostelium дикого типа (рис. 1В), как сообщалось ранее [15]. Однако внутриклеточная локализация мутанта зависела от количества аминокислотных замен, показывая постепенный сдвиг от плазматической мембраны к цитоплазме по мере увеличения количества. На рис. 1С показано отношение средней интенсивности флуоресценции плазматической мембраны к цитоплазме, что указывает на то, что мембранная локализация резко упала по сравнению с PTEN ₃ и PTEN ₄ .Следовательно, положительно заряженная спираль cα2 в домене C2, которая, скорее всего, взаимодействует с отрицательно заряженными мембранными фосфолипидами, по-видимому, является важным фактором, регулирующим количество PTEN на плазматической мембране.

Мутации критически повлияли на размер многоклеточных плодовых тел, образовавшихся после лишения источника пищи. PI (3,4,5) P ₃ фосфатазная активность PTEN необходима для внутриклеточной коммуникации, опосредованной цАМФ, который используется для агрегации до ста тысяч клеток перед переходом на стадии многоклеточного развития.Соответственно, нулевые клетки pten не агрегировали и не образовывали плодовых тел. На фиг.1D показано плодовое тело нулевых клеток pten , экспрессирующих PTEN _i . PTEN ₇ не может дополнять фенотип нулевых клеток без агрегации. Диаметр соруса плодового тела коррелировал со степенью мембранной локализации PTEN _i (рис. 1E). Следовательно, локализация PTEN в мембране, обеспечиваемая посредством спирали cα2, является критической для регуляции размера и прогрессирования многоклеточного развития.

Мембранные взаимодействия стабилизируются за счет положительно заряженных остатков

Чтобы изучить, как эти остатки участвуют во взаимодействии мембран на молекулярном уровне, мы наблюдали поведение отдельных молекул PTEN на базальной мембране при TIRFM объективного типа. Одиночные молекулы визуализировались как отдельные флуоресцентные пятна, когда они были связаны с мембраной, как показано на типичных снимках для каждого мутанта PTEN (рис. 2A и рис. S1). Число мембраносвязанных молекул PTEN _4–7 в среднем ниже, чем у PTEN дикого типа и PTEN _1–3 (Movie S1), что указывает на то, что спираль cα2 регулирует мембранную локализацию PTEN.Как видно из фильмов, флуоресцентные пятна от молекул PTEN _4–7 кажутся недолговечными по сравнению с пятнами других молекул PTEN. Продолжительность мембранного взаимодействия измерялась для всех одиночных молекул, наблюдаемых в фильмах. На рис. 2B количество молекул, которые остались связанными с мембраной, подсчитывали каждые 33 мс, начиная с начала ассоциации с мембраной, нормализовали по общему количеству молекул и наносили на график в зависимости от времени [23], [24]. Скорость убывания количества молекул на мембране, соответствующая скорости диссоциации мембраны, варьировалась в зависимости от количества мутаций.PTEN дикого типа и PTEN ₁ показали самую медленную диссоциацию мембраны, а PTEN ₅ и PTEN ₆ показали самую быструю. Таким образом, кинетика диссоциации мембраны зависела от числа положительно заряженных остатков в спирали cα2. Кривые аппроксимированы экспоненциальной функцией с n компонентами, (1)

Рисунок 2. Визуализация одиночных молекул PTEN дикого типа и мутантов PTEN _i .

(A) Изображения клеток, экспрессирующих мутанты PTEN или PTEN дикого типа _i , меченные TMR, захваченные с помощью TIRFM.Масштабная линейка 5 мкм. (B) Количество молекул PTEN-Halo-TMR и PTEN _i -Halo-TMR, которые остались связанными с мембраной, нанесены на график в зависимости от времени после ассоциации с мембраной. Линии представляют собой трехкомпонентные экспоненциальные аппроксимации (уравнение 1). Кумулятивные графики были получены для 16088 молекул в 8 клетках (PTEN дикого типа), 12 164 молекул в 8 клетках (PTEN ₁ ), 9022 молекул в 7 клетках (PTEN ₂ ), 11 386 молекул в 8 клетках (PTEN _{). 3} ), 12 406 молекул в 8 клетках (PTEN ₄ ), 11 079 молекул в 8 клетках (PTEN ₅ ), 10 822 молекулы в 7 клетках (PTEN ₆ ) и 20 683 молекулы в 8 клетках (PTEN ₇ ).(C, D) Константы диссоциации k _1-3 (C) и частоты A _1-3 / k _1-3 (D) PTEN _i мутантов, полученных из фитинг в (B). Оцененные параметры показаны в таблице 2. (E) Частота состояний медленной, умеренной и быстрой диффузионной подвижности, a _i , из анализа распределения смещений на рис. S3.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1003817.g002

Подгонка была лучше при использовании трех компонентов (рис. 2B, таблица 2), а не двух (рис. S2, таблица S1). Таким образом, мы пришли к выводу, что PTEN принимает по крайней мере три состояния с различной кинетикой диссоциации на мембране с частотой, пропорциональной A _i / k _i (Таблица 2). Состояние диссоциации с самой медленной константой скорости, S ₁ , имело тенденцию показывать уменьшение частоты с увеличением нейтрального заряда, но постоянное значение k ₁ (рис.2В, Г). С другой стороны, состояние с умеренной константой скорости, S ₂ , имело относительную постоянную частоту, но слегка увеличивающуюся k ₂ с увеличением нейтрального заряда. Состояние с самой быстрой константой скорости, S ₃ , показало увеличение как частоты, так и k ₃ с увеличением нейтрального заряда. Точно так же латеральная диффузия во время мембранных взаимодействий, скорее всего, состояла из трех различных коэффициентов диффузии, основанных на подгонке распределения смещения к функции плотности вероятности (таблица 3, таблица S2, рис.S3), (2) Здесь Δ t = 33 мс. Таким образом, существует три состояния мобильности. Частота каждого состояния подвижности, S ′ _i , уменьшалась с увеличением нейтрального заряда для состояния с наименьшей подвижностью и увеличивалась для состояний с умеренной и самой быстрой подвижностью, указывая на то, что состояния подвижности и диссоциации, S ′ _i и S _i , были коррелированы (Рис. 2D, E). Следовательно, положительный заряд в спирали cα2, скорее всего, стабилизирует мембранное взаимодействие PTEN, подавляя диссоциацию.Эти результаты предполагают, что кинетика диссоциации мембраны регулируется электростатическими взаимодействиями и что различия в силе взаимодействия влияют на количество PTEN на мембране. Кроме того, заряженное состояние спирали cα2, по-видимому, коррелирует с динамическими переходами между состояниями.

Молекулы PTEN «прыгают» на клеточной мембране

Когда мы наблюдали отдельные молекулы PTEN ₄ , мы заметили, что они часто демонстрируют необычайно большое мгновенное смещение (рис.3). На рис. 3A показано пятно флуоресценции в фильме, которое исчезло через 33 мс, но в следующем кадре фильма появилось другое пятно через 66 мс. Расстояние между двумя пятнами было больше, чем обычно ожидается для молекулы, претерпевающей боковую диффузию за это время. Это большое расстояние можно объяснить либо тем, что два пятна представляют собой одну общую флуоресцентную молекулу, либо две отдельные флуоресцентные молекулы. То, что исчезающие и появляющиеся флуоресцентные пятна возникли антикорреляционно, еще больше свидетельствует о том, что они принадлежат одной и той же молекуле.Были также моменты, когда два появившихся флуоресцентных пятна имели более тусклую интенсивность, чем отдельные пятна, до или после этого момента (рис. 3C). Иногда мы также наблюдали похожие на облака флуоресцентные пятна, которые имели больший диаметр и меньшую интенсивность, чем в среднем, что указывает на то, что молекулы PTEN могут принимать необычно быстрый режим диффузии (рис. 3G). Все эти явления четко отличаются от флуорофоров, которые мигают и демонстрируют гораздо меньшее смещение (рис. 3E, H). Мы определяем эти неожиданно длинные смещения как прыжки молекулы.

Рис. 3. Прыжки молекул PTEN на клеточной мембране.

(A, B) Переход между вторым и третьим кадрами. (C, D) Переход произошел во втором кадре. (E, F) Мигает. (A, C, E) Изображения одиночных молекул. (B, D, F) Профили интенсивности флуоресценции вдоль длинной оси прямоугольников, показанных на A, C и E. (G) Облачная флуоресценция (пунктирный прямоугольник при t = 66 мс) прыгающих молекул. Цифры в правом верхнем углу каждой панели — время в миллисекундах.Шкала шкалы, 1 мкм. (H) Траектории молекул, показывающие прыжки, мигание и боковую диффузию. Толстыми линиями показаны скачкообразные смещения. Цвета на траекториях указывают моменты прыжков, показанные на (B) и (D).

