Содержание

Ключ от клетки: как открыть живые ворота мембраны

Липидная мембрана клетки — основа клеточной оболочки любого живого организма — это удивительный умный «забор», через который клетка общается с организмом, питается, дышит, защищается от вторжения интервентов и чужаков, впускает нужные вещества и закрывается от нежелательных. Это целый комплекс security-мер с избирательным воздействием. Основной инструмент этой биохимической «коммуникации» — поры, опциональные отверстия в мембране. Своеобразный пропускной шлюз, который ученые активно изучают и описывают, чтобы в дальнейшем управлять им в собственных — благих, разумеется, целях.

В чем суть исследования и что сделано

Ученые впервые полностью описали процесс образования пор в липидных мембранах и осуществили компьютерное моделирование их образования и эволюции. Они создали масштабную теоретическую модель, которая объяснила несостыковки в полученных ранее экспериментальных данных других исследований и разрешила накопившиеся противоречия.

Результаты работы коллаборации ученых из НИТУ «МИСиС», Института физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина РАН и Института биоорганической химии имени академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН под руководством Олега Батищева опубликована в двух частях в журнале Scientific Reports: первая, вторая.

Липидные мембраны — это оболочки, которые отделяют клетки и их органеллы от внешней среды. Эти структуры выполняют ряд важных функций жизнедеятельности, в частности становятся барьером, который контролирует обмен веществ клетки. Возможные нарушения этого барьерного механизма давно и активно изучаются в свете разработки лекарств и терапевтических стратегий, таких, как доставка препаратов, поскольку именно мембрана в конечном счете решает и определяет, попадет ли то или иное вещество в клетку. Соответственно, алгоритм «правильного» попадания вещества через мембрану путем создания поры — это и есть ID-карта в живую клетку.

Несмотря на то, что в мире существует множество экспериментально проверенных методов создания в мембране пор, через которые препарат может проникнуть в клетку (например, антибиотик, чтобы убивать бактерии или антиопухолевый токсин, чтобы уничтожать клетки рака), до сих пор не было физической модели, которая описывает формирование, рост и устойчивость таких пор.

Как сделано

Авторы задались целью создать полную теоретическую модель, которая бы описывала все стадии эволюции поры в липидной мембране. Эта задача осложняется тем, что любые попытки представить мембрану в качестве идеальной упругой оболочки без учета особенностей внутреннего строения живого «забора» приводили лишь к упрощенному и потому очень грубому описанию этой системы. Чтобы устранить подобные проблемы, ученые начали с максимально полного теоретического описания мембраны, а затем при помощи ряда преобразований получили выражения для энергии поры, позволяющее описать состояние поры в зависимости от ее геометрических параметров.

С помощью новой компьютерной модели ученые смогли объяснить несостыковки, наблюдавшиеся во многих работах, посвящённых данной тематике. Эта модель не только объясняет сам механизм возникновения пор в мембране, с ее помощью можно заранее описать, как именно мембрана отреагирует на механическое (укол, прокол) или электромагнитное воздействие (точечное облучение полем): в некоторых случаях оно приводит к управляемому формированию поры определенных размеров, а в некоторых — к необратимому разрыву мембраны и гибели клетки. Этот вариант, разумеется, нужно исключить в случае терапии, и наоборот — можно широко использовать для непосредственного устранения зараженных клеток.

Для того чтобы окончательно убедиться в справедливости выдвинутой теории, ученые также провели компьютерное моделирование методами молекулярной динамики, в котором липидная мембрана воссоздавалась на масштабе отдельных молекул. Результаты этих исследований хорошо совпадали с предсказанием теоретической модели и имеющимися экспериментальными данными, а также позволили наглядно «увидеть», как эволюционирует (возникает, растет и расширяется) пора в виртуальной мембране.

Рассказывает соавтор статьи, научный сотрудник кафедры теоретической физики и квантовых технологий НИТУ «МИСиС» Тимур Галимзянов:

«Эта работа потребовала очень больших трудозатрат от всех участников проекта, большого объема машинного времени для расчётов методами молекулярной динамики, проведённых коллегами из лаборатории моделирования биомолекулярных систем ИБХ РАН; долгой работы по построению моделей наблюдаемых процессов; и, главное проведения огромного массива расчетов, во многом аналитических, выполненных, в основном, Сергеем Акимовым, сотрудником ИФХЭ РАН и кафедры теоретической физики и квантовых технологий НИТУ «МИСиС».

Зачем сделано

Авторы надеются, что их работа станет фундаментом для будущих исследований, посвященных контролируемой доставке различных препаратов в клетку. Грубо говоря, компьютерная модель сложной органической системы — липидной мембраны — поможет подбирать оптимальные режимы воздействия на нее для успешного прохода через «шлюз» клетки в обход всех security-мер и введения внутрь нужных концентраций нужных веществ. Кроме того, новая модель, вероятно, поможет описать процессы, связанные с нарушением целостности мембран, что наблюдается в ходе многих сложных и пока не поддающихся лечению нейродегенеративных заболеваний, таких как болезни Альцгеймера, Паркинсона, Пика, хореи Гентингтона и тд.

«Никогда раньше мы не проводили таких подробных и последовательных теоретических исследований. Их результат полностью оправдал потраченные усилия: нам впервые удалось построить полную модель процесса формирования пор в мембранах, позволяющую делать не только качественные, но и количественные предсказания».

Ученые придумали новые способы изучения мембранных белков

Мембранные белки очень важны для работы клеток человека. Они отвечают за такие процессы, как транспорт веществ и передача информации из клетки и в клетку, передача нервного импульса, восприятие света и различных химических веществ и многие другие. Около половины мишеней современных лекарств являются именно белками клеточных мембран. При этом, для поиска новых лекарств, очень важно понимать, как устроена мишень, какова её пространственная структура, а структура мембранных белков достаточно плохо изучена — в базе данных PDB (база пространственных структур белков) менее 10% записей относятся к белкам этого типа. Это связано с рядом экспериментальных трудностей, возникающих при работе с такими белками. В первую очередь с тем, что белок нужно поместить в некий аналог клеточной мембраны, при этом стандартные системы вроде гигантских липидных везикул (липосом) не подходят, поскольку ни один из трех основных методов исследования пространственной структуры макромолекул не может работать с такими объектами.

Поэтому для нужд структурной биологии ученые разработали специальные мембраноподобные среды — мицеллы, бицеллы, нанодиски и амфиполы.


Картинка: мембраноподобные среды. Источник: ИБХ РАН

Все перечисленные среды в водном растворе могут образовывать частицы малого размера (радиусом от 2 до 6 нм), и каждая имеет свои преимущества и недостатки. Мицеллы — сферические частицы из молекул детергента, характеризуются самым малым размером, однако, меньше всего похожи на клеточную мембрану. Поверхность мицелл сильно изогнута, а детергенты взаимодействуют не только с внутримембранными частями белка, но и с теми участками, которые по идее должны находиться в водном растворе. Это приводит к потере активности белка, и, что самое неприятное, может поменять его пространственную укладку. Нанодиски — частицы, которые содержат участок липидной мембраны, окруженный поясом из специального белка MSP или полимера SMA (styrene maleic acid co-polymer).

Среды на основе нанодисков очень близки по свойствам к мембранам клеток, но эти частицы имеют уже заметно больший размер (радиус от 4 нм). Бицеллы — дисковидные частицы, которые образуются в смесях липидов и детергентов, являются компромиссным вариантом, поскольку в теории содержат участок липидного бислоя. При этом размер частиц бицелл может варьироваться в широком диапазоне, начиная от 2.5 нм. Однако, до последнего времени было неясно, существует ли в действительности в бицеллах фрагмент мембраны.

В ИБХ РАН пространственные структуры мембранных белков исследуют в Лаборатории биомолекулярной ЯМР-спектроскопии под руководством проф. Александра Арсеньева, используя один из мощнейших методов структурной биологии — спектроскопию ЯМР. Очевидно, что изучение мембраноподобных сред является неотъемлемым направлением этих исследований и им посвящено достаточно много усилий. Так, небольшой коллектив лаборатории (Гончарук С.А., Надеждин К.Д., Кот Э.Ф., Брагин П.Е., Бочарова О. В., Арсеньев А.С.) под руководством с.н.с. Константина Минеева в серии работ исследовал структуру и свойства бицелл, а также разработал новые составы, с помощью которых можно изучать мембранные белки с большими водорастворимыми доменами и отслеживать влияние состава мембраны на поведение мембранного белка. Стоит отметить, что исследовать частицы размером 2-4 нанометра не так уж и просто: их не видно даже в электронный микроскоп. Поэтому, ученые предложили использовать для этих целей коэффициенты диффузии, которые можно получить при помощи ЯМР. Эти коэффициенты достаточно просто конвертируются в радиусы частиц, для которых можно предположить теоретическую зависимость от соотношения липид/детергент. Соответствие экспериментальных параметров теоретическим и может являться критерием «правильности» бицелл. В качестве второго критерия было предложено отслеживать фазовые переходы липидов. Все липидные мембраны при определенной температуре переходят из «жидкого» жидкокристаллического состояния в «твердое» гелевое.

Коллективу ученых удалось разработать метод детекции фазовых переходов в бицеллах, а также изучить зависимость температуры перехода от параметров изучаемых смесей. Как оказалось, даже самые маленькие частицы содержат участок липидного бислоя, который подвержен фазовым переходам. При этом многие параметры фазовых переходов в «настоящих» липидных бислоях полностью или частично воспроизводятся в бицеллах. Используя два указанных критерия ученые изучили сотни различных смесей липид/детергент и установили, какие составы можно использовать для того, чтобы изучать, как свойства мембраны влияют на свойства белка. В частности, удалось разработать методику для измерения энергии взаимодействия между мембранными белками в бицеллах. Используя данную методику, ученые смогли показать, как толщина мембраны влияет на образование димеров одного из рецепторов фактора роста эпителия (ErbB4).

Наконец, важной проблемой, с которой сталкиваются ученые при использовании бицелл, является способность детергентов нарушать структуру водорастворимых частей мембранных белков. Широко применяемые составы бицелл не подходят для изучения белков с крупными водорастворимыми доменами. Константин Минеев с коллегами предложили использовать для приготовления бицелл специальные сверхмягкие детергенты — сложные молекулы на основе холиевой кислоты под общим названием Facade (Рисунок 2). Как оказалось, эти детергенты способны формировать бицеллы высокого качества — с выраженными фазовыми переходами и идеальной зависимостью размера от состава смесей.

Работа ученых опубликована в пяти научных статьях и была поддержана грантом РНФ. Нобелевский лауреат по химии 2002 года Курт Вютрих во время своего визита в ИБХ РАН отдельно отметил важность данного исследования для структурной биологии. Коллектив получил широкий набор инструментов для изучения влияния состава мембраны на поведение мембранного белка, пригодных для различных физико-химических методов, а также разработал полный набор практических указаний для приготовления бицелл и работы с ними.

Phospholipids and Cholesterol in Membrane Fluidity | Biology

5.

2: Текучесть мембран

Клеточные мембраны состоят из фосфолипидов, белков и углеводов, которые слабо связаны друг с другом посредством химических взаимодействий. Молекулы обычно могут перемещаться в плоскости мембраны, придавая мембране ее гибкий характер, называемый текучестью. Две другие особенности мембраны способствуют текучести мембраны: химическая структура фосфолипидов и присутствие холестерина в мембране.

Жирные кислоты фосфолипидов могут быть насыщенными или ненасыщенными. Насыщенные жирные кислоты имеют одинарные связи между углеводородным остовом и насыщены максимальным количеством атомов водорода. Эти насыщенные хвосты прямые и поэтому могут плотно сбиваться. Напротив, хвосты ненасыщенных жирных кислот содержат двойные связи между атомами углерода, что придает им изогнутую форму и предотвращает плотную упаковку. Увеличение относительной доли фосфолипидов с ненасыщенными хвостами приводит к более жидкой мембране. Организмы, такие как бактерии и дрожжи, которые испытывают колебания температуры окружающей среды, могут регулировать содержание жирных кислот в своих мембранах, чтобы поддерживать относительно постоянную текучесть.

В клеточных мембранах холестерин может взаимодействовать с головками фосфолипидов, частично иммобилизуя проксимальную часть углеводородной цепи. Это взаимодействие снижает способность полярных молекул пересекать мембрану. Холестерин также предотвращает плотную упаковку фосфолипидов, тем самым предотвращая вероятность замерзания мембран. Точно так же холестерин действует как структурный буфер при повышении температуры, ограничивая чрезмерную текучесть.

Также предполагается, что холестерин играет роль в организации мембранных липидов и белков в функциональные группы, называемые липидными рафтами. Считается, что эти группы белков, фосфолипидов и холестерина разделяют области мембраны, располагая молекулы с аналогичными функциями в непосредственной близости друг от друга. Однако конкретная структура и функция этих мембранных пластырей неясны и являются активной областью исследований.


Литература для дополнительного чтения

Renne, Mike F. , and Anton IPM de Kroon. «The role of phospholipid molecular species in determining the physical properties of yeast membranes.» FEBS Letters 592, no. 8 (2018): 1330-1345. [Source]

Steck, Theodore L., and Yvonne Lange. «Cell cholesterol homeostasis: mediation by active cholesterol.» Trends in Cell Biology 20, no. 11 (2010): 680-687. [Source]

В МФТИ научились моделировать поведение клеточных мембран для предсказания влияния лекарств и ядов

  • Объем данных для анализа поведения молекул клеточных мембран сократился в 10 раз, а точность снизилась лишь на 10%

  • Метод упростит создание новых лекарств и поможет в борьбе со старением

Ученые из МФТИ создали метод моделирования, способный с высокой точностью и относительно быстро описывать “ответные реакции” клеточных мембран на молекулы лекарств и токсинов, что позволит заранее, без всяких экспериментов просчитывать влияние препаратов на клетки. Исследование опубликовано в Journal of Chemical Theory and Information.

«Особенность нашего метода в том, что он обеспечивает полное численное описание изменений в молекуле. Мы можем отслеживать положение сразу всех атомов, при этом каждому варианту структуры присваивается значение, которое можно использовать для статистического анализа», — говорит ведущий автор исследования Иван Гущин, заведующий лаборатории структурного анализа и инжиниринга мембранных систем, созданной в Центре исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ в рамках проекта 5топ100.

Моделировать поведение биологических молекул крайне затруднительно, поскольку нужно описывать движение каждого ее атома — даже для небольшой молекулы из 54 атомов получится 156 наборов чисел. Огромные массивы информации, полученные в результате моделирования, сложно и долго обрабатывать и интерпретировать.

Группа под руководством Гущина нашла способ значительно упростить анализ результатов моделирования, при этом почти не потеряв в точности описания движения. Авторы исследования использовали для обработки исходящих данных метод главных компонент — способ обработки, который выделяет из данных наиболее существенные. Это в 10 раз сократило объем данных, а точность снизилась лишь на 10%.

Метод был проверен на липидной молекуле DOPC (диолеоилфосфатидилхолин), хорошо изученной экспериментально. Для моделирования было выбрано восемь разных силовых полей — наборов параметров для описания взаимодействия всех атомов. Одни силовые поля описывают взаимодействия между атомами очень подробно, другие — грубо и приближённо. После этого к полученным данным авторы применяли метод главных компонент.

Оказалось, что для описания движения молекулы из 54 атомов достаточно всего 14 «компонент», то есть совместных движений какой-то группы атомов в молекуле. Одна из компонент, к примеру, отвечает за движение двух “хвостов” у молекулы DOPC в разные стороны, наподобие ножниц.


Два варианта главных компонент движения молекулы. “Компактная” и “развернутая” структуры показаны красным и синим соответственно, промежуточные структуры — оттенками фиолетового. Изображение любезно предоставлено авторами исследования.