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1003817.g003

Новый метод анализа прыжковых молекул в живых клетках

Чтобы подтвердить, что молекулы PTEN прыгают на мембранах, мы исследовали вероятность того, что флуоресцентные пятна до и после прыжка произошли от одной и той же флуоресцентной молекулы.Для этого используется метод статистического анализа, предложенный Knight et al . был модифицирован так, чтобы его можно было применять к одиночным молекулам, наблюдаемым в живых клетках [22]. Анализ основан на сравнении между частотой появления пятен в клетке и частотой рекрутирования цитоплазматических молекул, оцененной на основе данных. Когда первое превосходит второе, возникшие пятна, скорее всего, включают прыгающие молекулы. При статистической оценке частоты пополнения с помощью визуализации in vivo одной молекулы мы включили две поправки для повышения точности: эффекты фотообесцвечивания и ограничения в зоне наблюдения.

Из видеозаписи одной клетки мы определили, когда и где каждое пятно появлялось и исчезало, отслеживая движение пятна. Пятно считалось исчезнувшим, если в следующем кадре фильма не было флуоресцентных пятен в пределах r ₀ = 0,45 мкм от последней позиции. Вероятность смещения более 0,45 мкм, которая определяется как, варьировалась от 0,002 до 0,05 (таблица 4, рис. S3). Исходя из этого критерия, траектория прыгающей молекулы, показанная на рис.3H, был разделен на две части. Мы ввели две системы координат для анализа отслеживаемых данных (рис. 4A). Одна из них — это глобальная система координат, O ( X , Y , T ), в которой начало координат является углом изображения, а начало координат времени — первым кадром фильма. Другая система координат менялась для каждого пятна, o _j ( x _j , y _j , t _j ), где j = 1,2,…, N ₀ ( N ₀ : общее количество наблюдаемых траекторий), x _j и y _j — пространственные переменные, а t _j — временная переменная.Обратите внимание, что начало координат в этой системе — исчезнувшее положение и время точки j .

Рис. 4. Метод анализа прыжковых молекул, предложенный в данной работе.

(A) Введены две системы координат. В глобальной системе координат O ( X , Y , T ) начало отсчета времени — это начальный кадр, а начало пространственного положения — это нижний левый угол изображения. В системе координат около j -й молекулы, o _j ( x _j , y _j , t _j ), начало времени — исчезнувшее время и пространственное начало — исчезнувшее положение молекулы.(B) Мембранно-ассоциированные молекулы подразделяются на два типа: те, которые повторно связываются с мембраной после прыжка (прыжковая молекула), и те, которые рекрутируются из цитоплазмы (рекрутируемая молекула). (C) Пространственное распределение траекторий PTEN дикого типа (синий), наблюдаемое в одной клетке. Масштабная линейка 5 мкм. (D) Количество молекул, появившихся в одной ячейке после возбуждения флуорофора. Временной интервал 1.666 сек. (E) Схема моделирования прыгающих молекул. (F) Результаты оценки вероятности повторного связывания смоделированных молекул.Данные являются средними +/- SD.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1003817.g004

Сначала рассмотрим ситуацию, когда исчезла j -я точка. Флуоресцентные пятна, которые появляются рядом с исчезнувшим положением, потенциально включают как пятна, происходящие от прыгающей молекулы, так и те, которые происходят от других молекул, рекрутируемых из цитозоля (рис. 4B). Таким образом, функция плотности вероятности (PDF), описывающая появление пятна на расстоянии r от исчезнувшей позиции в момент времени t , f _j ( r , t ), теоретически записывается как сумма PDF для пятен, появившихся в результате прыжка, г _j ( r , t ), и пятен, появившихся путем рекрутирования из цитозоля, h _j ( r , t ) ), что приводит к: (3) f _j ( r , t ) вычисляется путем подсчета количества пятен, появившихся в области в пределах радиуса между r и r + Δ r и временное окно между t и t + Δ t .Подсчитанное число было представлено вероятностью f _j ( r , t ) 2π r Δ r Δ t .

Чтобы смоделировать PDF рекрутированных молекул, h _j ( r , t ), мы предположили, что мембранная ассоциация цитозольных молекул PTEN происходит без какой-либо пространственной неоднородности на мембране, предположение подтверждено. по однородному распределению молекулярных траекторий в клетках дикого типа (рис.4С). Подсчитывали количество пятен, которые появлялись между T и T + Δ t на всей мембране, делили на площадь клеточной мембраны и наносили на график в зависимости от времени (фиг. 4D). Результат показывает временное уменьшение из-за фотообесцвечивания и может быть аппроксимирован экспоненциальной функцией, (4) где ρ ₀ и k ₀ — константы для начального значения и скорости затухания, соответственно. PDF привлеченных молекул выражается как: (5) z _j — это расстояние между исчезнувшим положением j -й молекулы и периферией клетки.Для получения см. Материалы и методы .

Затем, чтобы статистически проанализировать PDF, суммирование уравнения. 3 принимается как, (6) где N ₀ — общее количество молекул, полученное непосредственно путем подсчета количества пятен. Согласно приближению, что размер ячейки намного больше, чем r , уравнение. 6 переформулируется как (7) где l ₀ , S ₀ и T ₀ — периметр клетки, площадь клеточной мембраны и общее время фильма. , соответственно.Уравнение 7 также справедливо для данных отслеживания in vitro одной молекулы, при условии отсутствия эффекта фотообесцвечивания и ограничений в области наблюдения, что приводит к (8) (подробности см. В «Материалы и методы »). Уравнение 8 совпадает с моделью Найта, в которой вероятность повторного связывания учитывается при условиях визуализации in vitro [22].

Для анализа временного изменения вероятности повторного связывания после исчезновения события вероятность между t и t + Δ t вычисляется с использованием постоянного расстояния от исчезнувшей позиции, R ₀ , as, (9) При вычислении вероятности между Δ t и 2Δ t вероятность боковой диффузии была вычтена, как показано в третьем члене справа.Перескок, произошедший в другие интервалы времени, можно четко отличить от латеральной диффузии в процессе сбора данных, поскольку два пятна появились в одном кадре видео ( t = 0) или пятно однажды исчезло ( t ≥2Δ t ). Для анализа пространственного распределения вероятности повторного связывания вокруг исчезнувшей позиции вероятность в пределах радиуса r и r + Δ r была рассчитана с использованием константы t как: (10) Положительная вероятность повторного связывания указывает, что частота ассоциации с мембраной в пределах R ₀ исчезнувшего положения между t и t + Δ t после времени исчезновения выше, чем средняя частота ассоциации с мембраной; вероятность повторного связывания около 0 указывает на отсутствие значительных различий между частотами ассоциации с мембраной до и после исчезновения; и отрицательная вероятность повторного связывания указывает на то, что ассоциация мембран в пределах R ₀ между t и t + Δ t ингибируется по сравнению со средней частотой.

Молекулярное число, необходимое для оценки вероятности повторного связывания

Чтобы подтвердить наш метод анализа и изучить объем данных, необходимый для получения достоверных оценок, мы смоделировали молекулярные траектории. Мы смоделировали молекулы, которые демонстрируют прыжки, когда они диссоциируют от мембраны, предполагая вероятность повторного связывания 0,03 (рис. 4E), а траектории смоделированных молекул были сгенерированы стохастическим моделированием. Положение и время появления и исчезновения каждой молекулы на мембране определяли в соответствии с тем же критерием, который использовался для измерений в живых клетках: когда молекула перемещалась более чем на 0.45 мкм за 33 мс, траектория до и после смещения считалась производной от разных молекул. Таким образом, количество молекул, N ₀ , распознаваемых в соответствии с этим критерием при анализе, обычно больше, чем при моделировании. На основании распознанных траекторий рассчитывалась вероятность повторного связывания согласно предложенной методике анализа. Для удобства вероятность того, что молекула снова соединится с мембраной в пределах 2 мкм от исчезнувшего положения и между 66 и 100 мс после исчезнувшего времени, была использована для подтверждения анализа.Что касается каждой исчезнувшей молекулы, было подсчитано количество молекул, появившихся в пределах 2 мкм от исчезнувшего положения и между 66 и 100 мсек после исчезнувшего времени. Подсчеты, полученные от всех исчезнувших молекул, были суммированы, и сумма была разделена на N ₀ , что дает первый член правой части уравнения. 9. Количество молекул, которые возникли между T и T + Δ t секунд моделирования, подсчитывали независимо от положения и соответствовали уравнению.4 для получения оценок ρ ₀ и k ₀ . Используя эти расчетные значения, а также значения параметров l ₀ , N ₀ , R ₀ , S ₀ и T ₀ , второй член правой части уравнения. 9 было рассчитано. Вероятность повторного связывания оценивалась для каждого испытания моделирования, и 12 испытаний были выполнены для получения среднего и стандартного отклонения оцененных вероятностей повторного связывания.Фиг. 4F показывает взаимосвязь между оцененной вероятностью повторного связывания и количеством проанализированных молекул. Количество молекул, анализируемых в каждом испытании, изменяли в соответствии с частотой ассоциации с мембраной (0,02–1 молекула / мкм ² / сек). Расчетное значение вероятности повторного связывания приблизилось к моделированному значению, а стандартное отклонение уменьшалось по мере увеличения количества анализируемых молекул. Результаты показывают, что 1000 молекул дают хорошую оценку для расчета вероятности повторного связывания.

Вероятность повторного связывания и время перескока регулируются с помощью спирали cα2

Вероятности повторного связывания PTEN в живых клетках Dictyostelium оценивали способом, описанным выше. Вероятность того, что молекула повторно соединяется с мембраной между 0,45 и 2 мкм от исчезнувшего положения и в течение 133 мсек после исчезнувшего времени, была рассчитана для одной ячейки, а вероятности, полученные для более чем 7 ячеек, были усреднены. Положительные вероятности повторного связывания были получены для всех PTEN дикого типа и мутантных PTEN (рис.5А, таблица 4). Вероятность повторного связывания PTEN дикого типа была оценена как 0,08, что указывает на то, что повторное связывание происходит в 8% мембранных диссоциаций. Вероятности PTEN ₃ и PTEN ₄ были в два раза выше, чем у дикого типа, в то время как вероятности других мутантов PTEN, за исключением PTEN ₇ , были подобны дикому типу. Следовательно, прыжки, скорее всего, являются внутренним молекулярным свойством PTEN и подавляются, когда спираль cα2 остается в неповрежденном состоянии. Вероятность прыжков не обнаруживает прямой корреляции с числом мутаций в спирали cα2, возможно, из-за баланса между скоростями ассоциации и диссоциации, как обсуждается позже.

Рисунок 5. Анализ вероятности повторного связывания.

(A) Вероятности повторного связывания PTEN дикого типа, мутантов PTEN и обработанного латрункулином A мутанта PTEN ₄ . Вероятность того, что молекула снова соединится с мембраной между 0,45 и 2 мкм от исчезнувшего положения и в течение 133 мсек после исчезнувшего времени, была рассчитана по формуле. 9. * и ** обозначают p <0,05 и p <0. 01, полученные с помощью теста Стьюдента t соответственно. (B) Пространственное распределение вероятностей повторного связывания PTEN дикого типа (оранжевый) и PTEN ₄ (синий).Пространственные распределения были получены между 0 и 33 мс (вверху) и от 33 до 66 мс (внизу) после исчезновения пятен (правые панели). Диапазон ячейки составляет 0,05 мкм. Показаны типичные изображения прыгающих молекул, которые повторно связываются между 0 и 33 мс (вверху) и 33 и 66 мс (внизу) (левые панели). Минимальный предел анализа составляет 0,45 мкм от предыдущего положения (белые пунктирные круги). Траектории до прыжка показаны желтым цветом. (C) Временные изменения вероятности повторного связывания PTEN дикого типа (верхний) и PTEN ₄ (нижний).Данные являются средними +/- SD. (D) Типичные изображения, показывающие последовательность прыжков и соответствующую траекторию (желтый). Числа — это время в миллисекундах. Шкала шкалы, 1 мкм. (E) Время жизни прыжков PTEN дикого типа, PTEN ₄ и PTEN ₇ .

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1003817.g005

Диапазоны смещения и временного интервала, используемые для оценки вероятности повторной привязки, были выбраны таким образом, чтобы они включали большинство скачкообразных событий на основе анализа пространственного распределения и временного интервала. изменение вероятности перепривязки.При анализе пространственного распределения смещение прыжками было исследовано с использованием уравнения. 10. Анализ проводился в интервале времени 33 мс после исчезнувшего времени. Результаты, полученные для интервалов времени от 0 до 33 мс и от 33 до 66 мсек, типично показаны на фиг. 5B. Когда скачкообразная молекула отскакивает к мембране в течение 0 и 33 мсек, на одном кадре фильма наблюдались два флуоресцентных пятна (рис. 5B, вверху слева). Вероятность повторного связывания рассчитывалась в области, окруженной двумя концентрическими кругами с радиусами r и r + Δ r от центра ранее существовавшего пятна.Наименьший возможный радиус в нашем анализе составлял r = 0,45 мкм, что показано пунктирным кружком на левой панели рис. 5B. Это ограничение связано с верхним пределом расстояния между двумя пятнами в соседних кадрах, которые рассматриваются как исходящие от одной и той же молекулы при построении траекторий боковой диффузии. Вероятность повторного связывания рассчитывалась исходя из предположения, что Δ r = 0,05 мкм и была максимальной при примерно r = 0,45 мкм, но уменьшилась до 0, когда r приблизился к 2 мкм (оранжевый на правой верхней панели рис.5Б). Аналогичные пространственные распределения были получены в результате анализа во временном интервале от 33 до 66 мсек (оранжевый цвет в правой нижней части рис. 5B). Следовательно, молекулы PTEN дикого типа прыгали на мембране не более чем на 2 мкм.

Временные изменения в вероятности повторного связывания были проанализированы с использованием уравнения. 9. Сумма вероятностей от r = 0,45 до 2 мкм в пространственном распределении была взята для расчета вероятности того, что молекула отскочит к мембране в течение произвольного интервала времени.Как следствие, вероятность повторного связывания PTEN дикого типа была наивысшей между 33 и 66 мсек после того, как пятно исчезло (фиг. 5C, верхняя панель). Поскольку большинство событий повторного связывания произошло до 133 мс, мы выбрали интервал времени 0–133 мс при вычислении вероятностей повторного связывания, показанных на рис. 5A.

Эти пространственные и временные характеристики были в значительной степени общими для всех мутантов PTEN, за исключением PTEN ₄ (рис. 5B, 5C, S4 и S5). Вероятность повторного связывания PTEN ₄ показала более широкое распределение с более высокими значениями, чем у дикого типа, демонстрируя, что он сохраняет способность повторного связывания даже после путешествия на большие расстояния (синий цвет на правой панели рис.5Б). Время повторного связывания также было быстрее по сравнению с PTEN дикого типа и другими мутантными PTEN (рис. 5C, S5). Таким образом, PTEN ₄ с большей вероятностью будет повторно связываться с мембраной в пределах 0,45 и 2 мкм от исчезнувшего положения и в пределах от 0 до 133 мсек после исчезнувшего времени, чем дикий тип.

Мы также подтвердили, что спираль cα2 важна для подавления прыжков, измеряя продолжительность последовательности прыжков. Как показано на рис. 5D и дополнительном фильме S2, мы иногда наблюдали скачкообразные изменения для нескольких кадров, особенно в случае PTEN ₄ .Для анализа продолжительности прыжка, который мы назвали «временем прыжка», мы рассматривали два пятна, которые возникли в пределах 1 кадра, как от одной и той же молекулы, когда пространственные и временные расстояния между пятнами находились в пределах от 2,0 мкм до 33 мсек. Была восстановлена ​​траектория смены прыжков (желтые линии на рис. 5D) и измерена длительность. На кумулятивных графиках времени жизни прыжков PTEN ₄ показал более длительное время жизни прыжков, чем PTEN дикого типа или PTEN ₇ (рис.5E). Три графика были подогнаны к одной экспоненциальной функции, A exp (- kt ), давая рост константы скорости, в которой PTEN ₄ имел наименьшее значение (Таблица 5). Вместе с результатом, показывающим, что PTEN ₄ имеет более высокую вероятность повторного связывания, чем дикий тип или PTEN ₇ (рис. 5A), мы пришли к выводу, что PTEN может принимать специфическое состояние, в котором скачкообразное изменение происходит с высокой частотой.