Из молекул липидов строится клеточная мембрана,а любые молекулы, чтобы подействовать на клетку, должны преодолеть её. Поэтому изучение поведения липидов  с точностью до отдельных атомов поможет “не вставая из-за компьютера” предсказывать влияние лекарств, токсинов на клетки и организм в целом, а следовательно значительно ускорить поиск новых лекарственных веществ и испытания препаратов. Помимо этого моделирование может помочь в исследовании механизмов старения, механизм которого, по некоторым предположениям, связан с изменением структуры мембран клеток. 

Структура молекулы DOPC, изучаемой авторами. Слева — химическая структура молекулы, справа — возможные положения молекулы в пространстве.  Изображение любезно предоставлено авторами исследования.

Клеточные мембраны, проницаемость — Справочник химика 21

    Стехиометрические соотношения в натрий-калиевом насосе весьма своеобразны. При распаде каждой молекулы АТР из клетки выкачиваются 3 иона натрия, а извне в клетку накачиваются 2 иона калия. Поскольку из клетки выкачивается больше положительно заряженных ионов, чем пО падает в нее, внутри клетки создается избыточный отрицательный заряд. Наличие отрицательного заряда внутри клетки было установлено уже давно путем измерения электрического мембранного потенциала (разд. Б.З). Поскольку клеточная мембрана все же проницаема для ионов К+, возникновение мембранного потенциала приводит к диффузии этих ионов через мембрану внутрь клетки, что обусловливает частичную нейтрализацию отрицательно-го заряда на мембране. Когда скорость пассивной диффузии уравновешивает мем бран- [c.363]
    Открытие ионных каналов — это, однако, не единственный ответ на связывание медиатора. В рецепторах катехоламина, например, первичный ответ состоит в продуцировании вторичного мессенджера сАМР, который с помощью протеинкиназы регулирует не только ионную проницаемость возбудимых мембран, но также энергию метаболизма и биосинтез белка в клетке. Рецепторы, определяемые как молекулы, связывающие эндогенные лиганды, являются в действительности компонентами мембранных комплексов, состоящих из молекул разных видов одни из них связывают лиганды, а другие функционально активны в мембране. Способ, с помощью которого регулируется ионная проницаемость клеточной мембраны, можно рассмотреть на примере модели, разработанной для аксональных ионных каналов (гл. 6). [c.243]

    Термин мембранао используется вот уже более 100 лет для обозначения клеточной границы, служащей, с одной стороны, барьером между содержимым клеткн н внешней средой, а с другой — полупроницаемой перегородкой, через которую могут проходить вода и некоторые из растворенных в ней веществ. В 1851 г. немецким физиолог X. фон Моль описал плазмолиз клеток растений, предположив, что клеточные стенки функционируют как мембраны. В 1855 г. ботаник К. фон Негели наблюдал различия в проникновении пигментов в поврежденные н неповрежденные растительные клетки и исследовал клеточную границу, которой он дал название плазматическая мембрана. Он предположил, что клеточная граница ответственна за осмотические свойства клеток. В 1877 г. немецкий ботаник В. Пфеффер опубликовал свой труд Исследование осмоса , где постулировал существование клеточных мембран, основываясь на сходстве между клетками и осмометрами, имевэщими искусственные полупроницаемые мембраны. В 80-х годах прошлого столетия датский ботаник X. де Фриз продолжил осмометрические исследования растительных клеток, предположив, что неповрежденный слой протоплазмы между плазмалеммой и тонопластом функционирует как мембрана. Его исследования послужили фундаментом при создании физико-химических теорий осмотического давления и электролитической диссоциации голландцем Я. Вант-Гоффом и шведским ученым С. Аррениусом. В 1890 г. немецкий физикохимик и философ В. Оствальд обратил внимание на возможную роль мембран в биоэлектрических процессах. Между 1895 и 1902 годами Э. Овертон измерил проницаемость клеточной мембраны для большого числа соединений и наглядно показал зависимость между растворимостью этих соединений в липидах и способностью их проникать через мембраны. Он предположил, что мембрана имеет липидную природу и содержит холестерин и другие липиды. Современные представления о строении мембран как подвижных липопротеиновых ансамблей были сформулированы в начале 70-х годов нашего столетня. [c.549]


    Химический состав клеточной стенки микроорганизмов различных групп неодинаков. Он изменяется и в зависимости от условий культивирования. Механически и химически клеточная стенка является очень прочным образованием. Она сохраняет форму клетки и поддерживает нужное осмотическое давление в ней, а также принимает участие в транспорте веществ. В отличие от цитоплазматической мембраны клеточная стенка проницаема для солей и других низкомолекулярных соединений. [c.15]

    Рассмотрим химические основы возникновения и поддержания биоэлектрических потенциалов (потенциала покоя и потенциала действия). Большинство исследователей придерживаются мнения, что явления электрической поляризации клетки обусловлены неравномерным распределением ионов К и Ма по обе стороны клеточной мембраны. Мембрана обладает избирательной проницаемостью большей для ионов К и значительно меньшей для ионов Ка. Кроме того, в нервных клетках существует механизм, который поддерживает внутриклеточное содержание натрия на низком уровне вопреки градиенту концентрации. Этот механизм получил название натриевого насоса. [c.636]

    Анализ клеточного цикла в последние годы значительно упростился благодаря использованию детища современной электроники-флуоресцентного анализатора клеток. В этом сложном приборе клеточную суспензию пропускают через узкое отверстие со скоростью нескольких тысяч клеток в секунду, и оптические измерения производятся для каждой отдельной клетки, проходящей мимо маленького окошечка (см. ра щ. 4.3.1). При анализе асинхронной клеточной популяции клетки обрабатывают фиксатором, что приводит к остановке деления и делает клеточные мембраны проницаемыми. Затем клетки обрабатывают красителем, который может флуоресцировать лишь будучи связанным с ДНК. Интенсивность флуоресценции окрашенных таким [c.144]

    В основе сложных патологических механизмов отравления змеиными ядами лежит процесс повреждения клеток организма и субклеточных структур. Известно, что функциональная целостность клеточных мембран являет ся одним из ведущих ф акторов, обеспечивающих нормальную жизнедеятельность клеток, тканей, органов и целостного организма. В змеиных ядах содержатся компоненты, активно воздействующие на клеточные мембраны и приводящие к развитию целого ряда патофизиологических реакций (гемолиз, изменение проницаемости [c.73]

    Рассматривая доннановское равновесие, мы считали систему идеальной. Живая клетка и ее поверхностная мембрана, конечно, такими системами не являются. Недиффундирующий анион в данном случае представлен различными боковыми анионными группировками белков и других макромолекул. Клеточная мембрана проницаема в той или иной степени для многих ионов и молекул лекарственных средств. Закономерности, полученные Доннаном, несомненно, играют важную роль в регуляции распределения лекарств в живых клетках, однако на это распределение влияют и определенные неравновесные механизмы. [c.27]

    Важный фактор, обеспечивающий в культуральной среде высокие концентрации аминокислоты, синтезированной внутри клетки, — проницаемость клеточных мембран. Проницаемость клеточной мембраны увеличивают либо с помощью мутаций, либо путем изменения состава питательной среды. В последнем случае в культуральной среде создают дефицит биотина (1 — 5 мкл/л), добавляют пенициллин (2—4 мкг/л), детергенты (твин-40 и твин-60) или производные высших жирных кислот (пальмитаты, стеараты). Биотин контролирует содержание в клеточной мембране фосфолипидов, а пенициллин нарушает биосинтез клеточных стенок бактерий, что повышает вьщеление аминокислот в среду.[c.45]

    Если на каком-нибудь участке мембраны проницаемость для ионов натрия увеличивается, то эти ионы устремляются внутрь клетки, нейтрализуя ее отрицательный заряд. Клеточная мембрана при этом деполяризуется. При деполяризации по поверхности мембраны распространяется затухающий электрический сигнал, аналогично тому как это имеет место при прохождении тока по коаксиальному кабелю Считают, что включение нервного импульса часто связано с локальным увеличением проницаемости мембраны для ионов натрия. В этом процессе могут играть определенную роль также и другие ионы, в частности Са +. Пассивное распространение электрических сигналов, обусловленное локальной деполяризацией мембраны, происходит, однако, только в случае очень коротких нервных клеток на длинные расстояния этим способом сигнал распространяться не может. В большинстве аксонов нервных клеток используется более эффективный способ проведения импульса, основанный на развитии потенциала действия. Потенциал действия — это импульс, проходящий вдоль аксона и специфически изменяющий за доли секунды (в нервах млекопитающих приблизительно за 0,5 мс) мембранный потенциал (рис. 5-6). Исходный отрицательный потенциал — 50—70 мВ быстро падает до нуля, затем достигает положительного значения 40—50 мВ, после чего снова устанавливается потенциал покоя. Поразительная особенность потенциала действия состоит в том, что он распространяется вдоль аксонов со скоростью 1 —100 м/с без снижения интенсивности. [c.370]


    Как происходит распространение возбуждения по нерву, известно довольно хорошо. Однако до сих пор не выяснен в деталях механизм процесса первичного возбуждения. Мы знаем, что этот механизм включает местную деполяризацию клеточной мембраны, но каким образом она происходит, пока не ясно. В некоторых случаях причиной может быть механический прогиб, изменяюш,ий проницаемость мембраны по отношению к ионам. (Возможно, что именно так возникает возбуждение в органах слуха и осязания.) В других случаях деполяризация может быть вызвана непосредственным химическим действием посторонних веществ на оболочку нервной клетки, например при попадании соли в рану. Что же касается запаха, то мы просто не знаем, какое именно свойство молекул пахучего вещества вызывает нервный импульс ясно только, что это каким-то образом происходит. В дальнейшем мы рассмотрим некоторые современные гипотезы, которые, к сожалению, пока еще остаются только гипотезами… [c.118]

    Механизм действия местных анестетиков, однако, более сложен, чем может показаться из этих опытов. Так, например, в мембранах аксонов натриевая проницаемость блокируется селективно. Различные механизмы местной анестезии обсуждаются в гл. 6. Здесь же отметим, что в общем имеются достаточные доказательства связи между эффективностью этих препаратов и их влиянием на текучесть мембран. При действии местных анестетиков увеличивается, например, агглютинация клеток млекопитающих лектинами растений [10], что опять-таки подтверждает связь их действия с текучестью клеточной мембраны. [c.74]

    Аналогичным образом поглощение белков происходит, очевидно, лишь при наличии на поверхности клеточной мембраны специфического рецептора. Этот рецептор так изменяет локальную проницаемость мембраны, что через нее могут проходить даже крупные молекулы. [c.66]

    Клеточная стенка у бактерий не жесткая, как стальной панцирь, а тонкая и эластичная, как кожаная покрышка футбольного мяча. Подобно тому как мячу придает упругость надутая камера, клеточной стенке придает определенную упругость плотно прилегающий к ней изнутри протопласт. Внутреннее давление (тургор) обусловлено осмотическими факторами. Осмотическим барьером служит плазматическая мембрана она полупроницаема и контролирует проникновение в клетку и выход из нее растворенных веществ, В отличие от плазматической мембраны клеточная стенка проницаема для солей и других низкомолекулярных соединений. [c.50]

    Проницаемость клеточной мембраны — важный фактор, который необходимо учитывать при исследовании ростовых процессов и обмена веществ вообще. Этот фактор, однако, исключительно трудно измерить с достаточной степенью достоверности прежде всего потому, что на самом деле существуют два независимых коэффициента проводимости. Один — это коэффициент самодиффузии, т. е. скорость диффузии воды через мембрану в отсутствие градиента потенциала воды. Измеряется эта величина, например, с помощью дейтерированной воды и обозначается через Вт- Другой — это коэффициент скорости движения воды через мембрану нод влиянием градиента потенциала воды [величина Въ в уравнении (7)]. [c.515]

    Функции стероидных гормонов необычайно разнообразны. Их влияние обнаруживается практически во всех биохимических системах организма. Стероидные гормоны включаются в клеточные мембраны, изменяя их проницаемость, способствуют разделению цепей ДНК в процессе образования РНК (транскрипции), повышают активность ферментов, участвующих в синтезе белка, регулируют перенос аминокислот т-РНК и т. д. [c.153]

    Уравнение равновесного мембранного потенциала уравнение Нернстд). Если клеточная мембрана проницаема для какого-либо одного иона (обычно она хорошо проницаема для К+, иногда для С1″), то на мембране ус-ганавливается равновесный так называемый нернстовский потенциал фм, определяемый как разность (фг — ф1>. В водной среде по обе стороны мембраны для иона = = Ио2 и в равновесии  [c.15]

    Клеточные мембраны, так же как и искусственные липидные бислои, способны пропускать воду и неполярные молекулы за счет простой физической диффузии. Однако клеточные мембраны проницаемы и для различных полярных молекул, таких, как сахара, аминокислоты, нуклеотиды и многие другие метаболиты, которые проходят через синтетические бислои чрезвычайно медленно. За перенос подобных растворенных веществ через клеточные мембраны ответственны специфические белки, назьюаемые мембранными транспортными белками. Они обнаруживаются во всех типах биологических мембран и могут сильно отличаться друг от друга. Каждый конкретный белок предназначен для определенного класса молекул (например, неорганических ионов, Сахаров или аминокислот), а нередко лишь какой-то разновидности молекул из этих классов. Специфичность транспортных белков была впервые показана, когда обнаружилось, что мутации в одном-единственном гене приводят к исчезновению у бактерий способности транспортировать определенные сахара через плазматическую мембрану. Аналогичные мутации теперь известны и у людей, страдающих различными наследственными болезнями, при которых нарушается транспорт тех или иных веществ в почках или кишечнике. Например, у индивидуумов с наследственной болезнью цисгтнурией отсутствует способность транспортировать определенные аминокислоты (включая цистин — связанный дисульфидной связью димер цистеина) из мочи или кишечника в кровь. В результате происходит накопление цистинав моче, что приводит к образованию цистиновых камней в почках. [c.381]

    Н. действует против патогенных грибов, особенно грибов рода andida. В отношении бактерА неактивен. Механизм противогрибкового действия И. объясняется избират. гидрофобным связыванием со стеринами мембран грибковых клеток. Это сопровождается нарушением мембранной проницаемости, потерей клеткой низкомол. в-в (в Частности, коферментов) и белков, что приводит к йарушенню процессов синтеза в клетке и ее гибели. Избирательность действия полиеновых антибиотиков связывают с тем, что клеточные мембраны грибов, в отличие от клеточных мембран млекопитающих, содержат преим. эргостерин, а не холестерин. [c.254]

    Как осуществляется такое напряжение, в принципе верно объяснил еще в 1912 г. Бернштейн, ученик основоположника электрофизиологии Дюбуа-Реймона. По мнению Бернштейна, клеточная мембрана электрических пластинок, филогенетически происшедших от мышечного волокна, как и клеточные мембраны мышечной ткани, должна обладать избирательной проницаемостью для ионов К+, но не для ионов Ыа+. Между более высокой концентрацией с внутренней стороны и более низкой концентрацией Ыа+ с внешней стороны пластинки возникает потенциал покоя, причем, согласно ряду напряжения, внутренняя сторона становится электроотрицательной. При раздражении, происходящем вследствие нервного нмпульса, изменяется проницаемость мембран и они начинают пропускать ионы, а следовательно, и ток. Как недавно показали измерения Ходчкина с сотрудниками, поляризация при разрядке не только доходит до точки компенсации исходной [c.463]

    Согласно данным Роуселла и Леонарда [281], монокремневая кислота не оказывает никакого действия на ферменты. Мономер кремнезема при проникновении в клетки печени не взаимодействовал с ферментами и не блокировал клеточные мембраны, которые сохраняли нормальную проницаемость по отношению к ионам и к небольшим молекулам, например молекулам ацетата или мочевины. [c.1061]