В соответствии с этой идеей, состояние полимеризации актина под плазматической мембраной практически не влияло на время прыжка (рис.6А). Обработка ингибитором полимеризации актина, латрункулином A, не изменяла время перескока PTEN ₄ , тогда как она уменьшала вероятность повторного связывания на коротких временных интервалах и на больших расстояниях от времени и положения исчезновения, соответственно (рис. 5A, 6B и C). Эти результаты показывают, что PTEN по своей природе принимает состояние прыжка и что вероятность повторного связывания пространственно-временной регулируется плотностью кортикального филаментозного актина.

Рисунок 6. Влияние актиновых филаментов на перескок PTEN.

(A) Время жизни PTEN ₄ в отсутствие (синий) и присутствие (красный) латрункулина A. (B) Пространственное распределение вероятности повторного связывания PTEN ₄ в отсутствие (синий) и присутствие ( красный) латрункулина A. (C) Временные изменения вероятности повторного связывания PTEN ₄ в отсутствие (синий) и присутствие (красный) латрункулина A. Данные представляют собой среднее значение +/- SD.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1003817.g006

Наконец, подведены итоги вклада спирали cα2 во взаимодействие с мембраной (рис.7). Три состояния, S ₁ ( S ′ ₁ ), S ₂ ( S ′ ₂ ) и S ₃ ( S ′ _{3 3 3 3 , были выявлены из анализа кинетики диссоциации мембран и латеральной диффузионной подвижности (рис. 2, табл. 2 и 3). Мутация подавляла S 1 , но усиливала S 2 и S 3 , что указывает на то, что положительные заряды участвуют в переходе между S 1 , стабилизированным состоянием, и S. 2 и S 3 , состояния, связанные с cα2.В дополнение к этим трем, мы обнаружили, что PTEN принимает состояние прыжка, что может указывать на специфическую конформацию, при которой PTEN необычно чувствителен к электростатическим взаимодействиям с мембраной (Fig. 5, 6). Мутация PTEN 4 , скорее всего, ускоряет диссоциацию от мембраны в состояниях S 2 и S 3 и вызывает состояние прыжка. После диссоциации от мембраны 8% молекул PTEN дикого типа повторно связываются с мембраной вблизи своего исходного местоположения, не диффундируя в цитоплазму.Поскольку внутриклеточное распределение PTEN практически постоянно во времени, все ассоциированные с мембраной молекулы должны включать молекулы, связанные с мембраной посредством прыжков. Основываясь на этих результатах, мы предлагаем два типа реакций мембранной ассоциации для PTEN: ассоциация путем диффузии из цитоплазмы и ассоциация путем прыжков по поверхности мембраны. Спираль cα2, которая располагается на границе мембранного взаимодействия, отвечает за электростатические мембранные связывания и, скорее всего, играет центральную роль в регуляции количества PTEN на мембране путем модуляции вероятности прыжков.}

Рис. 7. Модель «поиска и стабилизации» описывает роль спирали cα2 во взаимодействии PTEN-мембраны.

PTEN в основном принимает три состояния на мембране: стабилизированное состояние ( S ₁ ), два состояния, связанных с cα2 ( S ₂ , S ₃ ) плюс скачкообразное состояние. Спираль cα2 участвует в подавлении мембранной диссоциации PTEN, напрямую регулируя последние два состояния. Когда состояние изменяется с S ₂ или S ₃ на S ₁ , взаимодействие между мембранами стабилизируется и субстрат PI (3,4,5) P ₃ становится более доступным.В состояниях S ₂ и S ₃ PTEN демонстрирует диссоциацию мембраны с большей скоростью, чем в состоянии S ₁ . Из диссоциирующих молекул 8% повторно связываются с мембраной после прыжков, что дает PTEN возможность снова искать субстрат.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1003817.g007

Обсуждение

В этом исследовании мы продемонстрировали, что локализация PTEN на клеточной мембране регулируется положительно заряженными остатками в спирали cα2 домена C2, что необходимо для правильной функции PTEN в метаболизме фосфатидилинозитола и прогрессии развития Dictyostelium .Сдвиг локализации от мембраны к цитозолю наблюдался после уменьшения положительного заряда спирали cα2, что частично дестабилизировало взаимодействие с мембраной, как было количественно выявлено с помощью визуализации одиночных молекул (рис. 1, 2). В некоторых случаях было замечено, что одиночные молекулы PTEN претерпевают большую латеральную диффузию на клеточной мембране, как если бы они прыгали на чрезвычайно большие расстояния (Рис. 3). Новый метод статистического анализа был разработан для оценки вероятности повторного связывания молекулы с мембраной вскоре после ее диссоциации (рис.4). Оценка для всех молекул PTEN дикого типа и мутантных молекул PTEN показала, что положительный заряд спирали cα2 важен для подавления прыжков (рис. 5, 6). Основываясь на этих результатах, мы предложили модель, описывающую множественные состояния связывания с мембраной PTEN, в которых спираль cα2 необходима для накопления PTEN на мембране за счет усиления электростатических взаимодействий в трех относительно стабильных состояниях связывания с мембраной, S ₁ , S ₂ и S ₃ , и подавление переходов состояний в состояние нестабильного скачкообразного изменения (рис.7).

Мы продемонстрировали, что спираль cα2 необходима для локализации PTEN на клеточной мембране в живых клетках. Локализация мембраны зависела от числа аминокислотных замен в спирали cα2, что указывает на участие электростатических взаимодействий. Предыдущее исследование кристаллографии показало, что PTEN содержит два катионных пятна на границе мембранного взаимодействия, которые происходят от положительно заряженных остатков в спирали cα2 и петле CBR3 в домене C2 [8].В этом отчете сделан вывод, что электростатические взаимодействия между этими катионными пятнами и анионными фосфолипидами, такими как PI (4,5) P ₂ и PS, необходимы для активности фосфолипид-фосфатазы на клеточной мембране. Однако до настоящего сообщения не было предложено ни одного предполагаемого механизма рекрутирования PTEN на мембрану в живых клетках с участием спирали cα2 (Fig. 1).

Более того, было высказано предположение, что петля CBR3 PTEN млекопитающих маскируется мультифосфорилированным C-концевым хвостом [13].Следовательно, петля CBR3 и С-концевой хвост вместе могут обеспечивать дополнительный регуляторный модуль для взаимодействия с мембраной. Однако мы не смогли найти никаких аминокислотных отрезков, гомологичных петле CBR3 или С-концевому хвосту в Dictyostelium PTEN. Кроме того, мембранная локализация Dictyostelium PTEN также зависит от N-концевого PI (4,5) P ₂ -связывающего мотива, что позволяет предположить, что электростатические взаимодействия через спираль cα2 и PI (4,5) P ₂ -связывающий мотив в первую очередь ответственен за привлечение PTEN к клеточной мембране в живых клетках [9].Соответствие этих катионных пластырей in situ противоопухолевой активности необходимо изучить, поскольку мутации опухолевого происхождения чаще обнаруживаются в спирали cα2, чем в петле CBR3 (см. Веб-сайт Каталог соматических мутаций при раке (COSMIC)). [8], [25].

Мы обнаружили, что положительно заряженные остатки в спирали cα2 стабилизируют мембранные взаимодействия PTEN. PTEN демонстрировал диссоциацию мембраны с тремя скоростями, что указывает на то, что он принимает по крайней мере три кинетических состояния (рис.2Б, таблица 2). Точно так же PTEN показал три коэффициента диффузии во время связывания с мембраной, что указывает на три состояния диффузии. Ранее мы сообщали, что фосфатазно-минусовая форма PTEN (PTEN _G129E ) принимает три состояния: одно с самой низкой скоростью и самой низкой подвижностью, одно с самой высокой скоростью и самой высокой подвижностью, а третье — с умеренной скоростью и подвижностью [ 26]. Скорее всего, эти три состояния возникают из-за разной стабильности мембранного взаимодействия. В этом исследовании мы обнаружили, что частота принятия состояния с самой низкой скоростью и самой низкой подвижностью ( S ₁ ) уменьшалась с увеличением нейтрального заряда, в то время как два других состояния ( S ₂ и S ₃ ) увеличилось.Таким образом, мы пришли к выводу, что спираль cα2, возможно, модулирует переходы между состояниями (рис. 7). Положительно заряженные остатки необходимы для усиления S ₁ , который является стабильным, и подавления двух других, S ₂ и S ₃ , которые относительно нестабильны. Следовательно, диссоциация мембраны подавляется из-за положительного заряда, который вызывает накопление PTEN на мембране. Однако, поскольку S ₁ более прочно связан с мембраной, чем S ₂ и S ₃ , вероятно, требуются другие сайты взаимодействия на мембранах помимо анионных фосфолипидов, распознаваемых спиралью cα2.Дальнейшие исследования должны изучить, какие молекулы на мембране связываются с PTEN в этих состояниях и структурах PTEN, чтобы прояснить механизм мембранных взаимодействий и переходов между состояниями.