    Каждая клетка в организме млекопитающих содержит холестерин. Находясь в составе мембран клеток, неэтерифицированный холестерин вместе с фосфолипидами и белками обеспечивает избирательную проницаемость клеточной мембраны и оказывает регулирующее влияние на состояние мембраны и на активность связанных с ней ферментов. В цитоплазме холестерин находится преимущественно в виде эфиров с жирными кислотами, образующих мелкие капли—так называемые вакуоли. В плазме крови как неэтерифицированный, так и этерифицированный холестерин транспортируется в составе липопротеинов. [c.202]

    Синтезированы разнообразные 0-замеш.енные производные тиамннди-сульфида и асимметричные дисульфидные производные тиамина. Как правило, соедииеиия такого типа показали значительные преимущества перед тиамином — они обладали пролонгированным действием и не разрушались тиаминазой. Легкая проницаемость через клеточные мембраны [761, сродство к тканям [77] и быстрая рециклизация в тиамин [76, 78] определяют высокую физиологическую активность многих из этих соединений. [c.383]

    Недавно Кюн показал, что светоактивированный родопсин (идентичный метародопсину II) непосредственно взаимодействует с трансдуцином, образуя короткоживущий комплекс. Следовательно, запуск ферментативного каскада происходит непосредственно под действием активированного светом родопсина. Более того, внутриклеточная микроинъекция активированного трансдуцина в палочки моделирует действие света, т. е. гипер-поляризует клетки. Это свидетельствует о том, что активация каскада ферментов, участвующих в разложении GMP, играет основную роль в процессах преобразования света. Менее ясно, как взаимосвязаны светозависимые изменения метаболизма GMP и концентрации Са + и что за механизм или вещество регулирует в конечном итоге светозависимую проницаемость клеточной мембраны палочек.[c.18]

    Связывание ацетилхолина с мускариновыми рецепторами сопровождается увеличением концентрации циклических нуклеотидов, а взаимодействие с никотиновыми рецепторами приводит к открытию ионных каналов и соответственно изменению ионной проницаемости постсинаптической мембраны. Как следствие происходит деполяризация клеточной мембраны за счет быстрого входа ионов натрия, что в конечном итоге ведет к возбуждению мышечной клетки. Следовательно, биологическая функция никотинового ацетилхолинового рецептора заключается в изменении ионной проницаемости постсинаптической мембраны в ответ на связывание ацетилхолина. После зтого ацетилхолин гидрюлизуется ацетилхолинэсте-разой до холина и рецептор переходит в исходное состояние, [c.628]

    Клеточные мембраны у всех организмов проявляют полифун-кциональные свойства осморегуляция, барьерные функции с селективной проницаемостью за счет пор, насосов, рецепторов, транспорт веществ (в том числе активный с затратой энергии), участие в создании мембранного потенциала, в превращении энергии при фотосинтезе и окислительном фосфорилировании [c. 101]

    Янтарная кислота Бутандиовая кислота НООССН2СН2СООН Токсическое действие. Включена в Перечень. .. опасных веществ от 21.12.95 г. При попадании в организм плохо проникает через клеточные мембраны. Однако проницаемость увеличивается, когда клетки находятся в возбужденном или патологически измененном состоянии [c.624]

    Во многих нейронах, хотя и не во всех (важное исключение составляют миелинизированные аксоны млекопитающих), возвращение к состоянию покоя ускоряется благодаря потенциал-зависимым калиевым каналам в плазматической мембране. Эти каналы, подобно натриевым, открываются в ответ на деполяризацию мембраны, но происходит это отноо1тельно медленно. Повышение проницаемости мембраны для ионов К как раз в то время, когда натриевые каналы инактивируются, позволяет быстро сдвинуть мембранный потенциал до равновесного потенциала К и тем самым вернуть мембрану в состояние покоя (рис. 18-18). В результате реполяризации мембраны калиевые каналы вновь закрываются, а натриевые могут теперь выйти из состояния инактивации. Таким образом, клеточная мембрана меньше чем за одну миллисекунду вновь приобретает аюсобность отвечать на деполяризующий стимул [c.85]

    Существенную роль при оценке активности четвертичных соединений играют процессы адсорбции. Четвертичные соединения, адсорбируясь на поверхности стекла, металла и аналогичных материалов, образуют пленки, обладающие бактерицидными свойствами, Надо думать, что на первом этапе бактерицидного действия происходит адсорбция четвертичного соединения микробной клеткой, обладающей большой поверхностью со специфическими свойствами. Гейл и Тейлор [99] показали, что в результате такой адсорбции повышается проницаемость клеточной мембраны и в конечном счете происходят разрыв мембраны и высвобождение лизина и глутаминовой кислоты. Другие исследователи методом электронной микроскопии установили, что сначала происходит сжатие протоплазмы, а затем разрушение стенки клетки. Однако впоследствии выяснилось [100], что гибель клетки наступает значительно раньше (т. е. при значительно меньших концентрациях реагента), чем удается наблюдать повреждение клетки. Поэтому более вероятным является предположение, что гибель клетки — следствие инактивации энзимов, участвующих в энергетическом обмене и ведающих, например, окислительными процессами. [c.312]

    Инсулин способствует синтезу гликогена в печени и мышцах и усиливает окислительный распад глюкозы в тканях, активируя гексокиназную реакцию, т. е. образование глюко-зо-6-фосфата 2 (см. стр. 164). Инсулин обеспечивает переход глюкозы внутрь клетки, повышая проницаемость клеточной мембраны. [c.94]

    В норме импульсы, идущие от центральной нервной системы, поддерживают секрецию инсулина, глюкагона, адреналина и адренокортикотропного гормона на таком уровне, при котором содержание сахара в крови колеблется в довольно узких пределах — от 80 до 120 мг%. Инсулин повышает проницаемость клеточной мембраны для глюкозы, спо-собствлет синтезу гликогена в печени и в мышцах, усиливает окислительный распад глюкозы в тканях и тем самым вызывает снижение содержания сахара в крови (см. стр. 94). [c.176]

    Повреждение поверхностных структур или слоев клетки. Этанол в достаточно высокой концентрации (70%) вызывает коагуляцию белков и оказывает бактерицидное действие. Фенолы, крезолы, нейтральные мыла и поверхностно-активные вещества (детергенты) действуют на наружные слои клеток и нарушают избирательную проницаемость плазматической мембраны. Клеточные мембраны состоят главным образом из липидов и белков. Детергенты имеют поляркую структуру, причем их молекулы содержат как липофильные группы (длинные углеводородные цепи или ароматические кольца), так и гидрофильные ионизированные группы. Накапливаясь в липопротеиновых мембранах (тоже имеющих полярную структуру), детергенты нарушают их функции. Поскольку эти вещества обладают широким спектром антимикробного действия, их обычно применяют для дезинфекции различных поверхностей и одежды. С детергентами сходны по своему действию некоторые полипептидные антибиотики (полимиксин, колистин, бацитрацин, субти-лин) и антимикробные вещества растительного происхождения.[c.204]

    Вследствие проницаемости клеточных стенок для молекул двуокиси углерода изменения во внешней концентрации ее производят внутри клетки сдвиг в концентрации карбонатов, сопровождаемый изменениями кислотности клеточного сока. Влияют ли изменения во внешней концентрации бикарбонатных ионов, для которых клеточная мембрана почти непроницаема, на состав системы компонентов угольной ки 5лоты в клетке—сложная проблема мембран- [c.204]

    Некоторые исследователи предполагают, что молекула пахучего вещества нри адсорбции неносредственно воздействует на мембрану обонятельной клетки. При этом механизм воздействия на рецептор может заключаться либо в локальном изменении проницаемости клеточной мембраны для ионов нри десорбции молекул (Дж. Дэвйс [372, 373]), либо в изменении проницаемости всей мембраны клетки в результате изменения конформации входящих в ее состав молекул линопротеидов (Дж. Шанже и сотр. [374]). [c.175]


Российские физики научились предсказывать влияние лекарств на клеточные мембраны — Наука

МОСКВА, 25 апреля. /ТАСС/. Ученые из МФТИ создали метод моделирования, способный точно и быстро описывать ответные реакции клеточных мембран на молекулы лекарств и токсинов. Это позволит заранее и без дополнительных экспериментов просчитывать влияние различных препаратов на клетки, сообщила в понедельник пресс-служба МФТИ.

Моделировать поведение биологических молекул очень сложно, поскольку нужно описывать движение каждого ее атома. Группа под руководством Ивана Гущина, заведующего лаборатории структурного анализа и инжиниринга мембранных систем МФТИ нашла способ значительно упростить анализ результатов моделирования, почти не потеряв в точности описания движения.

«Особенность нашего метода в том, что он обеспечивает полное численное описание изменений в молекуле. Мы можем отслеживать положение сразу всех атомов», — приводит пресс- служба слова Гущина. С применением нового подхода объем данных для анализа поведения клеточных мембран уменьшается в 10 раз, а точность метода снижается лишь на 10%, сообщает пресс-служба.

Авторы исследования использовали в работе метод главных компонент — способ обработки, который выделяет из данных наиболее существенные. Метод был проверен на липидной молекуле DOPC (диолеоилфосфатидилхолин), хорошо изученной экспериментально. Оказалось, что для описания движения этой молекулы из 54 атомов достаточно всего 14 «компонент», описывающих совместные движения какой-то группы атомов в молекуле. К примеру, одна из таких компонент отвечает за движение двух «хвостов» DOPC в разные стороны, наподобие ножниц.

Из молекул липидов строится клеточная мембрана и любые молекулы, чтобы подействовать на клетку, должны её преодолеть. Поэтому изучение поведения липидов с точностью до отдельных атомов поможет предсказывать влияние лекарств и токсинов на клетки и организм в целом, а, следовательно, значительно ускорит поиск новых медицинских препаратов. Кроме этого моделирование можно применять в исследованиях механизмов старения, которое, по некоторым предположениям, связано с изменением структуры мембран клеток.

Исследование опубликовано в Journal of Chemical Theory and Information.

Животный жир и пальмовое масло разрушают клеточные мембраны // Смотрим

Учёные впервые смогли отслеживать молекулы жиров внутри живых клеток. Оказалось, что насыщенные жирные кислоты, которые содержатся в животном жире и пальмовом масле, встраиваются в клеточные мембраны и делают их жёсткими. В результате клетка не может нормально выполнять свои функции и постепенно разрушается.

Вегетарианство, веганство, сыроедение, палео- и кетогенная – каких только видов диет ни появилось на волне всеобщей моды на здоровый образ жизни. При этом сторонники каждой программы питания готовы предоставить результаты научных исследований, поддерживающих именно их выбор, и, глядя на этот карнавал коктейлей, овощей и витаминов, очень сложно разобраться, что на самом деле полезно, а что нет.

Кажется, только одна тема способна объединить диетологов всех мастей: ненависть к насыщенным жирам. Давно известно, что эта группа жирных кислот, содержащихся, например, в сале, сливках и пальмовом масле, негативно влияет на клетки и может являться причиной развития смертельных заболеваний. Но до сих пор учёные не могли объяснить механизм их разрушительного действия.

Чтобы найти разгадку, исследователи из Колумбийского университета под руководством профессора Вэя Мина (Wei Min) разработали новый метод микроскопии, который позволяет в реальном времени отслеживать передвижения жирных кислот после того, как они были поглощены живыми клетками.

Правда, для этого предварительно учёные заменили атомы водорода в составе нужных молекул его изотопом – дейтерием. В итоге жирные кислоты сохранили все свои свойства, а учёные получили возможность наблюдать за их перемещением внутри клеток с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния света.

Результаты, полученные в ходе первых экспериментов, могут иметь огромное значение для борьбы с диабетом, ожирением и развитием сердечно-сосудистых заболеваний. Опубликованы они были в журнале PNAS, как и описание новой техники исследования. В своей статье команда сообщает, что насыщенные жирные кислоты встраиваются в эластичную клеточную мембрану, делая её более жёсткой.

Дело в том, что длинные прямые цепочки насыщенных жиров укрепляют липидный каркас мембраны, и создают на ней небольшие плотные островки, в которых обычное движение молекул существенно замедляется. По мере накопления насыщенных жиров эти области увеличиваются в размерах, упругость мембраны стремительно снижается, она буквально затвердевает, из-за чего клетка постепенно разрушается.

«Долгое время мы полагали, что вся клеточная мембрана подобна жидкости, которая позволяет встроенным белкам изменять свою форму и вступать в реакции, — рассказывает Мин . – Раньше никто не наблюдал твёрдую мембрану в живых клетках млекопитающих, поэтому то, что мы увидели, было совершенно новым и удивительным».

К счастью, процесс затвердения мембраны можно обратить вспять, если увеличить потребление продуктов, богатых ненасыщенными жирами. Такие молекулы имеют в своей структуре «изломы», необходимые для обеспечения гибкости биологической конструкции. Липиды, построенные из ненасыщенных жирных кислот, содержатся, например, в рыбьем жире и других морепродуктах, а также в большинстве растительных масел.

«Мы обнаружили, что добавление ненасыщенных жирных кислот может «расплавить» островки мембраны, «замороженные» насыщенными», — объясняет соавтор исследования Ихуэй Шэнь (Yihui Shen).

Кроме того, исследователи полагают, что разработанный ими уникальный способ визуализации жирных кислот в живых клетках открывает новые возможности для поиска методов лечения заболеваний, связанных с дисбалансом этих компонентов в организме. Возможно, в будущем учёным удастся найти способ блокировать накопление «разрушительных» липидов, что, без преувеличения, будет иметь огромное значение для мирового здравоохранения.

Отметим, что визуализация на молекулярном уровне открывает принципиально новый этап развития различных областей биологии и химии. Например, авторы проекта «Вести.Наука» (nauka.vesti.ru) ранее рассказывали о способе определения местоположения матричных РНК, о снимке молекулы ДНК и даже атома водорода.

границ | Клеточные мембраны, универсальный адаптивный композитный материал

Введение

Клеточная мембрана является одним из наиболее важных и сложных биоматериалов в живой материи. Поэтому неудивительно, что за последние десятилетия он стал предметом обширных исследований, позволивших проникнуть в увлекательный мир регуляторных процессов, которые контролируют локализацию и активность белков и липидов в клеточных мембранах (Singer and Nicolson, 1972; Edidin et al. ., 1991; Эггелинг и др., 2009). Эти исследования установили, что биомеханические требования различаются у разных видов и внутриклеточных участков, что свидетельствует об огромном разнообразии и приспособляемости (Vasanji et al., 2004; van Meer et al., 2008). Тем не менее, несмотря на существенные достижения за последние несколько десятилетий, нам все еще не хватает всестороннего понимания механики мембран на клеточной поверхности.

Отдельные липиды самопроизвольно собираются в бислой, который затем подвергается температурным флуктуациям (Faucon et al., 1989), изменения локального состава липидов (Estep et al., 1979) и устойчивые деформации мембраны (Baumgart et al., 2003). Помимо липидов, клеточные мембраны также содержат белки, которые не только влияют на локальное липидное окружение (Contreras et al., 2011; Laganowsky et al., 2014) и механические свойства мембраны (Shi et al., 2018), но и делают мембрану трансмиссивной. к поступающим раздражителям. Эти сигналы могут изменять, среди прочего, мембранный потенциал (Nernst, 1889), форму (Chen et al., 2016; Graber et al., 2017) и липидный состав (Sugimoto et al., 1984). Важно отметить, что индуцированные сигналом изменения также влияют на локализацию и активность связанных с мембраной (Carpenter et al., 1978) и цитозольных (Hancock et al., 1989) белков. Одной из основных мишеней для таких сигналов является связанный с мембраной кортикальный цитоскелет (Свиткина, 2020). Возможно, наиболее поразительной из его многочисленных особенностей является способность цитоскелета генерировать механические силы толчка и тяги (Peskin et al., 1993; Huxley and Simmons, 1971).Следовательно, соединение мембран с корой соседних клеток дает композитный материал, который в равной степени способен воспринимать внешние раздражители и реагировать на них.

В этом обзоре мы рассмотрим сложные механические свойства этого адаптивного композитного материала. Читатели, заинтересованные в получении дополнительной информации о передаче сигналов через клеточные мембраны или механике цитоскелета, могут обратиться к множеству превосходных обзоров, написанных в других источниках (Huber et al., 2013; Lundberg and Borner, 2019; Svitkina, 2020). Мы начнем с определения основных механических терминов, прежде чем исследовать свойства материала клеточной мембраны.Далее мы покажем, как на эти свойства влияет его многообразное взаимодействие с клеточной корой в физиологических и патофизиологических условиях. В заключение мы указываем на будущие проблемы, связанные с пониманием механических свойств этого интересного биоматериала.

Фундаментальная клеточная механика

Плазматическая мембрана и кортикальный цитоскелет совместно образуют композитный материал с уникальными биомеханическими характеристиками (Nicolson, 2014). Чтобы в полной мере оценить эту сложную структуру, нам сначала нужно ввести ряд терминов, которые неоднократно будут появляться на следующих страницах.Начнем с того, что на самом деле представляет собой композитный материал. Этот термин, происходящий из технологии производства, описывает два или более связанных материала, где полученное соединение проявляет свойства, которыми не обладает ни один из отдельных компонентов в отдельности (Westkämper and Warnecke, 2011). Свойства материала композита зависят от свойств отдельных материалов его компонентов, их геометрии и поверхности раздела (т. Е. Способа соединения этих материалов). Следовательно, изменение одного из этих параметров повлияет на общие свойства композита. Если это происходит по замыслу, например, в ответ на раздражитель, материал называется адаптивным композитным материалом. Для биологических мембран основными компонентами этого композитного материала являются плазматическая мембрана (ПМ), которая инкапсулирует клетку, клеточная кора, выстилающая цитозольный участок ПМ, и мембранно-кортикальное прикрепление (МКА), которое описывает интерфейс, соединяющий ПМ. и коры клеток. В дальнейшем мы будем называть композитный материал, возникающий из комбинации PM, MCA и клеточной коры, «клеточной поверхностью».

Введя основные термины, нам нужно повторить основные свойства материала. При малых деформациях любую деформацию мембраны можно рассматривать как суперпозицию трех основных типов деформации: чистого растяжения, сдвига и изгиба (рис. 1А). Мембрана, на которую действует сила, действующая перпендикулярно ее краям, будет испытывать растягивающее напряжение и растяжение по площади. Сопротивление этому растяжению называется модулем растяжения K e . Точно так же мембрана, на которую действуют силы, действующие параллельно ее краям, будет испытывать напряжение сдвига, при этом сопротивление сдвиговой деформации определяется модулем сдвига K с . В то время как модуль растяжения и сдвига связывают деформацию с определенным напряжением, жесткость на изгиб K B связывает кривизну с изгибающим моментом (т. е. с энергией, необходимой для изгиба мембраны в ее текущее состояние). Описанные до сих пор деформации являются чисто упругими и поэтому не зависят от времени.Однако биоматериалы часто проявляют поведение жидкости, включая пластическую деформацию, зависящую от времени. Поэтому нам нужно ввести четвертое свойство материала, вязкость η (рис. 1А, справа). Он изображает сопротивление жидкости касательному напряжению при определенной скорости сдвига d⁢ud⁢y. В отличие от модуля сдвига, вязкость связывает напряжение не с деформацией, а со скоростью деформации. Путем изменения одного или комбинации этих четырех основных свойств материала может быть достигнута механическая адаптация. Читателям, заинтересованным в получении дополнительной информации по этой теме, мы отсылаем к работе, написанной в другом месте (Камм и Гродзинский, 2015).

Рис. 1. Основные свойства материала и виды деформации. (A) Слева направо мембрана, подвергаемая равномерному растягивающему напряжению σ, действующему нормально к ее краям, вызывает увеличение площади (от A 0 до A). Мембрана подвергается воздействию сил, действующих параллельно ее поверхности и вызывающих напряжение сдвига τ yx .Мембрана подвергается воздействию точечной нагрузки (F), действующей перпендикулярно ее поверхности, что вызывает кривизну и, следовательно, изгибающий момент. Вязкость η, сопротивление жидкости касательному напряжению τ при заданной скорости сдвига d⁢ud⁢y. (B) Основные свойства чисто упругого (пружина, слева) и вязкого (поршневой вал, справа) материала. Чисто упругий материал всегда возвращается в исходное состояние после деформации и демонстрирует линейную зависимость между напряжением и деформацией, в то время как чисто вязкий материал демонстрирует пластические (остаточные) деформации и линейную зависимость между напряжением и скоростью сдвига. (C) Модели вязкоупругих материалов. Тело Максвелла (слева), состоящее из последовательно соединенных демпфера и пружины, подобно вязкоупругой жидкости, проявляет остаточные деформации после снятия нагрузки. Тело Кельвина (справа) возвращается, подобно вязкоупругому телу, в исходное состояние при снятии нагрузки. Изображения адаптированы из Seidel et al. (2009) и Камм и Гродзинский (2015).

Наконец, давайте подытожим типы деформаций, которым может подвергаться материал. Свойства материала определяют его реакцию на механическое воздействие.В своей самой основной форме такая реакция может быть чисто упругой или вязкой. Эластичный материал возвращается к своей первоначальной форме при деформации, в то время как вязкий материал остается деформированным после снятия нагрузки. Это поведение можно представить как пружинное (упругое) или прерывистое (вязкое) соответственно (рис. 1В). Однако многие материалы проявляют вязкоупругую реакцию, когда вязкостные и упругие свойства сочетаются. Базовыми моделями такого поведения являются тела Максвелла и Кельвина (рис. 1С).В теле Максвелла упругие и вязкие элементы соединены последовательно, что приводит к упругой реакции на быстрые деформации, в то время как медленно прикладываемая нагрузка фиксируется пластическим образом. Напротив, в теле Кельвина упругие и вязкие элементы отображаются параллельно. Следовательно, под напряжением деформация со временем будет приближаться к реакции на деформацию упругого компонента, в результате чего она замедляется вязким элементом. Следовательно, тело Максвелла способно к пластической деформации (т.д., вязкоупругое твердое тело). Как и выше, мы отсылаем читателей, интересующихся этой темой, к работам, написанным в другом месте (Meyers and Chawla, 2010).

Разработка гипотетической биомиметической мембраны

Вдохновившись знаменитой цитатой Ричарда Фейнмана « то, что я не могу создать, я не понимаю », мы попытаемся на следующих страницах представить себе гипотетическую биомиметическую мембрану со следующими свойствами: Она должна надежно отделять внутреннее пространство от внешнего. Кроме того, граница должна быть гибкой, настраиваемой и способной кратковременно изменять свойства своего материала в ответ на поступающие сигналы.Для простоты и дидактических соображений мы разработали это как инженерную задачу (дополнительный рисунок S1 и дополнительный материал), последовательно расширяя количество требований (т. Е. Запрашиваемых функций) гипотетического материала. В каждом разделе мы начинаем с размышлений о том, как могла быть спроектирована такая биомиметическая структура, прежде чем подробно исследовать, как это было реализовано в биологических системах.

Липидный бислой, основной модуль клеточных мембран

Основная функция нашего биомиметического материала — надежно отделить внутреннее пространство от внешней среды.Для достижения такого непрерывного барьера в водном растворе биомиметический материал должен быть в состоянии противостоять разнице в осмотическом и гидростатическом давлении без утечки. В идеале материал должен собираться самопроизвольно, что ограничивает потребность в энергии и системах управления.

В клеточных мембранах амфипатические липиды спонтанно самособираются в липидный бислой толщиной 5–7 нм, причем гидрофобные углеводные цепи обращены внутрь (Huang and Thompson, 1965). Это происходит, чтобы свести к минимуму свободную энергию воды, возникающую в результате непрерывного образования и разрушения водородных связей (рис. 2А, справа).Сообщается, что чистые липидные бислои имеют модуль растяжения K e в диапазоне от 100 до 1000 мН/м (Waugh and Evans, 1979) со значением ∼200 мН/м, которое является наиболее общепринятым. Равич и др., 2000). Принимая во внимание чисто липидный бислой с возможным площадным растяжением 5% (Hallett et al., 1993) и пренебрегая температурными флуктуациями (Evans and Rawicz, 1990), уравнение 2.5 в блоке 1 дает нам разрывное напряжение 10 мН/м. Это значение соответствует опубликованным отчетам, в которых измеряется разрывное напряжение от 3 до 10 мН/м, в зависимости от липидного состава бислоя (Olbrich et al., 2000). По закону Лапласа.

Рисунок 2. Модули клеточной мембраны. (A) Слева гипотетическая биомиметическая мембрана, отделяющая внутреннее от внешнего. Справа липидный бислой представляет собой самую внешнюю структуру клеточной мембраны. При увеличении виден бислой толщиной 5–7 нм, состоящий из отдельных липидов. (B) Слева гипотетический композитный материал, состоящий из гибкого корпуса, связанного с жесткими каркасами.Справа плазматическая мембрана тесно связана с клеточной корой, создавая композитный материал. Отдельные актиновые белки собираются в нити, обращенные растущим концом к клеточной мембране. (C) Слева гипотетический адаптивный композитный материал, изменяющий свойства материала при внешнем воздействии (красный). Справа континуум мембрана/кора легко реагирует на внешние раздражители (красный), напоминая адаптивный композитный материал. Обратите внимание, что изменения в динамике актина также могут служить сигналом (красная пунктирная линия).

Вставка 1. Физика поверхности клетки.

Далее мы рассматриваем клеточную поверхность как пластинку или оболочку, инкапсулирующую цитоплазму, следуя описанию Kamm and Grodzinsky (2015). В общем случае любую деформацию можно представить как суперпозицию трех основных видов деформации: растяжения, изгиба и сдвига. Поверхностное натяжение определяется как производная энергии по отношению к площади, что означает, что энергия, необходимая для растяжения пластины на определенную величину, определяется выражением.

N=σ⁢h=E⁢h2-ν⁢ε=E⁢h3⁢(1-ν)⁢Δ⁢AA0=Ke⁢Δ⁢AA0,(2.1)

, где σ — равномерное нормальное напряжение, N — растяжение в плоскости с силой на единицу длины (Н/м), E — модуль упругости (модуль Юнга), ν — коэффициент Пуассона, h — толщина пластины, ε — деформация и K e модуль растяжения площади определяется как K e = E⁢h3⁢(1-ν). Энергия, необходимая для изгиба пластины толщиной h в одном измерении, равна

.

Mx=Eb⁢e⁢n⁢d=-E⁢h412⁢(1-ν2)⁢δ2⁢uzδ⁢x2=-KB⁢δ2⁢uzδ⁢x2,(2.2)

, где δ2⁢uzδ⁢x2 обозначает прогиб пластины в направлении z, а K B жесткость на изгиб, определяемую как KB=E⁢h412⁢(1-ν2). Эластичные материалы обладают сопротивлением сдвиговой деформации, возникающей, когда боковые поверхности пластины подвергаются воздействию двух различных поверхностных натяжений. Это сопротивление определяется модулем сдвига K с в единицах измерения Н/м, связывающим возникающую поперечную силу на единицу длины Н xy с величиной деформации сдвига, деформацией ε ху .Сила сдвига на единицу длины является произведением напряжения сдвига τ xy на толщину пластины h, которая также может быть описана модулем сдвига G и деформацией сдвига ε xy . В соответствии с уравнением 2.2 модуль сдвига может быть выражен модулем Юнга E и коэффициентом Пуассона υ:

σx⁢y=τx⁢y⁢h=2⁢G⁢εx⁢y=E1+ν⁢εx⁢y=Ks⁢εx⁢y, (2. 3)

Учитывая окружающие клетки, мы должны применить для тепловых флуктуаций добавление члена случайной силы ξ ( t ), а для демпфирования движения мембран внеклеточной жидкостью мы добавляем член в виде ηe⁢δ⁢ uzδ⁢(t) с эффективной вязкостью окружающей жидкости η e , рассеивающей свою энергию.Добавление тепловых флуктуаций и рассеяния энергии из-за внешнего демпфирования жидкости без учета напряжения сдвига дает

Δ⁢p+ξ⁢(t)=KB⁢(δ4⁢uzδ⁢x4+2⁢δ4⁢uzδ⁢x2⁢δ⁢y2+δ4⁢uzδ⁢y4)-N⁢(δ2⁢uzδ⁢x2+δ2⁢uzδ ⁢y2)+ηe⁢δ⁢uzδ⁢t,(2.4)

, что дает нам более полную картину поведения клеточной мембраны. Обратите внимание, что принцип суперпозиции действителен только для малых деформаций, где уместна линеаризация (например, небольшая дискретизация времени и пространства). Если пренебречь всеми условиями, кроме давления и поверхностного натяжения, поскольку это может быть уместно для малых кривизн, уравнение2.4 приводит к известному уравнению Лапласа.

Δ⁢p=-N⁢(δ2⁢uzδ⁢x2+δ2⁢uzδ⁢y2)≅N⁢(1R1+1R2). (2,5)

Биоматериалы часто проявляют вязкоупругие свойства. Следовательно, мы также должны учитывать вязкость материалов η. В отличие от модуля упругости E вязкость связывает напряжение не с деформацией материала, а со скоростью изменения деформации d⁢ε⁢(t)d⁢t. Одним из способов описания свойств вязкоупругого твердого тела является модель Кельвина-Фойгта (см. рис. 2C), которая может быть представлена ​​упругой пружиной и вязким демпфером, соединенными параллельно.Упругие свойства материала определяются модулем упругости Е, а вязкостные — вязкостью η. Тогда испытанное напряжение σ определяется как

σ⁢(t)=E⁢ε⁢(t)+η⁢d⁢ε⁢(t)d⁢t.(2.6)

Однако поверхность клеток обладает способностью к пластической деформации и поэтому ведет себя скорее как жидкость. Что касается клеточной коры, это свойство возникает из-за скорости оборота связывающих белков. В отличие от вязкоупругого твердого тела, вязкоупругая жидкость может быть смоделирована телом Максвелла, которое можно представить в виде упругой пружины и вязкостного демпфера, соединенных последовательно (см. рис. 2C).Испытанное напряжение σ здесь дано как

σ⁢(t)+ηE⁢σ⁢(t)dt=η⁢d⁢ε⁢(t)d⁢t.(2.7)

Δ⁢p=2⁢NR,(1,1)

, где N обозначает поверхностное натяжение, а R главный радиус кривизны, мы видим, что PM может выдерживать перепад давления Δ p до 0,2 бар или 20 кПа при радиусе 1 мкм перед разрывом , замечательная производительность, учитывая его толщину всего 5–7 нм.

Что касается свойств материала, упомянутых в начале раздела, липидный бислой уже обеспечивает превосходную устойчивость к растяжению.Однако он легко деформируется под действием сил внутри плоскости (т. е. низкое сопротивление сдвигу K s ) или перпендикулярно ей (т. е. низкая жесткость на изгиб K B ). Следовательно, чтобы укрепить структурную целостность границы и сделать ее регулируемой, требуется дополнительная поддержка.

Интерфейс мембрана-кора образует композитный материал

Для нашего гипотетического биомиметического материала механические свойства корпуса могут быть дополнительно улучшены за счет объединения его с самособирающимся каркасом, который с высоким сродством связывается с гибким корпусом, образуя трехкомпонентный композит: корпус, поддерживающий каркас и соединительный элемент. клей (рис. 2B, слева).Нетрудно представить, что размер, плотность и жесткость строительных лесов будут напрямую влиять на свойства материала композита. Однако эти свойства в равной степени зависят от схемы сборки лесов по корпусу. Например, каркасы, сформированные из удлиненных структур, выровненных вдоль заранее определенной оси, будут давать поляризованные (т. е. разные) модули изгиба вдоль основных кривизн. Напротив, всенаправленная сборка тех же структур будет давать изотропные механические свойства.Помимо формы несущей конструкции, на жесткость при изгибе также влияет расстояние между отдельными субъединицами (Naghieh et al., 2018). Одним из таких примеров является гель агарозы, который демонстрирует значительно более высокую устойчивость к напряжениям сдвига, чем вода, являющаяся его основным компонентом. Следовательно, при грамотном проектировании геометрии несущей конструкции или состава частиц матрицы могут появиться материалы с очень разнообразными механическими свойствами.