Наряду с тремя вышеупомянутыми состояниями визуализация одиночных молекул выявила четвертое состояние, которое описывает прыжки PTEN на мембране живых клеток Dictyostelium . Эти прыгающие молекулы показали необычайно большие смещения, обычно 0,5 мкм за 33 мс, по сравнению с 0.08 мкм за 33 мсек, наблюдаемые диффундирующими молекулами (рис. 3). О таком явлении ранее сообщалось только один раз, но никогда в живых клетках [22]. Поскольку наше наблюдение прыжка in vivo беспрецедентно, нам потребовался новый метод анализа, чтобы подтвердить, что сигналы флуоресценции до и после прыжка исходили от одной и той же молекулы. Мы оценили вероятность того, что молекула, однажды отделившаяся от мембраны, мгновенно восстановится, проанализировав видеоизображения одиночных молекул in vivo , которые отличаются от изображений молекул in vitro в следующих двух точках (рис.4). Во-первых, объем клетки меньше, чем у типичной восстановленной системы, и, следовательно, она содержит меньше молекул, меченных флуоресцентной меткой. Во-вторых, размер клетки, в которой происходят ассоциация, диссоциация и прыжки, меньше, чем размер изображения (рис. 2А). Предполагая бесконечно медленное фотообесцвечивание и бесконечно большую границу клеток, наша вероятность повторного связывания in vivo приближается к вероятности in vitro [22]. Кроме того, мы могли оценить вероятность того, где и когда произошло повторное связывание, относительно исчезнувшего положения и времени (рис.5B, 5C, S4, S5). Таким образом, наш метод анализа прыжковых молекул обычно применяется как к данным визуализации одиночных молекул in vitro, и in vivo, и обеспечивает подробные пространственно-временные свойства прыжков.

Статистический анализ вероятности повторного связывания всех PTEN дикого типа и мутантов показал, что спираль cα2 участвует в подавлении прыжков. Вероятность того, что PTEN дикого типа повторно связывается с мембраной в пределах 2 мкм и 133 мс после исчезнувшего положения и времени, была оценена как 0.08 в живых клетках Dictyostelium (фиг. 5A), и большинство событий повторного связывания происходило в этих пространственно-временных пределах (фиг. S2 и S3). Следовательно, 8% диссоциированных молекул PTEN отскакивают к мембране после прыжков, а 92% диффундируют в цитоплазму. Вероятность повторного связывания была самой высокой для PTEN ₄ , в котором уменьшающие заряд замены были введены умеренно (рис. 5A). Считается, что вероятность повторного связывания максимальна, когда константа скорости диссоциации равна константе скорости ассоциации, умноженной на концентрацию молекулы в растворе [27].Когда константа скорости диссоциации близка к нулю, участки связывания заняты, так что повторное связывание практически не происходит, а когда она приближается к бесконечности, мембрана работает как отражающая стена. В любом случае повторной привязки нет. С другой стороны, умеренные константы скорости диссоциации вызывают высокую частоту повторного связывания. Другое объяснение максимальной вероятности повторного связывания может быть связано со структурным изменением спирали cα2 в результате мутации. Визуализация одной молекулы PTEN ₄ в нескольких концентрациях на поддерживаемых липидных бислоях должна прояснить причину.

Мы также иногда наблюдали последовательность переходов по PTEN ₄ для нескольких кадров фильма (рис. 5D). Последовательные прыжки могут представлять собой особое состояние, в котором PTEN необычно адсорбируется на мембране. В соответствии с этой предпосылкой, продолжительность жизни при последовательных прыжках подчинялась экспоненциальному распределению и не зависела от обработки ингибитором полимеризации актина, латрункулином A (Fig. 5E, Table 5). Таким образом, мы пришли к выводу, что PTEN, скорее всего, принимает метастабильное состояние, в котором прыжки доминируют при связывании с мембраной (рис.7). Состояние актинового цитоскелета, включая, возможно, плотность кортикальной сети, влияло на вероятность повторного связывания, которая снижалась после лечения Latrunculin A (Fig. 6). Эти результаты предполагают, что PTEN внутренне проявляет прыжки, но повторно связывается способом, зависящим от условий окружающей среды под мембраной.

На основании вышеизложенного мы предлагаем модель, описывающую роль спирали cα2 в мембранном взаимодействии PTEN. PTEN в основном принимает четыре состояния: стабилизированное состояние ( S ₁ ), два состояния, связанных с cα2 ( S ₂ , S ₃ ) и состояние скачкообразной перестройки. S ₁ , S ₂ и S ₃ являются мембранно-связанными состояниями, при этом S ₁ является более стабильным, чем S ₂ или S _{3 . В состоянии прыжков PTEN не связан с мембраной, но адсорбируется поблизости за счет электростатических взаимодействий, поэтому иногда он демонстрирует повторяющиеся прыжки на мембране. Состояния S 2 , S 3 и состояния перескока напрямую зависят от целостности спирали cα2, которая поддерживает состояния S 2 и S 3 , но подавляет состояние перескока.Прыжковое состояние может служить электростатическим поиском на мембране PTEN, чтобы найти свой субстрат, как предполагалось ранее [22]. В нашей модели взаимодействия между PTEN и PI (3,4,5) P 3 , как полагают, усиливаются за счет механизма «поиска и стабилизации». PTEN в состояниях S 2 и S 3 слабо связан с анионными фосфолипидами, такими как PS, через домен C2 из-за поверхностного положительного заряда спирали cα2. Когда связывание с мембраной стабилизируется посредством взаимодействий как через C2, так и через домен фосфатазы, PTEN принимает состояние S 1 , что делает его доступным для PI (3,4,5) P 3 и приводит к активации фосфатазы. .В противном случае PTEN принимает состояние скачкообразного изменения с немалой скоростью. Большинство прыгающих молекул PTEN затем диффундируют в цитоплазму, но некоторые (8%) вместо этого снова связываются с мембраной. Таким образом, PTEN может покинуть локальную область с относительно низкими концентрациями субстрата путем прыжков. Хотя модулируются ли переходы между состояниями локальными фосфолипидными композициями или электростатическим состоянием локальной мембраны, требуется дальнейшее исследование, мы подозреваем, что спираль cα2 работает как сенсор для мембранного микроокружения.Таким образом, несмотря на то, что PI (3,4,5) P 3 является редким компонентом мембранных фосфолипидов, механизм поиска и стабилизации обеспечивает эффективный способ обнаружения и дефосфорилирования субстрата PTEN, что может иметь решающее значение не только для метаболизма. сигнального фосфолипида в отдельных клетках, но также для регуляции размера и прогрессирования многоклеточного развития.}

Материалы и методы

Конструкция плазмиды

Плазмиды

для внехромосомной экспрессии PTEN _i -Halo были сконструированы на основе того же вектора, о котором сообщалось ранее [26].Мутации для замен основных аминокислот в спирали cα2 были введены в ген pten , клонированный в pCR4BluntTOPO (Invitrogen), в соответствии с руководством производителя (QuikChange II XL Site-Directed Mutagenesis Kit, Agilent Technologies). Используемые праймеры показаны в таблице 1. Полученные нуклеотидные последовательности подтверждали секвенированием. Мутантные гены клонировали в сайты Bgl II и Spe I pHK12neo для создания слияния в рамке считывания с геном, кодирующим HaloTag, между последовательностями промотора и терминатора.Для трансформации использовали 5 мкг экспрессионных плазмид. Трансформацию плазмид для экспрессии PTEN-Halo или PTEN _i -Halo проводили, как описано ранее [26]. Трансформированные клетки отбирали при концентрации G418 10 мкг / мл в течение 1 недели.

Подготовка клеток

Dictyostelium discoideum клетки дикого типа (Ax2) выращивали при 21 ° C в среде HL5 с добавлением 100 нг / мл фолиевой кислоты и 5 нг / мл витамина B12. Трансформацию плазмид для экспрессии PTEN-Halo или PTEN _i -Halo проводили, как описано ранее [28].Трансформированные клетки отбирали при концентрации G418 10 мкг / мл в течение 1 недели. Перед микроскопическими исследованиями клетки голодали в 1 мл развивающего буфера (DB; 5 мМ Na / KPO ₄ , 2 мМ MgSO ₄ , 0,2 мМ CaCl ₂ , pH6) при плотности 2 × 10 ⁶ клеток / мл в течение 1 часа, а затем инкубируют в течение еще 3 часов в присутствии 10 мкл импульсов 1 мкМ цАМФ каждые 6 минут. Для наблюдения за плодовыми телами клетки промывали DB, и 20 мкл клеточной суспензии с плотностью 4 × 10 9 10 45 7 9 10 46 клеток / мл высевали на 1.5% непитательный агар в течение 30 часов.