Липидный бислой существенно отличается от клеточной поверхности, которая не только более жесткая, но и демонстрирует более медленную латеральную диффузию (Edidin et al. , 1991; Ши и др., 2018). Это явно указывает на наличие дополнительного поддерживающего материала, который взаимодействует с липидным бислоем. В клетках этот композитный материал образуется за счет взаимодействия плазматической мембраны с клеточной корой (рис. 2В, справа). Клеточная кора состоит из прямых и разветвленных актиновых филаментов, сшитых между собой (Mullins et al., 1998), образующих слой толщиной 100–200 нм на внутренней стороне ПМ (Chugh, Paluch, 2018). Помимо актина, клеточная кора содержит в меньшей степени промежуточные филаменты и микротрубочки (Koning et al., 2008; Singh et al., 2018), что дает возможность прикладывать механические усилия и изменять локальные свойства материала. Мембранная ассоциация клеточной коры достигается за счет специальной группы белков, белков домена FERM (названных в честь белков-основателей 4.1, эзрина, радиксина и моезина), которые одновременно связываются с липидами и белками (Chishti et al., 1998). . Этот динамический интерфейс, также называемый прикреплением мембраны к коре (Diz-Muñoz et al. , 2010), превращает две отдельные структуры в один композитный материал.Из уравнения 2.2 во вставке 1 мы узнаем, что энергия деформации материала зависит от куба толщины. Следовательно, энергия, необходимая для изгиба клеточной коры толщиной 200 нм, на несколько порядков выше, чем для липидного бислоя толщиной 5–7 нм. Следовательно, вкладом липидного двойного слоя в общую жесткость клеточной поверхности можно пренебречь из-за изменений формы в масштабах клеточной длины. Интересно, что высокочастотный режим спектра флуктуаций при анализе мембранных флуктуаций, по-видимому, в значительной степени зависит от механических свойств ПМ (Gárate et al., 2015), предполагая, что мембрана, по крайней мере, частично способна свободно раскачиваться на малых масштабах длины. Подобные высокие флуктуационные режимы в масштабе десятков нанометров также наблюдались в везикулах (Betz and Sykes, 2012). Таким образом, в жесткости клеточной поверхности на изгиб (см. рис. 1А), вероятно, доминирует клеточная кора на клеточном уровне и частично неприкрепленные РМ на субмикронных масштабах (Salbreux et al. , 2012).

Соединение клеточной коры с мембраной также влияет на поверхностное натяжение (Chugh et al., 2017). Клеточная мембрана прикрепляется к коре через линкерные белки, которые, в свою очередь, подвергаются натяжению за счет поверхностного натяжения коры N cor , что приводит к деформации.

Nc⁢o⁢r⁢2R=ρl⁢i⁢n⁢k⁢Fl⁢i⁢n⁢k, (1.2)

, где ρ link обозначает плотность линкерного белка, а F link силу, прилагаемую каждым линкером. Используя закон Лапласа (см. также вставку 1, уравнение 2.5), находим.

Δ⁢p=NP⁢M⁢2R+ρl⁢i⁢n⁢k⁢Fl⁢i⁢n⁢k=(NP⁢M+Nc⁢o⁢r)⁢2R,(1.3)

. Давайте подробнее рассмотрим натяжение мембраны. В липидном бислое локальные градиенты натяжения мембраны (например, вызванные быстрым натяжением троса) выравниваются по остальной части мембраны за миллисекунды (Shi and Baumgart, 2015), что напоминает жидкость, лишенную напряжения сдвига. .Это, однако, меняется, как только ПМ прикрепляется к клеточной коре. Примерно четверть общей площади ПМ занимают трансмембранные белки, половина из которых связана с клеточной корой (Bussell et al., 1995). Эти белки, если они прикреплены к клеточному кортексу, служат препятствиями, которые ограничивают мембранный поток ( и ).

u=kηl⁢i⁢p⁢i⁢d⁢∇⁡N, (1.4)

с проницаемостью по Дарси к пористой среды (т., 2018). Латеральная проницаемость k может быть описана как функция доли площади ϕ, занимаемой интегральными белками, и их радиуса a (Happel, 1959).

k≈-a2⁢(1+ln⁡(ϕ))8⁢ϕ.(1.5)

Следовательно, если ограничиться двумя измерениями, сопротивление потоку уменьшается логарифмически с расстоянием до препятствия (а не экспоненциально). Поскольку логарифмическая функция расходится на больших расстояниях, эффект будет заметен независимо от того, насколько далеко от препятствия мы оцениваем систему — явление, называемое парадоксом Стокса.В том же исследовании также отмечалось, что поверхностное натяжение ПМ, прикрепленных к коре клеток, распространяется с течением времени диффузионным образом, определяемым формулой.

δ⁢Nδ⁢t=E⁢kηl⁢i⁢p⁢i⁢d⁢∇2⁡N, (1.6)

, где E изображает модуль упругости PM, а η липидов вязкость липидов (т. е. вязкость жидкости, протекающей через эти препятствия). Обратите внимание, что уравнение 1.6 демонстрирует поразительное сходство со вторым законом диффузии Фика. В своем изящном исследовании Ши и Коэн определили коэффициент диффузии напряжения D N

DN=E⁢kηl⁢i⁢p⁢i⁢d,(1.7)

дает

δ⁢Nδ⁢t=DN⁢∇2⁡N.(1.8)

Следовательно, интегральные белки, связанные с корой, вызывают локальные и долгоживущие градиенты мембранного натяжения. Вполне вероятно предположить, что клетки могут локально изменять коэффициент диффузии натяжения за счет MCA-индуцированных изменений количества и положения трансмембранных препятствий (т. е. изменения ϕ). Соответственно, недавняя работа показала положительную корреляцию между плотностью актина вблизи мембраны и натяжением мембраны (Bisaria et al., 2020). Влияют ли и как градиенты натяжения мембраны на корковое напряжение N cor и, как следствие, натяжение клеток N клетка , остается неясным.

Наконец, рассмотрим вязкость мембраны. Вязкость ПМ отличается от вязкости чистого липидного бислоя из-за встроенных интегральных мембранных белков (ИМБ). Для суспензии без межчастичных взаимодействий (т. Е. С низкой концентрацией) эффективная вязкость такой суспензии может быть аппроксимирована выражением.

μе=μ0⁢(1+B⁢ϕ),(1.9)

, где μ 0 — вязкость взвеси, ϕ объемная доля внедренных частиц и B — коэффициент, зависящий от формы частиц (например, сферы, цилиндры, диски) (Bird et al., 2007). ). Следовательно, возможно, что присоединение и, следовательно, иммобилизация ИМФ также могут влиять на вязкость ТЧ. Несмотря на существование некоторых приближений по эффективной вязкости (Larson and Higdon, 1986, 1987; Kolodziej, 1988), эта сложная тема остается нерешенной и выходит за рамки данного обзора (см. также Дополнительный материал).Важно отметить, что единственная плазматическая мембрана обладает свойствами вязкого материала. Однако прикрепление PM к клеточной коре (т. е. к клеточной поверхности) демонстрирует сочетание вязких и эластичных свойств в масштабе клеточной длины (Bausch et al., 1998). Это означает, что на коротких временных масштабах (т. е. ~1 с) клеточная поверхность реагирует как эластичный материал, тогда как на более длительных временных масштабах (т. е. 10–100 с) она проявляет свойства вязкого материала. Учитывая, что кора состоит из взаимосвязанных актиновых филаментов, в которых происходит непрерывный оборот сшивающих белков и актиновых филаментов, клеточная кора способна осуществлять пластическую деформацию, напоминающую вязкоупругую жидкость.Это поведение можно в простейшей форме смоделировать как тело Максвелла (Begemann et al., 2019), описываемое уравнением 2.7 во вставке 1 (см. также рис. 1C).

В заключение, наш краткий обзор демонстрирует, как взаимодействие мембран с клеточной корой изменяет механические свойства самой ПМ, а также клеточной поверхности. Тем не менее, несмотря на универсальность свойств материала, которая может быть достигнута, полученный композитный материал на данном этапе все еще не обладает способностью быстро реагировать на изменения окружающей среды (т.д., адаптивный ответ).

Поверхность клетки представляет собой адаптивный композитный материал

В описанной выше форме композитный материал всегда стремится принять состояние с минимальной энергией. Поразительно, что механические свойства мембраны и кортекса можно настраивать отдельно с высокой пространственной и временной точностью, что дает возможность превратить пассивный композит в активный материал. В нашем гипотетическом композитном материале такая адаптивность может быть достигнута за счет придания его компонентам чувствительности к кратковременному раздражителю (например,г., свет, температура). Реакция на такой стимул, который вызывает локальные изменения одного (или комбинации) из четырех основных свойств материала (рис. 1А), дает адаптивный композитный материал (рис. 2С, слева).

Далее мы обсудим, как временные изменения механических свойств мембраны или коры, вызванные стимулом, приводят к получению адаптивного композитного материала. Начнем с напряжения. Как упоминалось выше в уравнении. 1.3, натяжение клеточной поверхности представляет собой сумму натяжения ПМ и натяжения коры и, следовательно, является функцией плотности линкерных белков ρ link и модулей растяжения плазматической мембраны KeP⁢M и клеточной коры Kec ⁢о⁢р.Эти параметры, в свою очередь, зависят от соответствующих модулей упругости E , толщины h и коэффициента Пуассона ν (уравнение 2.1, вставка 1). Следовательно, вызванные сигналом изменения любого из этих свойств обязательно будут влиять на модуль растяжения поверхности клеток Kec⁢e⁢l⁢l. Сопротивление растяжению липидного бислоя KeP⁢M, например, возникает из-за потерь энергии, вызванных воздействием на гидрофобное ядро ​​окружающего водного раствора. Следовательно, теоретически его можно регулировать, изменяя липидный состав мембраны, что также может влиять на толщину мембраны h. Однако при модуле ~200 мН/м (Rawicz et al., 2000) липидный бислой не является сильно растяжимой структурой и, следовательно, не очень подходит. Обратите внимание, что большинство значений в литературе описывают кажущийся модуль растяжения PM, который объединяет крупномасштабные изменения площади мембраны, происходящие из-за волнистости мембраны, складок мембраны, слияния пузырьков, сглаживания колебаний мембраны и других источников (Le Roux et al., 2019). ). В дополнение к мембранному натяжению, корковое напряжение может модулироваться сигнально-зависимыми изменениями плотности актинового сшивающего агента, МСА (т.д., плотность линкерных белков ПМ-коры ρ link ) и коркового миозина (Stewart et al., 2011). В частности, последний делает композитный материал пригодным для адаптации в физиологических временных масштабах (т. е. порядка секунд), при этом липидный состав, а также геометрия коры (например, размер ячейки) будут влиять на соответствующие модули упругости.

Жесткость при изгибе

Поскольку жесткость мембраны и коры существенно зависит от масштаба длины, мы рассмотрим их вклад отдельно. Жесткость ПМ при изгибе, имеющая значение в субмикронном режиме, зависит от состава липидного двойного слоя (Helfrich, 1973). Изменяя длину и насыщенность отдельных углеводных цепей, можно модулировать толщину липидного бислоя и, таким образом, энергию изгиба (см. уравнение 2.2 в вставке 1). Добавление гидрофобных головок разного размера дополнительно делает липиды чувствительными к искривлению, в то время как различия в заряде будут влиять на белок-липидные взаимодействия с периферическими цитозольными белками (Ebrahimkutty and Galic, 2019; Bassereau et al., 2018). На жесткость клеточной коры при изгибе, имеющую отношение к микрометровому режиму, могут влиять изменения размера актиновой сетки (описанной плотностью линкерных белков коры) или толщины самой коры. Кроме того, сигналы, изменяющие модули упругости обоих материалов (описанные выше), также будут влиять на их соответствующие жесткости на изгиб KBP⁢M и KBc⁢o⁢r (см. уравнение 2.2 во вставке 1).

Сопротивление сдвигу и вязкость

Чистые липидные бислои ведут себя как жидкость, лишенная напряжения сдвига (Mofrad and Kamm, 2006). Это не всегда так в клеточных мембранах (Shi et al., 2018). Из уравнения 2.3 во вставке 1, мы делаем вывод, что все клеточные стимулы, которые влияют на модуль сдвига (и, следовательно, на модуль Юнга E , а также на коэффициент Пуассона υ, как обсуждалось выше), также будут влиять на реакцию упругого напряжения сдвига обоих материалов, и, следовательно, также клеточной поверхности. Поскольку клеточная кора, а также прикрепленные к ней ПМ обладают вязкоупругими свойствами, мы также должны учитывать контрольные переменные соответствующих вязкостей.В случае коры доминирующей контрольной переменной (т. е. мишенью для адаптивных стимулов) являются относительные скорости оборота актина и его сшивающих агентов, а также относительный размер ячеек клеточной коры (Boulbitch et al., 2000; Касас и др., 2005). Что касается ПМ и вспоминая описание парадокса Стокса из предыдущего абзаца, вязкость ПМ может модулироваться вызываемыми сигналами изменениями общей концентрации интегральных белков, их пространственного распределения (например, кластеризация) и доли коры. связанные единицы.

Результаты, обобщенные в этом разделе, подчеркивают многообразие стратегий для индуцированных сигналом изменений в свойствах отдельных материалов, которые превращают клеточную поверхность в адаптивный композитный материал. Как изменяются эти материальные свойства в патофизиологических условиях, — тема следующей главы.

Неправильные свойства материала вызывают заболевание

Использование некачественных материалов в любой спроектированной конструкции приводит к катастрофическим последствиям для общей устойчивости объекта.В клетках такие дефектные материалы проявляются как болезни. Далее мы рассмотрим болезни, возникающие из-за отдельных материалов, полученного композита и его адаптивных свойств соответственно.

Как описано в предыдущем разделе, изменения относительного уровня липидов в мембране могут не только истощать компоненты, участвующие в передаче сигналов, но также могут изменять свойства ее материала. Имеется все больше данных об изменениях липидного баланса [например, (холестерин)↑, (сфингомиелин)↑ и (фосфатидилинозитол)↓] в процессе старения, а также при липидозе, таком как болезнь Ниманна-Пика типа А и С (Karten et al. , 2002; Arroyo et al., 2014), установив, как механические свойства мембраны могут изменяться при заболевании.

Любопытно, что дефектные материалы, которые приводят к заболеванию, также могут быть обнаружены в белках коры клеток. Например, мутации в α-актине гладких мышц ( ACTA2 ), которые изменяют взаимодействие между актином и миозином (Lu et al., 2015), вызывают сосудистые заболевания и инсульт (Guo et al., 2009). Мутации в ACTB , гене, кодирующем цитоплазматический β-актин, изменяют динамику полимеризации актина (Hundt et al., 2014), что приводит к глухоте, раку и нарушениям развития (Procaccio et al., 2006). Мутации в гене, кодирующем α-актинин-4 ( ACTN4 ), белок, сшивающий актин, вызывают протеинурическое заболевание почек (Kaplan et al., 2000). В совокупности эти несколько примеров иллюстрируют, как изменения материальных свойств компонентов клеточной коры приводят к существенным физиологическим эффектам.

Болезнь также может быть связана с дефектами композитного материала. Как описано выше, липидный состав определяет жесткость и текучесть мембран.Удивительно, но некоторые из этих липидов образуют высокодинамичные и гетерогенные мембранные нанодомены (Head et al., 2014; Sechi and Wehland, 2000), которые можно стабилизировать для формирования более крупных сигнальных платформ, связанных с актиновыми филаментами (Oliferenko et al., 1999). ; Galic et al., 2012; Begemann et al., 2019). Поскольку доступность или динамика липидов изменяется при определенном заболевании, результирующие механические свойства композита мембрана-кора, вероятно, изменяются в таких условиях.