Конфокальная визуализация

Подготовленные клетки инкубировали в DB, ​​включающем 10 мкМ TMR-конъюгированных лигандов HaloTag (Promega), в течение 10 минут. Клетки промывали DB, инкубировали на покровном стекле в течение 10 мин и наблюдали с помощью конфокального микроскопа (TE2000-PFS, Nikon). PTEN-TMR возбуждали твердотельным лазером с длиной волны 561 нм. Средние интенсивности на плазматической мембране и в цитоплазме рассчитывали с помощью Image-Pro (Media Cybernetics).

Визуализация одиночных молекул

Для мечения PTEN-Halo дикого типа или PTEN _i -Halo подготовленные клетки инкубировали с DB, содержащим 100 нМ лигандов HaloTag, конъюгированных с TMR, в течение 10 минут.Затем клетки промывали и суспендировали в DB и помещали на покровное стекло. Через 10 минут клетки покрывали листом агарозы и инкубировали в течение 20 минут [29]. Чтобы ингибировать полимеризацию актина, клетки обрабатывали 10 мкМ латрункулина A (Invitrogen). Лист агарозы также обрабатывали 10 мкМ латрункулина А перед использованием. Одиночные молекулы PTEN-Halo и PTEN _i -Halo дикого типа были визуализированы с помощью TIRFM объективного типа. Подробности конфигурации TIRFM описаны в [23].

Отслеживание отдельных частиц

Траектории флуоресцентных пятен были получены автоматически из фильмов с использованием лабораторного программного обеспечения и включали три этапа: определение положения флуоресцентных пятен, наблюдаемых в каждом кадре фильма, получение траекторий движения путем временного связывания данных положения, и устранение артефактов траекторий, возникающих из-за шума на изображениях. Чтобы определить положение, двумерный профиль интенсивности флуоресценции для каждого пятна был подогнан к функции Гаусса после того, как изображение кадра было преобразовано в двоичную форму.Бинаризация проводилась с использованием коэффициентов корреляции интенсивности, рассчитанных по соседним пикселям. Точное положение было определено в бинаризованном изображении путем подбора функции Гаусса, I exp (- (( x — x ₀ ) ² + ( y — y ₀ ) ² ) / 2 σ ² ) + J , где I , x ₀ , y ₀ , σ и J — пиковая интенсивность, Положение x , положение y , отклонение и интенсивность фоновой флуоресценции соответственно.Для получения траекторий пятна, наблюдаемые в одном кадре и предыдущем кадре, были соединены, если смещение было меньше порогового значения, d = 0,45 мкм. Если в области подключения было несколько точек, выбиралась ближайшая. Чтобы отличить артефактные траектории, полученные из фонового шума, отношение сигнал / шум (SNR), и σ были рассчитаны в каждый момент времени вдоль траектории отдельного пятна [30]. Траектории со средним SNR не более 5 или средним отклонением не между 1 и 4 считались артефактами и исключались из анализа.

Вывод вероятности повторной привязки

PDF для рекрутированных молекул выражается как, (11) где z _j — это расстояние между исчезнувшим положением j -й молекулы и периферией клетки. Если z _j меньше r , круг радиуса r выступает из ячейки, а длина выступающей дуги составляет 2 r arccos ( z _j / r ).Отношение длины к окружности, 2π r , равно arccos ( z _j / r ) / π. Уравнение 11 исключает выступающую длину. Кроме того, ρ ( T _j + t ) включает не только молекулы, привлеченные из цитозоля, но также j -ю молекулу, тогда как h _j ( r , t ) включает только первое. Однако, поскольку общее количество молекул, наблюдаемых в фильме, было намного больше, чем количество молекул j -й, мы пришли к выводу, что h _j ( r , t ) приближается к ρ ( T _j + t ).Кроме того, поскольку мы рассматриваем только ситуацию с малым t , значение ρ ( T + t ) может быть аппроксимировано как ρ ( T ). Следовательно, уравнение. 11 можно переписать как уравнение 5.

При суммировании Ур. 3, второй член в правой части уравнения. 6 записывается как, (12) так как распределение T _j зависит от ρ . Если размер ячейки намного больше, чем r , мы имеем приближение: (13) где l ₀ — периметр ячейки.Используя уравнения. 12 и 13, уравнение. 6 переформулируется как уравнение. 7.

Уравнение 7 также действительно для данных отслеживания in vitro визуализации одиночных молекул. В типичных случаях объем раствора, в котором диффундируют флуоресцентные молекулы, намного превышает объем клетки, и эффект фотообесцвечивания незначителен. Поскольку общее количество молекул рассчитывается как, (14) где S ₀ и T ₀ — площадь клеточной мембраны и общее время пленки, соответственно, ρ ( T ) приближается к постоянному значению, и мы получаем: (15) Из уравнения.15, уравнение. 7 переписывается как, (16) Кроме того, область наблюдения не ограничена ячейкой. S ₀ приближается к бесконечности, поэтому l ₀ / S ₀ может быть приближено к 0, что приводит к уравнению. 8.

Моделирование прыжковых молекул

Чтобы оценить достаточное количество траекторий для вычисления вероятности повторного связывания, мы выполнили стохастическое моделирование для генерации молекулярных траекторий с последующим анализом, предложенным в этом исследовании.Моделирование было основано на модели, в которой молекулы демонстрируют мембранные ассоциации и диссоциации, которые включают латеральную диффузию и прыжки, а также включают фотообесцвечивание флуорофоров. Молекулярное поведение, предполагаемое в модели, было следующим. Молекула в цитоплазме связывается с мембраной с частотой 0,02–1 молекула / мкм ² / сек. После ассоциации молекула демонстрирует боковую диффузию с коэффициентом диффузии 0,01 мкм ² / сек и диссоциирует от мембраны с константой скорости 1 / сек.Диссоциированная молекула имеет шанс перепрыгнуть и повторно соединиться с мембраной с вероятностью повторного связывания 0,03. Прыгающая молекула имеет коэффициент диффузии в цитоплазме 1 мкм ² / сек и возвращается к мембране через 66 мсек после ее диссоциации. После возвращения на мембрану молекула показывает то же поведение, что и до прыжка. Независимо от молекулярного состояния, флуорофор, конъюгированный с молекулой, подвергается фотообесцвечиванию со скоростью 0,03 / сек, что ограничивает длину траектории.Моделирование проводилось на мембране 10 × 10 мкм с временным интервалом 33 мс и длительностью 100 с (3000 шагов). Чтобы смоделировать смещение диффундирующих молекул, мы сгенерировали нормальное случайное число, стандартное отклонение которого должно было определять смещение молекул, диффундирующих по мембране. Чтобы дифференцировать количество наблюдаемых молекул (рис. 4D), частота мембранной ассоциации была изменена. Порядок параметров, используемых при моделировании, был аналогичен порядку, полученному при визуализации отдельной молекулы PTEN in vivo .

Дополнительная информация

Рисунок S1.

Интенсивность флуоресценции мутантов PTEN и PTEN дикого типа при визуализации одиночных молекул. (A) Гистограммы интенсивности флуоресценции. (B) Одноступенчатое фотообесцвечивание. Гистограмма имеет один пик, и интенсивность флуоресценции внезапно падает, что указывает на то, что наблюдаемые пятна представляют собой отдельные молекулы.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1003817.s001

(TIF)

Рисунок S3.

Анализ распределения перемещений.Распределения смещения молекул PTEN дикого типа и мутантных молекул PTEN, измеренные в течение 33 мс (красный цвет), были подогнаны к двухкомпонентным (пунктирные линии) и трехкомпонентным (синим) функциям вероятности диффузии с использованием уравнения. 2 методом наименьших квадратов. Диапазон ячейки составляет 0,001 мкм. Параметры посадки показаны в таблицах S2 и 3.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1003817.s003

(TIF)

Рисунок S4.

Пространственное распределение вероятностей повторного связывания мутантов PTEN и PTEN дикого типа.Бесцветные прямоугольники показывают вероятность повторного связывания до вычитания вероятности боковой диффузии. Диапазон ячейки составляет 0,05 мкм. Данные являются средними +/- SD.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1003817.s004

(TIF)

Фильм S2.