Наконец, мутации также могут влиять на адаптивность композита.Одно большое семейство заболеваний возникает из-за мутаций в рецепторных белках, которые нарушают вызванные сигналом изменения свойств материала композита. Одним из таких примеров являются рецепторы, связанные с G-белком (GPCR), которые изменяют, среди прочего, материальные свойства клеточной коры (Bhattacharya et al., 2004). Здесь мутации вызывают аберрантную передачу сигналов, нарушая поверхностную экспрессию (Ward et al., 2012), базальную активность (Seifert and Wenzel-Seifert, 2002) или связывание лиганда (Venkatakrishnan et al., 2013).Кроме того, GPCR напрямую взаимодействуют с липидами, а это означает, что изменения в составе мембраны или мутации в мотивах распознавания липидов могут изменять передачу сигналов GPCR, изменяя ее стабильность, субклеточную локализацию или активность (Keri and Barth, 2018; Pucadyil and Chattopadhyay, 2006). Важно отметить, что ошибки в вызванных сигналом изменениях свойств материала также можно проследить до других семейств рецепторов (Jiang and Gonen, 2012; Fruman et al., 2017; Zakany et al., 2020), что приводит к постоянно растущему семейству рецепторов. мембранозависимых заболеваний.Второе большое семейство заболеваний, влияющих на адаптируемость композитного материала, связано с кривизной мембраны. Здесь временно деформированные участки мембран запускают рекрутирование чувствительных к искривлению белков (Peter et al. , 2004) и липидов (Wang et al., 2007; James et al., 2010). Примечательно, что многие из более чем 100 известных молекул, чувствительных к кривизне, идентифицированных в клетках, непосредственно изменяют полимеризацию актина, тем самым изменяя механические силы, действующие на ПМ. Эта двойная способность выбранных молекул воспринимать и модифицировать индуцированное актином искривление ПМ важна, поскольку она устанавливает основные свойства адаптивного композитного материала.Следовательно, дефекты отдельных петель силовой регуляции обратной связи (например, OPHN1 и SRGAP2 ) приводят к очень специфическим заболеваниям (Billuart et al., 1998; Charrier et al., 2012).

Хотя эти избранные примеры далеко не полны, они иллюстрируют, как свойства материала отдельных компонентов критически влияют на общее механическое состояние клеточной поверхности — как в норме, так и при болезни. Как измеряются механические свойства этого универсального адаптивного композитного материала, будет обсуждаться в следующем разделе.

Измерение свойств материалов в клеточных мембранах

На этом рисунке показана важность функционального взаимодействия между корой, мембраной и СМА. Учитывая его небольшой масштаб, отделение клеточной коры от мембран в живых клетках является сложной задачей (Diz-Muñoz et al., 2018). Чтобы получить представление о натяжении мембраны, в предыдущих исследованиях использовались пипетки и оптические пинцеты для измерения силы, необходимой для отрыва мембранных нитей от клеточной поверхности (Raucher and Sheetz, 2000).Другой подход основан на спектроскопии мембранных флуктуаций с временным разрешением (Betz and Sykes, 2012). Здесь оптический пинцет используется для измерения деформации мембраны, а не для натяжения тросов. При таких измерениях спектральная плотность мощности низкочастотных флуктуаций падает по мере увеличения напряжения (Betz, Sykes, 2012). Примечательно, что спектроскопия флуктуаций также может быть использована для получения информации о жесткости при изгибе и вязкости материала (Betz and Sykes, 2012). Количественные измерения вязкости мембран также могут быть получены с помощью высокопроизводительного отслеживания отдельных молекул или флуоресцентной корреляционной спектроскопии (Barbotin et al., 2019).

Тем не менее, как упоминалось выше, изменения в промежутках между белками, связанными с корой, будут влиять на текучесть мембран (Cohen and Shi, 2020). Следовательно, измерения по натяжению привязи и колебаниям мембраны представляют собой сверток свойств мембраны и клеточного кортекса (Shi et al., 2018). Таким образом, хотя каждый из этих подходов позволяет по-новому взглянуть на механические свойства клеточных мембран, остается сложной задачей однозначно проанализировать вклад отдельных компонентов композитного материала.

Заключение и перспективы

Основополагающая работа. Один чистые липидные бислои, которые являются темой других обзоров в этом специальном выпуске, в значительной степени способствовали нашему текущему пониманию мембранной механики. Тем не менее, недавние исследования утверждают, что некоторые клеточные мембраны следует рассматривать как адаптивный композитный материал (Shi et al. , 2018; Cohen and Shi, 2020). В этом обзоре мы использовали гипотетический биомиметический материал, чтобы выяснить поразительную универсальность клеточных мембран.Мы обсудили, как небольшие изменения в механических свойствах отдельных модулей ядра позволяют материалу легко адаптировать свои свойства, таким образом выполняя самые разнообразные функции, опираясь на одни и те же строительные материалы. Удивительно, но сложный характер клеточной поверхности не только позволяет клеточным мембранам быстро приспосабливать свои механические свойства к данной ситуации, но и объясняет болезни и некоторые, казалось бы, противоречивые свойства клеточной поверхности. Одним из таких примеров является необходимость эффективного транспорта крупных объектов через клеточную кору при постоянном сохранении структурной целостности (Wollman and Meyer, 2012).Как упоминалось выше, интерфейс коры липидов в значительной степени зависит от нековалентных взаимодействий. Как следствие, цитоскелет постоянно отсоединяется и снова прикрепляется к липидному бислою. Эти временные отслоения не только открывают возможность легко регулировать взаимодействия, но также и способность транспортировать и сливать везикулы (т. е. крупные объекты) без постоянного отслоения плазматической мембраны от нижележащей коры.

Используя аналогию с гипотетическим биомиметическим материалом, мы понимаем, что искусственные материалы все еще сильно отстают от своих биологических аналогов.Однако обнадеживает то, что эта возможность была признана, что положило начало быстро растущей области исследований (Amaral and Pasparakis, 2019; Chen and Li, 2020). Будущие достижения в области биоинспирированных и биомиметических материалов, вероятно, выиграют от вычислительных подходов (Sun et al., 2018; Schroer et al., 2020), которые позволяют быстро продвигать теоретические и экспериментальные данные динамики мембраны-СМА-коры на постоянно растущем уровне. пространственно-временное разрешение.

Вклад авторов

Оба перечисленных автора внесли существенный, непосредственный и интеллектуальный вклад в работу и одобрили ее для публикации.

Финансирование

Эта работа была поддержана фондами DFG (EXC-1003, CRC1348/A06) и медицинского факультета Мюнстерского университета для MG (IMF IGA-121610).

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Мы хотели бы поблагодарить сотрудников лаборатории Galic за критические отзывы и обсуждения.

Дополнительный материал

Дополнительный материал к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fcell.2020.00684/full#supplementary-material

.

Ссылки

Амарал, А. Дж. Р., и Паспаракис, Г. (2019). Инженерия клеточных мембран с использованием синтетических материалов: применение в клеточных сфероидах, клеточных клеях и формировании микротканей. Акта Биоматер. 90, 21–36. doi: 10. 1016/j.actbio.2019.04.013

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Арройо, А.И., Камолетто П.Г., Морандо Л., Сассо-Погнетто М., Джустетто М., ван Вельдховен П.П. и др. (2014). Фармакологическая реверсия индуцированных сфингомиелином аномалий дендритных шипов в модели болезни Нимана Пика типа А на мышах. EMBO Мол. Мед. 6, 398–413. doi: 10.1002/emmm.201302649

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Барботин, А., Галиани, С., Урбанайе, И., Эггелинг, К., и Бут, М. Дж. (2019). Адаптивная оптика позволяет проводить измерения STED-FCS в цитоплазме живых клеток. Опц. Экспресс 27, 23378–23395. doi: 10.1364/OE.27.023378

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Bassereau, P., Jin, R., Baumgart, T., Deserno, M., Dimova, R., Frolov, V.A., et al. (2018). Дорожная карта по искривлению и ремоделированию биомембран на 2018 год. J. Phys. Д заявл. физ. 51:343001. дои: 10.1088/1361-6463/aacb98

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Баумгарт Т., Гесс С. Т. и Уэбб В.В. (2003). Визуализация сосуществующих доменов жидкости в моделях биомембран, связанных кривизной и линейным натяжением. Природа 425, 821–824. doi: 10.1038/nature02013

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Бауш, А.Р., Циманн, Ф., Бульбитч, А.А., Якобсон, К., и Сакманн, Э. (1998). Локальные измерения вязкоупругих параметров слипшихся клеточных поверхностей с помощью микрореометрии на магнитных шариках. Биофиз. J. 75, 2038–2049. doi: 10.1016/S0006-3495(98)77646-5

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Бегеманн, И., Saha, T., Lamparter, L., Rathmann, I., Grill, D., Golbach, L., et al. (2019). Механохимическая самоорганизация определяет поисковый паттерн в мигрирующих клетках. Нац. физ. 15, 848–857. doi: 10. 1038/s41567-019-0505-9

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Бетц, Т., и Сайкс, К. (2012). Мембранная флуктуационная спектроскопия с временным разрешением. Мягкая материя 8, 5317–5326. дои: 10.1039/C2SM00001F

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Биллуарт, П., Bienvenu, T., Ronce, N., Des Portes, V., Vinet, M.C., Zemni, R., et al. (1998). Олигофренин-1 кодирует белок rhoGAP, связанный с Х-сцепленной умственной отсталостью. Природа 392, 923–926. дои: 10.1038/31940

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Берд, Р. Б., Стюарт, У. Э., и Лайтфут, Е. Н. (2007). Транспортные явления (Rev. 2, изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Wiley.

Академия Google

Бисария, А., Хайер, А., Гарбетт, Д., Коэн, Д., и Мейер, Т. (2020). Проксимальный к мембране F-актин ограничивает локальные выпячивания мембраны и направляет миграцию клеток. Наука 368, 1205–1210. doi: 10.1126/science.aay7794

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Boulbitch, A., Simson, R., Simson, D.A., Merkel, R., Häckl, W., Bärmann, M., et al. (2000). Нестабильность формы биомембраны, вызванная локальным размягчением подлежащей актиновой коры. Физ. Преп. E Стат. физ. Плазменные жидкости Relat.междисциплинарный Верхняя. 62 (3 ч. Б), 3974–3985. doi: 10.1103/physreve.62.3974

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Бассел, С.Дж., Кох, Д.Л., и Хаммер, Д.А. (1995). Влияние гидродинамических взаимодействий на диффузию интегральных мембранных белков: трассерная диффузия в органеллах и восстановленных мембранах. Биофиз. Дж. 68, 1828–1835 гг. дои: 10.1016/S0006-3495(95)80359-0

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Чаррье, К., Джоши, К., Коутиньо-Бадд, Дж., Ким, Дж.-Э., Ламберт, Н., Марчена, Дж., и соавт. (2012). Ингибирование функции SRGAP2 его специфическими для человека паралогами вызывает неотению во время созревания позвоночника. Сотовый 149, 923–935. doi: 10.1016/j.cell.2012.03.034

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Чен, X., и Ли, Дж. (2020). Биоинспирированные клеточными мембранами: функциональные полимерные материалы для биомедицинских применений. Матер. хим. Передний. 4, 750–774.дои: 10.1039/C9QM00717B

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Чишти, А. Х., Ким, А. С., Марфатия, С. М., Лутчман, М., Ханспал, М., Джиндал, Х., и соавт. (1998). Домен FERM: уникальный модуль, участвующий в связывании цитоплазматических белков с мембраной. Тренды Биохим. науч. 23, 281–282. дои: 10.1016/S0968-0004(98)01237-7

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Чу П., Кларк А. Г., Смит М. Б., Кассани Д. А. Д., Диркес К., Рагаб, А., и соавт. (2017). Архитектура актиновой коры регулирует поверхностное натяжение клеток. Нац. Клеточная биол. 19, 689–697. дои: 10.1038/ncb3525

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Контрерас, Ф. -Х., Эрнст, А.М., Виланд, Ф., и Брюггер, Б. (2011). Специфичность внутримембранных белково-липидных взаимодействий. Гавань Колд Спринг. Перспектива. биол. 3:а004705. doi: 10.1101/cshperspect.a004705

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Диз-Муньос, А., Krieg, M., Bergert, M., Ibarlucea-Benitez, I., Muller, D.J., Paluch, E., et al. (2010). Контроль направленной миграции клеток in vivo путем прикрепления мембраны к коре головного мозга. PLoS Биол. 8:e1000544. doi: 10.1371/journal.pbio.1000544

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Эдидин, М., Куо, С.К., и Шитц, М.П. (1991). Боковые движения мембранных гликопротеинов ограничены динамическими цитоплазматическими барьерами. Наука 254, 1379–1382. дои: 10.1126/наука.1835798

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Эггелинг К., Рингеманн К., Медда Р., Шварцманн Г., Сандхофф К. , Полякова С. и соавт. (2009). Прямое наблюдение за наномасштабной динамикой мембранных липидов в живой клетке. Природа 457, 1159–1162. doi: 10.1038/nature07596

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Эстеп, Т. Н., Маунткасл, Д. Б., Баренхольц, Ю., Билтонен, Р. Л., и Томпсон, Т.Э. (1979). Термическое поведение синтетических дисперсий сфингомиелин-холестерин. Биохимия 18, 2112–2117. дои: 10.1021/bi00577a042

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Фокон Дж. Ф., Митов М. Д., Мелеар П., Бивас И. и Боторель П. (1989). Эластичность при изгибе и температурные колебания липидных мембран. Теоретические и экспериментальные требования. J. Phys. 50, 2389–2414. doi: 10.1051/jphys:0198

0170238900

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Фруман Д.А., Чиу, Х., Хопкинс, Б.Д., Багродиа, С., Кэнтли, Л.К., и Абрахам, Р.Т. (2017). Путь PI3K при заболеваниях человека. Сотовый 170, 605–635. doi: 10.1016/j.cell.2017.07.029

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Galic, M., Jeong, S., Tsai, F.-C., Joubert, L.-M., Wu, Y.I, Hahn, K.M., et al. (2012). Внешние толкающие и внутренние тянущие силы рекрутируют чувствительные к искривлению доменные белки N-BAR к плазматической мембране. Нац. Клеточная биол. 14, 874–881.дои: 10.1038/ncb2533

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Гарате Ф., Бетц Т., Пертуса М. и Бернал Р. (2015). Механика нейритов с временным разрешением по оценке тепловых колебаний. Физ. биол. 12:66020. дои: 10.1088/1478-3975/12/6/066020

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Грабер, З. Т., Ши, З., и Баумгарт, Т. (2017). Катионы вызывают ремоделирование формы отрицательно заряженных фосфолипидных мембран. Физ.хим. хим. физ. 19, 15285–15295. дои: 10.1039/c7cp00718c

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Guo, D. -C., Papke, C.L., van Tran-Fadulu Regalado, E.S., Avidan, N., Johnson, R.J., Kim, D.H., et al. (2009). Мутации в альфа-актине гладких мышц (ACTA2) вызывают ишемическую болезнь сердца, инсульт и болезнь Моямоя, наряду с заболеванием грудной аорты. утра. Дж. Хам. Жене. 84, 617–627. doi: 10.1016/j.ajhg.2009.04.007

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Халлетт, Ф.Р., Марш Дж., Никель Б.Г. и Вуд Дж.М. (1993). Механические свойства везикул. II. Модель осмотического набухания и лизиса. Биофиз. J. 64, 435–442. doi: 10.1016/S0006-3495(93)81384-5

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Хэнкок, Дж. Ф., Маги, А. И., Чайлдс, Дж. Э., и Маршалл, С. Дж. (1989). Все белки ras полиизопренилированы, но пальмитоилированы лишь некоторые из них. Сотовый 57, 1167–1177. дои: 10.1016/0092-8674(89)

-8

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Голова, Б.П., Патель, Х. Х., и Инсел, П. А. (2014). Взаимодействие мембранных/липидных рафтов с цитоскелетом: влияние на сигнализацию и функцию: мембранные/липидные рафты, медиаторы устройства цитоскелета и клеточной сигнализации. Биохим. Биофиз. Acta 1838, 532–545. doi: 10.1016/j.bbamem.2013.07.018

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Хелфрич, В. (1973). Упругие свойства липидных бислоев: теория и возможные эксперименты. З. Нац. Тейл С Биохим.Биофиз. биол. Вирол. 28, 693–703. doi: 10.1515/znc-1973-11-1209

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Хуанг, К., и Томпсон, Т.Е. (1965). Свойства липидных бислойных мембран, разделяющих две водные фазы: определение толщины мембраны. Дж. Мол. биол. 13, 183–193. doi: 10.1016/S0022-2836(65)80088-2

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Хубер, Ф., Шнаус, Дж., Ренике, С., Раух, П., Мюллер, К., Fütterer, C., et al. (2013). Эмерджентная сложность цитоскелета: от одиночных филаментов до ткани. Доп. физ. 62, 1–112. дои: 10.1080/00018732.2013.771509

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Hundt, N., Preller, M., Swolski, O., Ang, A.M., Mannherz, H.G., Manstein, D.J., et al. (2014). Молекулярные механизмы связанных с заболеванием мутаций β-актина человека p.R183w и p.E364k. FEBS J. 281, 5279–5291. doi: 10.1111/февраль 13068

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Джеймс, Д.Дж., Ходтонг, К., Ковальчик, Дж. А., и Мартин, Т. Ф. Дж. (2010). Фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфат регулирует функцию SNARE при слиянии мембран, опосредованном CAPS. Доп. Фермент Регул. 50, 62–70. doi: 10.1016/j.advenzreg.2009.10.012

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Камм, Р., и Гродзинский, А. (2015). Молекулярная, клеточная и тканевая биомеханика. Кембридж, Массачусетс: Массачусетский технологический институт.