Визуализация одной молекулы PTEN ₄ прыжков в клетках Dictyostelium discoideum , как показано на рис. 3. Молекула, претерпевающая латеральную диффузию (слева), и молекула, претерпевающая повторяющиеся прыжки (справа, помечена красным), показаны своими траектории (желтые).Шкала шкалы, 1 мкм. Частота кадров 5 кадров в секунду.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1003817.s007

(MP4)

Таблица S2.

Коэффициенты диффузии мутантов PTEN и PTEN дикого типа в двухкомпонентной модели. Параметры, полученные в результате подгонки данных на рис. S3 с формулой. 2 ( n = 2). Наблюдаемое наименьшее значение D составило ε ² / Δ t , где ε — стандартное отклонение ошибки измерения, вычисленное по среднеквадратическому смещению траекторий [20].

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1003817.s009

(DOCX)

Благодарности

Авторы хотели бы поблагодарить Питера Карагианниса за критическое прочтение рукописи и членов группы Cell Signaling Dynamics в Университете Осаки и RIKEN QBiC за щедрое обсуждение.

Вклад авторов

Задумал и спроектировал эксперименты: MY SM MU. Проведены эксперименты: MY. Проанализированы данные: MY. Предоставленные реагенты / материалы / инструменты анализа: MY SM.Написал бумагу: МОЙ СМ МУ.

Ссылки

1. 1. Cevc G (1990) Мембранная электростатика. Biochim Biophys Acta 1031: 311–381.
2. 2. Lemmon MA (2008) Распознавание мембран фосфолипид-связывающими доменами. Nat Rev Mol Cell Biol 9: 99–111.
3. 3. Хео В.Д., Иноуэ Т., Пак В.С., Ким М.Л., Пак Б.О. и др. (2006) PI (3,4,5) P ₃ и PI (4,5) P ₂ липиды нацелены на белки с многоосновными кластерами на плазматическую мембрану.Наука 314: 1458–1461.
4. 4. Sansal I, Sellers WR (2004) Биология и клиническая значимость пути супрессора опухолей PTEN. Дж. Клин Онкол 22: 2954–2963.
5. 5. Maehama T, Dixon JE (1998) Подавитель опухолей, PTEN / MMAC1, дефосфорилирует липидный вторичный мессенджер, фосфатидилинозитол 3,4,5-трифосфат. J Biol Chem 273: 13375–13378.
6. 6. Myers MP, Pass I, Batty IH, Van der Kaay J, Stolarov JP, et al. (1997) Липид-фосфатазная активность PTEN имеет решающее значение для его функции супрессора опухолей.Proc Natl Acad Sci U S A 95: 13513–13518.
7. 7. Васкес Ф., Мацуока С., Селлерс В. Р., Янагида Т., Уэда М. и др. (2006) Супрессор опухолей PTEN действует посредством динамического взаимодействия с плазматической мембраной. Proc Natl Acad Sci U S A 103: 3633–3638.
8. 8. Ли Джо, Ян Х., Джорджеску М.М., Ди Кристофано А., Маэхама Т. и др. (1999) Кристаллическая структура опухолевого супрессора PTEN: влияние на его фосфоинозитид-фосфатазную активность и мембранную ассоциацию. Ячейка 99: 323–334.
9. 9. Iijima M, Huang YE, Luo HR, Vazquez F, Devreotes PN (2004) Новый механизм регуляции PTEN с помощью его фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфатного связывающего мотива имеет решающее значение для хемотаксиса. J Biol Chem 279: 16606–16613.
10. 10. Das S, Dixon JE, Cho W (2003) Механизм связывания и активации мембраны PTEN. Proc Natl Acad Sci U S A 100: 7491–7496.
11. 11. Walker SM, Leslie NR, Perera NM, Batty IH, Downes CP (2004) Функция PTEN-супрессора опухолей требует N-концевого липид-связывающего мотива.Biochem J 379: 301–307.
12. 12. Рахдар М., Иноуэ Т., Мейер Т., Чжан Дж., Васкес Ф. и др. (2009) Зависимое от фосфорилирования внутримолекулярное взаимодействие регулирует мембранную ассоциацию и активность супрессора опухолей PTEN. Proc Natl Acad Sci U S A 106: 480–485.
13. 13. Шеной С., Шекхар П., Генрих Ф., Дау М.С., Герике А. и др. (2012) Мембранная ассоциация супрессора опухолей PTEN: молекулярные детали комплекса белок-мембрана из исследований связывания SPR и отражения нейронов.PLoS ONE 7: e32591.
14. 14. Нгуен Х.Н., Афкари Й., Сено Х., Сесаки Х., Девреотес П.Н. и др. (2013) Механизм локализации человеческого PTEN выявлен по гетерологичной экспрессии в Dictyostelium . Онкоген
15. 15. Иидзима М., Девреотес П. (2002) Подавитель опухолей PTEN опосредует восприятие градиентов хемоаттрактанта. Ячейка 109: 599–610.
16. 16. Sako Y, Minoghci S, Yanagida T (2000) Одномолекулярная визуализация передачи сигналов EGFR на поверхности живых клеток.Nat Cell Biol 2: 168–172.
17. 17. Цянь Х., Шитц М.П., ​​Элсон Э.Л. (1991) Отслеживание отдельных частиц. Анализ диффузии и течения в двумерных системах. Biophys J 60: 910–921.
18. 18. Ueda M, Sako Y, Tanaka T, Devreotes P, Yanagida T (2001) Одномолекулярный анализ хемотаксической передачи сигналов в клетках Dictyostelium. Наука 294: 864–867.
19. 19. Кусуми А., Сако Ю., Ямамото М. (1993) Ограниченная латеральная диффузия мембранных рецепторов, изученная с помощью отслеживания отдельных частиц (нановидная микроскопия).Эффекты индуцированной кальцием дифференцировки в культивируемых эпителиальных клетках. Biophys J 65: 2021–2040.
20. 20. Мацуока С., Шибата Т., Уэда М. (2009) Статистический анализ латеральной диффузии и мультистатической кинетики при визуализации одиночных молекул. Biophys J 97: 1115–1124.
21. 21. Corbin JA, Dirkx RA, Falke JJ (2004) Домен гомологии плекстрина GRP1: параметры активации и новый механизм поиска редкого целевого липида. Биохимия 43 (51) 16161–73.
22. 22.Knight JD, Falke JJ (2009) Исследования флуоресценции одной молекулы домена PH: новый взгляд на реакцию стыковки мембраны. Biophys J 96: 566–582.
23. 23. Miyanaga Y, Matsuoka S, Ueda M (2009) Методы визуализации одиночных молекул для визуализации хемотаксических сигнальных событий на мембране живых клеток Dictyostelium. Методы Мол Биол 571: 417–435.
24. 24. Миянага Ю., Уэда М. (2010) Одномолекулярный кинетический анализ стохастической передачи сигнала, опосредованной рецепторами хемоаттрактантов, связанных с G-белками.В: Сако Й., Уэда М., редакторы. Клеточные сигнальные реакции: кинетический анализ одиночных молекул. Дордрехт Гейдельберг Лондон Нью-Йорк: Спрингер. С. 33–57.
25. 25. Chalhoub N, Baker SJ (2009) PTEN и путь PI3-киназы при раке. Анну Рев Патол 4: 127–150.
26. 26. Matsuoka S, Shibata T, Ueda M (2013) Асимметричное распределение PTEN, регулируемое пространственной неоднородностью в переходах состояния связывания с мембраной. PLoS Comput Biol 9: e1002861.
27. 27. Лагерхольм BC, Томпсон Н.Л. (1998) Теория повторного связывания лиганда на поверхностях клеточной мембраны.Biophys J 74: 1215–1228.
28. 28. Мацуока С., Иидзима М., Ватанабэ Т.М., Куваяма Х., Янагида Т. и др. (2006) Одномолекулярный анализ стимулированного хемоаттрактантом рекрутирования на мембрану белка, содержащего PH-домен. J Cell Sci 119: 1071–1079.
29. 29. Фукуи Й., Юмура С., Юмура Т.К. (1987) Иммунофлуоресценция с наложением агара: исследования компонентов цитоскелета и их изменений во время хемотаксиса с высоким разрешением. Методы Cell Biol 28: 347–356.
30. 30.Cheezum MK, Walker WF, Guilford WH (2001) Количественное сравнение алгоритмов отслеживания одиночных флуоресцентных частиц. Biophys J 81: 2378–2388.