Академия Google

Каплан, Дж.M., Kim, S.H., North, K.N., Rennke, H., Correia, L.A., Tong, H.Q., et al. (2000). Мутации в ACTN4, кодирующем альфа-актинин-4, вызывают семейный фокально-сегментарный гломерулосклероз. Нац. Жене. 24, 251–256. дои: 10.1038/73456

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Картен, Б., Вэнс, Д. Э., Кампенот, Р. Б., и Вэнс, Дж. Э. (2002). Холестерин накапливается в телах клеток, но снижается в дистальных аксонах С1-дефицитных нейронов Ниманна-Пика. Дж. Нейрохим. 83, 1154–1163. doi: 10.1046/j.1471-4159.2002.01220.x

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Касас С., Ван Х., Хирлинг Х., Марсо Р., Хуни Б., Йерсин А. и др. (2005). Поверхностные и глубокие изменения механических свойств клеток после разборки цитоскелета. Сотовый Motil. Цитоскелет 62, 124–132. doi: 10. 1002/см.20086

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Колодзей, Ю.А. (1988). Влияние пористости пористой среды на эффективную вязкость в уравнении фильтрации Бринкмана. Акта Мех. 75, 241–254. дои: 10.1007/BF01174638

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Конинг Р.И., Зовко С., Барсена М., Оостергетель Г.Т., Кортен Х.К., Гальярт Н. и др. (2008). Криоэлектронная томография витрифицированных фибробластов: плюс концы микротрубочек in situ. Дж. Структура. биол. 161, 459–468. doi: 10.1016/j.jsb.2007.08.011

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Лагановски, А., Рединг, Э., Эллисон, Т.М., Ульмшнайдер, М.Б., Дегиакоми, М.Т., Болдуин, А.Дж., и соавт. (2014). Мембранные белки избирательно связывают липиды, модулируя их структуру и функцию. Природа 510, 172–175. doi: 10.1038/nature13419

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Ларсон, Р. Э., и Хигдон, Дж. Дж. Л. (1986). Микроскопическое течение вблизи поверхности двумерной пористой среды.Часть 1. Осевое течение. J. Жидкостный мех. 166, 449–472. дои: 10.1017/S0022112086000228

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Ларсон, Р. Э., и Хигдон, Дж. Дж. Л. (1987). Микроскопическое течение вблизи поверхности двумерной пористой среды. Часть 2. Поперечное течение. J. Жидкостный мех. 178, 119–136. дои: 10.1017/S0022112087001149

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Ле Ру, А.-Л., Кирога, X., Валани, Н., Арройо, М., и Рока-Кьюсакс, П.(2019). Плазматическая мембрана как механохимический преобразователь. Филос. Транс. Р. Соц. Лонд. сер. Б биол. науч. 374:20180221. doi: 10.1098/rstb.2018.0221

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Лу, Х., Фагнант, П. М., Букуолтер, К. С., Джоэл, П., и Трибус, К. М. (2015). Мутация R258C в ACTA2, вызывающая сосудистые заболевания, нарушает динамику актина и взаимодействие с миозином. Проц. Натл. акад. науч. США 112, E4168–E4177. doi: 10.1073/pnas.1507587112

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Мейерс, Массачусетс, и Чавла, К.К. (2010). Механическое поведение материалов , 2-е изд. Кембридж, Массачусетс: Издательство Кембриджского университета.

Академия Google

Мофрад, М.Р.К., и Камм, Р.Д. (2006). Цитоскелетная механика: модели и измерения в клеточной механике. Кембриджские тексты по биомедицинской инженерии. Кембридж, Массачусетс: Издательство Кембриджского университета.

Академия Google

Маллинз, Р.Д., Хойзер, Дж. А., и Поллард, Т. Д. (1998). Взаимодействие комплекса Arp2/3 с актином: зародышеобразование, высокоаффинное кэпирование заостренных концов и образование разветвленных сетей филаментов. Проц. Натл. акад. науч. США 95, 6181–6186. doi: 10.1073/pnas.95.11.6181

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Нагие С. , Саркер М., Карамуз-Равари М., Макиннес А. и Чен Х. (2018). Моделирование механического поведения трехмерных биографических каркасов с учетом проникновения в переплетенные нити. Заяв. науч. 8:1422. дои: 10.3390/приложение80

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Нернст, WH (1889 г.). Электромоторная эффективность ионов. Докторская диссертация, Тюбингенский университет, Тюбинген.

Академия Google

Николсон, Г.Л. (2014). Жидкостно-мозаичная модель мембранной структуры: все еще актуальна для понимания структуры, функции и динамики биологических мембран спустя более 40 лет. Биохим.Биофиз. Acta 1838, 1451–1466. doi: 10.1016/j.bbamem.2013.10.019

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Ольбрих, К., Равич, В., Нидхэм, Д., и Эванс, Э. (2000). Водопроницаемость и механическая прочность полиненасыщенных липидных бислоев. Биофиз. J. 79, 321–327. doi: 10.1016/S0006-3495(00)76294-1

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Олиференко С. , Пайха К., Хардер Т., Герке В., Шварцлер С., Шварц Х., и другие. (1999). Анализ липидных рафтов, содержащих Cd44: рекрутирование аннексина II и стабилизация актиновым цитоскелетом. J. Cell Biol. 146, 843–854.

Академия Google

Пескин, К.С., Оделл, Г.М., и Остер, Г.Ф. (1993). Клеточные движения и тепловые флуктуации: броуновский храповик. Биофиз. J. 65, 316–324. doi: 10.1016/S0006-3495(93)81035-X

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Питер, Б. Дж., Кент, Х. М., Миллс, И.Г., Валлис, Ю., Батлер, П.Дж.Г., Эванс, П.Р., и соавт. (2004). Домены Bar как сенсоры кривизны мембраны: структура BAR амфифизина. Наука 303, 495–499. doi: 10.1126/наука.1092586

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Procaccio, V., Salazar, G., Ono, S., Styers, M.L., Gearing, M., Davila, A., et al. (2006). Мутация бета-актина, которая изменяет динамику деполимеризации, связана с аутосомно-доминантными пороками развития, глухотой и дистонией. утра. Дж. Хам. Жене. 78, 947–960. дои: 10.1086/504271

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Пукадил, Т.Дж., и Чаттопадхьяй, А. (2006). Роль холестерина в функции и организации рецепторов, связанных с G-белком. Прог. Липид Рез. 45, 295–333. doi: 10.1016/j.plipres.2006.02.002

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Равич В., Ольбрих К. С., Макинтош Т., Нидхэм Д. и Эванс Э.(2000). Влияние длины цепи и ненасыщенности на эластичность липидных бислоев. Биофиз. J. 79, 328–339.

Академия Google

Schroer, C.F.E., Baldauf, L., van Buren, L., Wassenaar, T.A., Melo, M.N., Koenderink, G.H., et al. (2020). Заряд-зависимые взаимодействия мономерного и филаментозного актина с липидными бислоями. Проц. Натл. акад. науч. США 117, 5861–5872. doi: 10.1073/pnas.1914884117

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Сечи, А. С. и Вехланд Дж. (2000). Связь актинового цитоскелета и плазматической мембраны: ptdins(4,5)P(2) влияет на активность белков цитоскелета на плазматической мембране. J. Cell Sci. 113 (часть 21), 3685–3695.

Академия Google

Зайдель, А., Лепенис, И., Энглер, Т., Шериф, К., и Застрау, Б.В. (2009). Особенности ползучести текстильной арматуры для композиционных материалов. Открытый материал. науч. Дж. 3, 67–79. дои: 10.2174/1874088X00

0067

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Зайферт, Р.и Венцель-Зайферт, К. (2002). Конститутивная активность рецепторов, связанных с G-белком: причина заболевания и общее свойство рецепторов дикого типа. Арка Наунина Шмидеберга. Фармакол. 366, 381–416. doi: 10.1007/s00210-002-0588-0

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Сенс, П., и Пластино, Дж. (2015). Натяжение мембран и организация цитоскелета при подвижности клеток. J. Phys. 27:273103. дои: 10.1088/0953-8984/27/27/273103

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Ши, З., Грабер З.Т., Баумгарт Т., Стоун Х.А. и Коэн А.Е. (2018). Клеточные мембраны сопротивляются потоку. Сотовый 175, 1769.e13–1779.e13. doi: 10.1016/j.cell.2018.09.054

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Сингх А., Саха Т., Бегеманн И., Рикер А., Нюссе Х., Торн-Сешольд О. и другие. (2018). Динамика поляризованных микротрубочек направляет клеточную механику и координирует силы во время эпителиального морфогенеза. Нац. Клеточная биол. 20, 1126–1133.doi: 10.1038/s41556-018-0193-1

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Стюарт, М.П., ​​Хелениус, Дж., Тойода, Ю., Раманатан, С.П., Мюллер, Д.Дж., и Хайман, А.А. (2011). Гидростатическое давление и актомиозиновая кора вызывают округление митотических клеток. Природа 469, 226–230. doi: 10. 1038/nature09642

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Sugimoto, Y., Whitman, M., Cantley, L.C., and Erikson, R.L. (1984).Доказательства того, что продукт гена, трансформирующего вирус саркомы Рауса, фосфорилирует фосфатидилинозитол и диацилглицерин. Проц. Натл. акад. науч. США 81, 2117–2121. doi: 10.1073/pnas.81.7.2117

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Сунь Ф., Шроер С.Ф.Е., Сюй Л., Инь Х., Марринк С.Дж. и Луо С.-З. (2018). Молекулярная динамика ассоциации L-селектина и FERM регулируется PIP2. Биофиз. Дж. 114, 1858–1868. дои: 10.1016/j.bpj.2018.02.034

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Васанджи, А., Гош, П.К., Грэм, Л.М., Эппелл, С.Дж., и Фокс, П.Л. (2004). Поляризация микровязкости плазматической мембраны при миграции эндотелиальных клеток. Дев. Ячейка 6, 29–41. doi: 10.1016/s1534-5807(03)00397-6

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Венкатакришнан, А. Дж., Деупи, X., Лебон, Г., Тейт, К. Г., Шертлер, Г. Ф., и Бабу, М. М. (2013).Молекулярные сигнатуры рецепторов, связанных с G-белком. Природа 494, 185–194. doi: 10.1038/nature11896

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Ван, В., Ян, Л., и Хуанг, Х.В. (2007). Доказательства накопления холестерина в областях с высокой кривизной: влияние на упругую энергию кривизны смесей липидов. Биофиз. Дж. 92, 2819–2830. doi: 10.1529/biophysj.106.097923

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Уорд, Н.-А., Херст С., Уильямс Дж. и Финдли Дж. Б. К. (2012). Фармакологические шапероны увеличивают экспрессию на клеточной поверхности внутриклеточно сохраненных мутантов рецептора меланокортина 4 с уникальными профилями спасительной эффективности. Биохим. соц. Транс. 40, 717–720. дои: 10.1042/BST20110764

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Во Р. и Эванс Э. А. (1979). Термоэластичность мембран эритроцитов. Биофиз. J. 26, 115–131.doi: 10.1016/S0006-3495(79)85239-X

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Весткампер, Э., и Варнеке, Х.-Й. (2011). Einführung in die Fertigungstechnik (8., actualis. u. erw. Aufl., korr. Nachdr). Чам: Vieweg + Teubner.

Академия Google

Уоллман, Р., и Мейер, Т. (2012). Координированные колебания коркового актина и Ca2+ коррелируют с циклами везикулярной секреции. Нац. Клеточная биол. 14, 1261–1269. дои: 10.1038/ncb2614

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Закани, Ф., Ковач Т., Паньи Г. и Варга З. (2020). Прямое и косвенное влияние холестерина на мембранные белки с особым акцентом на калиевые каналы. Биохим. Биофиз. Акта Мол. Клеточная биол. Липиды 1865:158706. doi: 10.1016/j.bbalip.2020.158706

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Клеточная мембрана – обзор

II Бимолекулярная липидная мембрана

Термин плазматическая мембрана происходит от немецкого слова Plasmamembran, слова, введенного Карлом Вильгельмом Негели (1817–1891) для описания твердой пленки, которая образуется, когда белковый сок поврежденной клетки контактирует с водой. Физиолог Л.В. Хайльбрунн называл это и подобные явления «реакцией осаждения на поверхности», как описано в его книге «Динамика живой протоплазмы» (1956). «Протоплазма» был старым термином для вещества внутри клеток и широко использовался до того, как методы электронной микроскопии и дифференциального центрифугирования помогли выяснить подробные структуры и специфические функции отдельных клеточных органелл. Участие того, что мы знаем сегодня как клеточная мембрана, и биохимия образования поверхностной пленки в ответ на повреждение клетки впоследствии не были объяснены.Таким образом, первоначальное использование термина «плазматическая мембрана» имеет неясное отношение к его нынешнему значению.

Значительная часть знаний о структуре и функциях мембран получена из исследований эритроцитов, как показано на микрофотографии, полученной с помощью сканирующего электронного микроскопа, на рис. 3.1. Эритроциты высоко дифференцированы и специализируются на транспорте кислорода и углекислого газа в крови. Они состоят в основном из плазматической мембраны, окружающей концентрированный раствор гемоглобина, и лишены ядра, митохондрий, эндоплазматического ретикулума, рибосом, аппарата Гольджи и лизосом.Более 100 лет назад обширные исследования осмотического давления и проницаемости эритроцитов, проведенные Гамбургером, растительных клеток, проведенные де Фрисом, и многих живых клеток, проведенные Овертоном, показали, что клетки окружает липоидная мембрана. Жирорастворимые вещества, которые являются липофильными и легко растворяются в липидах, легко проникают в клетки, тогда как водорастворимые вещества проникают в клетки медленнее, если вообще проникают. Овертон обнаружил корреляцию между коэффициентом распределения нефти и воды и проницаемостью мембраны; тем не менее, ни в одном из этих ранних исследований мембрана не постулировалась как отдельная структурная единица для объяснения результатов (см. Jacobs, 1962).