5.4: Плазменная мембрана — Биология LibreTexts

Сумка, полная желе

Эта простая модель клетки животного в разрезе (рис. \ (\ PageIndex {1} \)) показывает, что клетка похожа на пластиковый пакет, полный желе-О. Его основная структура — плазматическая мембрана, заполненная цитоплазмой. Подобно Jell-O, содержащему смешанные фрукты, цитоплазма клетки также содержит различные структуры, такие как ядро ​​и другие органеллы.Ваше тело состоит из триллионов клеток, но все они выполняют одни и те же основные жизненные функции. Все они получают и используют энергию, реагируют на окружающую среду и размножаются. Как ваши клетки выполняют эти основные функции и поддерживают жизнь самих себя и вас? Чтобы ответить на эти вопросы, вам нужно больше узнать о структурах, из которых состоят клетки, начиная с плазматической мембраны.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Модель клетки животных

Плазматическая мембрана — это структура, которая образует барьер между цитоплазмой внутри клетки и окружающей средой вне клетки.Без плазматической мембраны не было бы клетки. Мембрана также защищает и поддерживает клетку и контролирует все, что входит в нее и выходит из нее. Он позволяет проходить только одним веществам, удерживая другие внутри или снаружи. Чтобы понять, как плазматическая мембрана контролирует то, что попадает в клетку или выходит из нее, вам необходимо знать ее основную структуру.

Двухслойный фосфолипид

Плазматическая мембрана состоит в основном из фосфолипидов , которые состоят из жирных кислот и спирта.Фосфолипиды в плазматической мембране расположены в два слоя, называемых фосфолипидным бислоем , с гидрофобным или водоненавистным внутренним и гидрофильным или водолюбивым внешним слоем. Каждая молекула фосфолипида имеет голову и два хвоста. Голова «любит» воду (гидрофильная), а хвосты «боятся» воды (гидрофобная). Водобоязненные хвосты находятся внутри мембраны, тогда как водолюбивые головки направлены наружу, либо к цитоплазме, либо к жидкости, окружающей клетку.Полярная головная группа и цепи жирных кислот присоединены 3-углеродным глицериновым звеном. На рисунке \ (\ PageIndex {2} \) показан единственный фосфолипид рядом с фосфолипидным бислоем.

Гидрофобные молекулы могут легко проходить через плазматическую мембрану, если они достаточно малы, потому что они ненавидят воду, как внутренняя часть мембраны. С другой стороны, гидрофильные молекулы не могут проходить через плазматическую мембрану — по крайней мере, без посторонней помощи — потому что они водолюбивы, как и внешняя часть мембраны.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): фосфолипид и фосфолипидный бислой.

Другие молекулы в плазменной мембране

Плазматическая мембрана также содержит другие молекулы, в первую очередь другие липиды и белки. Зеленые молекулы на рисунке \ (\ PageIndex {2} \), например, представляют собой липидный холестерин. Молекулы стероидного липида холестерина помогают плазматической мембране сохранять свою форму. (Рисунок \ (\ PageIndex {3} \)) показывает молекулы холестерина в виде желтых структур в центре фосфолипидного бислоя.Другие структуры, показанные на (Рисунок \ (\ PageIndex {3} \)):

• Белковые каналы. Они охватывают всю мембрану и имеют пространство внутри, потому что они используются для транспортировки материалов в ячейку или из нее.
• Трансмембранные белки. Корень «транс» объясняет, что они охватывают (проходят «поперек») мембрану. Трансмембранные белки могут выполнять множество функций.
• Периферические белки. Они находятся только на одной стороне мембраны. Их можно найти как на цитоплазматической стороне, так и на внешней стороне мембраны.
• Гликопротеины. Они состоят из белка в плазматической мембране с цепями углеводов, выходящими из клетки.
• Гликолипиды. Это цепочки углеводов, прикрепленных непосредственно к липиду в мембране. И гликопротеины, и гликолипиды действуют как метки для идентификации клетки.
• Нити цитоскелета расположены вдоль цитоплазматической стороны мембраны и обеспечивают основу для мембраны.

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): На рисунке показаны основные компоненты бислоя фосфолипидов.

Дополнительные функции плазменной мембраны

Плазматическая мембрана может иметь расширения, такие как штыревые жгутики или щеточные реснички , которые придают ей другие функции. У одноклеточных организмов, подобных тем, которые показаны ниже, эти расширения мембраны могут способствовать перемещению организмов. В многоклеточных организмах расширения выполняют разные функции. Например, реснички на клетках легких человека сметают инородные частицы и слизь по направлению ко рту и носу.

Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): Жгутики лямблий (слева) и реснички слизистой оболочки дыхательных путей человека (справа).Жгутики и реснички являются продолжением плазматической мембраны многих клеток.

Характеристика: Мое человеческое тело

Если вы курите и вам нужна еще одна причина, чтобы бросить курить, вот хорошая. Мы обычно думаем о раке легких как о серьезном заболевании, вызванном курением. Но курение может иметь разрушительные последствия для способности организма защищаться от повторяющихся серьезных респираторных инфекций, таких как бронхит и пневмония.

Реснички — это микроскопические, похожие на волосы образования на клетках дыхательной, репродуктивной и пищеварительной систем.Реснички дыхательной системы проходят через большинство дыхательных путей, где они улавливают и удаляют пыль, микробы и другие инородные частицы, прежде чем они могут вызвать у вас заболевание. Реснички выделяют слизь, которая улавливает частицы, и они движутся непрерывным волнообразным движением, которое сметает слизь и частицы вверх к горлу, где они могут быть выведены из организма. Когда вы больны и откашливаете мокроту, вы делаете именно это.

Курение мешает ресничкам выполнять эти важные функции.Химические вещества в табачном дыме парализуют реснички, поэтому они не могут вымывать слизь из дыхательных путей, а также препятствуют образованию слизи ресничками. К счастью, эти эффекты начинают исчезать вскоре после последнего контакта с табачным дымом. Если вы бросите курить, ваши реснички придут в норму. Даже если продолжительное курение разрушило реснички, они снова вырастут и возобновят работу в течение нескольких месяцев после того, как вы бросите курить.

Обзор

1. Каковы общие функции плазматической мембраны?
2. Опишите фосфолипидный бислой плазматической мембраны.
3. Определите другие молекулы в плазматической мембране и укажите их функции.
4. Почему у некоторых клеток есть расширения плазматической мембраны, такие как жгутики и реснички?
5. Объясните, почему гидрофильные молекулы не могут легко проходить через клеточную мембрану. Какой тип молекулы в клеточной мембране может помочь гидрофильным молекулам проходить через нее?
6. Какая часть молекулы фосфолипида в плазматической мембране состоит из цепей жирных кислот? Эта часть гидрофобная или гидрофильная?
7. Два слоя фосфолипидов в плазматической мембране называются фосфолипидами ____________.
8. Верно или неверно. Жгутики на клетках легких сметают инородные частицы и слизь в направлении вашего рта и носа.
9. Верно или неверно. Небольшие гидрофобные молекулы могут легко проходить через плазматическую мембрану.
10. Верно или неверно. Сторона клеточной мембраны, обращенная к цитоплазме, является гидрофильной.
11. Стероидные гормоны могут проходить непосредственно через клеточные мембраны. Как вы думаете, почему это так?
12. Некоторые антибиотики действуют, проделывая отверстия в плазматической мембране бактериальных клеток.Как вы думаете, как это убивает клетки?
13. Как называются длинные, похожие на хлысты отростки плазматической мембраны, которые помогают некоторым одноклеточным организмам двигаться?

3.1 Клеточная мембрана: Шон Маккарти (Sandpit)

Панель приборов

AU_SANDPIT_1078466

3.1 Клеточная мембрана

перейти к содержанию Панель приборов

• Авторизоваться

• Панель приборов

• Календарь

• Входящие

• История

• Помощь

Закрывать
• Мой Dashboard
• AU_SANDPIT_1078466
• Страницы
• 3.1 Клеточная мембрана
Без срока
• Home
• Модули
• Тесты
• Файлы
• Чтения по курсу
• Инструментарий
• Значки
• SELT

Определение мембраны по Merriam-Webster

мем · брана | \ ˈMem-brān \

1 : тонкий мягкий гибкий лист или слой, особенно животного или растительного происхождения.

2 : кусок пергамента, составляющий часть рулона.

.
Биомембрана это: Что такое мембрана и ее виды в современной спортивной одежде