РИСУНОК 3.1. Сканирующая электронная микрофотография эритроцитов человека. Двояковогнутые дискоидные клетки имеют диаметр 8 мкм, толщину 2,4 мкм по краю и толщину 1,0 мкм в центре.

(Из Bessis, M. 1974. Corpuscles. Atlas of Red Blood Cell Shapes. Springer-Verlag, New York, Fig. 1, с разрешения.)

В 1925 году Гортер и Грендель использовали ацетон для экстракции липидов из известного эритроцитов и после выпаривания растворителя измеряли площадь, которую экстрагированные липиды занимали в виде мономолекулярной пленки на границе раздела воздух-вода, используя желоб Ленгмюра.По площади пленки экстрагированных липидов и по площади поверхности эритроцитов, оцененной с помощью световой микроскопии, они пришли к выводу, что: «Ясно, что все наши результаты хорошо согласуются с предположением, что хромоциты покрыты слоем жирных веществ толщиной в две молекулы» (Гортер и Грендель, 1925, стр. 443). Однако примерно 40 лет спустя было указано, что площадь поверхности эритроцитов фактически на 50% больше; кроме того, экстракция ацетоном оставила около 30% липидов в тени. К счастью, эти две ошибки имели тенденцию компенсировать друг друга (Bar et al., 1966), показывая, что в редких случаях в науке вы можете быть правы по неправильным причинам. Бимолекулярный липидный листок толщиной 75–100 Å, впервые предложенный Гортером и Гренделем в качестве модели клеточной мембраны (рис. 3.2), до сих пор составляет основу современных представлений о структуре клеточных мембран. Суть этой модели заключается в том, что мембранные фосфолипиды располагаются параллельными листами, образующими два полулистка, полярные головные группы которых обращены к водным внутриклеточным и внеклеточным растворам, а их неполярные цепи жирных кислот взаимодействуют латерально внутри гидрофобного ядра мембраны.

РИСУНОК 3.2. Модель бимолекулярной фосфолипидной мембраны, предложенная Гортером и Гренделем (1925).

Для чистых липидов ожидаемое поверхностное натяжение , измеренное в желобе Ленгмюра, составляет около 9 дин/см, но поверхностное натяжение морских яиц и других типов клеток примерно в 50–100 раз меньше при всего 0,1– 0,2 дин/см. Поверхностное натяжение можно представить как силу, необходимую для закрытия щели на поверхности мембраны. Даниэлли и Харви обнаружили, что яичный белок может снизить поверхностное натяжение границы раздела масло-вода примерно до 0.6 дин/см, что привело Давсона и Даниэлли (1943) к предположению о наличии двух белковых пленок, связанных с полярными головными группами, на каждой стороне бимолекулярного липидного листка, модели, которая стала известна как маломолекулярная мембрана Дэвсона-Даниелли . (рис. 3.3). Предположительно, белок функционировал для укрепления и стабилизации тонкой липидной пленки. Паусимолекулярный означает, что эта модель включала всего несколько молекул: бимолекулярный липидный листок с прикрепленными белковыми пленками на внутренней и внешней поверхностях.

РИСУНОК 3.3. Маломолекулярная модель строения мембран.

(Из Danielli, JF and Davson, HA (1935). Вклад в теорию проницаемости тонких пленок. J Cell Comp Physiol. 5, 495–508, стр. 498, перепечатано с разрешения Wiley-Liss, Inc. , дочерняя компания John Wiley and Sons, Inc.)

С помощью электрофизиологических методов было измерено электрическое сопротивление клеточных мембран, которое оказалось очень высоким, что также согласуется с предположением об изолирующей липидной мембране, окружающей клетки.В других исследованиях мембран было определено их двойное лучепреломление . Двулучепреломление — это оптическое свойство некоторых ориентированных материалов, которое можно определить, поместив образец между двумя скрещенными поляроидами на предметном столике микроскопа. Пленка Polaroid пропускает только свет, электрический вектор которого параллелен оси пленки Polaroid; две полароидные пленки, скрещенные под прямым углом и поднесенные к свету, кажутся черными. Но если между скрещенными поляроидами поместить кристалл или какое-либо другое вещество, в котором сами молекулы ориентированы, проходящий свет будет поляризован по кругу, и образец будет выглядеть ослепительно ярким.Образец, который кажется ярким, если его поместить между скрещенными поляроидами, называется двулучепреломляющим. Внутреннее двойное лучепреломление обусловлено ориентированной природой отдельных молекул, таких как нитевидные белки, тогда как двойное лучепреломление формы обусловлено ориентированным расположением молекул в виде массива, например, при параллельной упаковке актиновых и миозиновых нитей в мышцах. саркомеры. Когда мембраны эритроцитов рассматривались с помощью поляризационного микроскопа, липиды вносили свой вклад в двойное лучепреломление, как и лежащий в основе цитоскелет, что согласуется с маломолекулярной моделью структуры мембраны.

Электронные микрофотографии с высоким разрешением мембраны единиц также подтверждают маломолекулярную модель Дэвсона-Даниэлли. Термин единиц мембраны относится к вездесущей трехслойной структуре толщиной 75–100 Å, видимой на электронных микрофотографиях тонких срезов клеток и органелл. Изображение выглядит как две темные линии толщиной около 25–30 Å каждая, между которыми находится более светлая зона, и особенно хорошо разрешается в образцах, зафиксированных перманганатом калия. Электронная микрофотография тонкого среза плазматической мембраны эритроцитов человека показана на рис.3.4. Практически такая же трехслойная структура наблюдалась не только на поверхности эритроцитов, но и в мышечных, нервных, эпителиальных, растительных, бактериальных клетках и почти во всех исследованных мембранных клеточных органеллах. В ситуациях, когда две клетки плотно прилегали друг к другу, две трехслойные структуры составляли двойную мембрану . В миелиновой оболочке, окружающей нервные клетки, был виден ряд трехслойных структур в виде спирали, что соответствует оболочке нервных аксонов мембраной шванновских клеток, как показано на рис.3,5А. Поскольку подробные химические реакции перманганата калия с тканью не совсем понятны, оставалась некоторая неопределенность в отношении основы изображения, наблюдаемого на шлифах. Однако повсеместное распространение единичной мембраны было воспринято как убедительное доказательство в поддержку маломолекулярной модели Дэвсона-Даниэлли. Дальнейшие исследования мультиламеллярной миелиновой оболочки нервных аксонов с помощью рентгеновской дифракции центрифугированных неокрашенных и неокрашенных мембран дали профили электронной плотности, которые также согласовывались с маломолекулярной моделью Дэвсона-Даниелли (Worthington and McIntosh, 1973).Как видно на рис. 3.5В, электронная плотность низкая в гидрофобном ядре мембраны и высокая в полярных областях фосфатных групп. Более того, толщина мембраны, определенная по этим рассчитанным профилям электронной плотности неокрашенной миелиновой оболочки, количественно согласуется с толщиной единичной мембраны в тонких срезах, зафиксированных перманганатом калия, — наблюдение, являющееся убедительным доказательством в поддержку предположения о бимолекулярном фосфолипиде. листочек как основу структуры клеточных мембран.Таким образом, доказательства в пользу маломолекулярной мембранной модели состояли из исследований проницаемости, электрического сопротивления и микроскопических наблюдений двойного лучепреломления с помощью светового микроскопа, а также изображений окрашенных и неокрашенных клеток с высоким разрешением с помощью электронного микроскопа. Эти убедительные аргументы были суммированы в классической монографии под названием «Проницаемость природных мембран» , написанной Дэвсоном и Даниэлли (1943), книге, которая оказала большое влияние на последующее развитие клеточной и мембранной физиологии.

РИСУНОК 3.4. Электронная микрофотография тонкого среза единичной мембраны эритроцита.

(Микрофотография Дж. Д. Робертсона из Dyson, RD (1974). Cell Biology. A Molecular Approach. Allyn and Bacon, Boston, с разрешения.)

РИСУНОК 3.5. (A) Миелиновая оболочка аксона спинного мозга (любезно предоставлено доктором Седриком Рейном). (B) Профиль электронной плотности седалищного нерва лягушки.

(Worthington, C.R. and McIntosh, T.J. (1973). Прямое определение профиля электронной плотности нервного миелина.Природа-новая биология. 245, 97–99, с. 99. Перепечатано с разрешения Nature Copyright 1973 Macmillan Magazines Ltd.)

Произошла ошибка установки файла cookie пользователя

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка браузера на прием файлов cookie

Существует множество причин, по которым файл cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее распространенные причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie.Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы принять файлы cookie, или спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файл cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Попробуйте другой браузер, если вы подозреваете это.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie.Чтобы это исправить, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Предоставить доступ без файлов cookie потребует от сайта создания нового сеанса для каждой посещаемой вами страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в файле cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, если вы не решите ввести его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступ к остальной части вашего компьютера, и только сайт, создавший файл cookie, может его прочитать.

клеточных мембран: двухслойный взгляд с двух сторон | БиоНаука

A После генетического материала мембраны, возможно, являются наиболее важными структурами в жизни, участвующими в бесчисленных жизненно важных функциях, многие из которых часто являются донкихотскими в своей оппозиции. Мембраны должны отделять клетку снаружи, но они должны быть достаточно проницаемы для выбранных предметов. Они сохраняют различную ферментативную активность в отдельных компартментах, но они также могут связывать метаболические пути, играя роль в процессах, которые водные компартменты никогда не могли бы осуществить поодиночке.Они могут различаться по форме и составу, но они должны быть текучими и гибкими, чтобы их молекулы могли течь вдоль самих мембран и между ними. Градиенты, как материальные, так и электрические, через мембраны должны поддерживаться, но эти электрохимические градиенты также часто используются клетками для преобразования информации, полученной при приеме сигналов. Изучение этих и других важных функций мембран в сочетании с трудностями, присущими их изоляции в функциональном состоянии, ставило перед многими биологами задачу и будет продолжать делать это в будущем.

В книге Cell Membranes Лукас Бюлер (профессор биологии Юго-Западного колледжа в Калифорнии) представляет эти вопросы таким образом, который может удовлетворить тех, кто работает в этой области, а также заинтересовать студентов и аспирантов, которые только начинают изучать эту область. область исследования. Его подход интересен, он дает нам два разных взгляда на мембраны. Первая часть этого текста в значительной степени представляет собой взгляд снизу вверх, охватывающий компоненты мембраны и обрисовывающий в общих чертах особенности, которые можно приписать каждому из них посредством изучения искусственных липидных бислоев. Вторая часть представляет собой взгляд сверху вниз, в котором рассматриваются отдельные темы клеточной биологии и часто отмечается, что мембрана играет решающую роль в каждом случае.

Первая половина Cell Membranes была для меня более сильной и увлекательной частью. Чтобы упомянуть некоторые из многих интересных областей, существует очень хорошая система, представленная для различения различных мембранных белков на основе того, как они расположены относительно бислоя липидов. Представлена ​​история изучения мембран, а также некоторые информативные описания прошлых моделей.Существует обзор многих основных типов мембранных липидов, хотя, к сожалению, хлорофилл каким-то образом не был охвачен. Однако приведенные примеры включают липиды из всех трех областей жизни, и студенты могут найти этот материал полезным; разнообразие липидов иногда может быть подавляющим. Особенно хорошо сделаны описания того, как мембранные белки расположены в бислое, включая внимание к трансмембранным областям и использование графиков гидрофобности. Есть также интересное описание поверхностных потенциалов, малоизвестного аспекта мембран, который часто недооценивают и который я был особенно рад увидеть раскрытым.Описания использования различных искусственных систем, включая липидные бислои, для изучения свойств мембран хорошо иллюстрируют, как много можно исследовать с этой редукционистской точки зрения. Охватываются многие другие темы, часто на концептуальном уровне, подходящем для студентов.

Вторая часть Клеточные мембраны охватывает функциональные аспекты мембран. Здесь охват, хотя и широкий, кажется, упускает из виду некоторые интересные аспекты. Например, мне хотелось бы увидеть некоторые соображения о том, как клетки восстанавливают раны в своих мембранах (Того, 2012) или о том, как белки расположены таким образом, чтобы определенные участки мембран выполняли различные функции, например, в первичных ресничках, обнаруженных во многих клетках животных. (Ху и др.2010). Эти и многие другие возможные примеры не рассматриваются, но то, что представлено, дает рабочий обзор роли мембран в контексте многих параметров клеточной биологии.

Некоторые аспекты этого текста нуждаются в улучшении. Я упомяну только два: в описании распространения потенциалов действия Бюлер предполагает, что именно диффузия ионов вдоль клетки объясняет, как мембранный потенциал передается в новые места; это неправильный механизм.Гипотеза о том, что какой-то физический объект должен перемещаться по длине клетки, была в значительной степени опровергнута работой Ходжкина (1937), который пришел к выводу, что электрическое поле, создаваемое в одном месте, влияет на другие участки клетки. Следовательно, распространение потенциала действия происходит быстро, потому что электрические поля могут действовать быстрее и дальше, чем простая диффузия ионов. Другой темой, которая показалась мне странной, было неоднократное заявление Бюлера о том, что в гидрофобном ядре мембраны нет воды.Остается неясным, как вода может пересекать такие мембраны, как это происходит (Mathai et al. 2008), если в мембране ее вообще нет. Бюлер довольно точно указывает, что в липидной фазе мембраны происходят метаболические реакции, использующие воду в качестве субстрата. Затем он описывает специальные структуры, которые могут облегчить доступ воды к этим активным центрам глубоко в этой липидной фазе. Но если в мембране присутствует вода, то разве такие структуры менее существенны? Некоторые предполагают, что вода действительно разделяется на липидную фазу и может существовать там в миллимолярных концентрациях (Deamer et al.1986 г., Мийо, 2004 г., Нэгл и др. 2008). Это означает, что одной из необходимых модификаций жидкостно-мозаичной модели мембран Зингера-Николсона является включение воды в мембрану. Презентация Бюлера в значительной степени упускает из виду эту особенность мембран.

Несмотря на недостатки в некоторых областях, Cell Membranes в значительной степени достигает своей цели и знакомит студентов со многими аспектами мембран способом, подходящим для студентов. Есть много других текстов с более широким охватом (Murphy et al.2011, Disalvo 2015), но для понимания этого материала такие тексты, как текст Бюлера, могут стать полезной отправной точкой.

Приведенные ссылки

1986

Проницаемость липидных бислоев для воды и ионных растворов

Химия и физика липидов

40

167

188

2015

Гидратация мембран. Роль воды в структуре и функции биологических мембран. Субклеточная биохимия

71

Спрингер

1937

Доказательства передачи электричества по нервам: Часть I

Журнал физиологии

90

183

210

2010

Септиновый диффузионный барьер в основании первичной реснички поддерживает распределение белков мембраны реснички

Наука

329

436

439

2008

Структурные детерминанты водопроницаемости через липидную мембрану

Журнал общей физиологии

131

69

76

2004

Новое понимание мембранных взаимодействий воды и фосфолипидов

Биохимика и биофизика Acta

1663

19

51

2011

Плазменная мембрана завода

Спрингер

2008

Теория пассивной проницаемости через липидные бислои

Журнал общей физиологии

131

77

85

2012

Разрушение клеточной мембраны стимулирует передачу сигналов NO/PKG и усиливает восстановление клеточной мембраны в соседних клетках, PLOS ONE 7

© Автор(ы) 2016. Опубликовано Oxford University Press от имени Американского института биологических наук. Все права защищены. Для разрешений, пожалуйста, по электронной почте: [email protected]

Электрические свойства клеточных мембран

Фундаментальной единицей всей биологической жизни является клетка, масса биомолекулы в водном растворе, окруженные клеточной мембраной . Одна из характерных особенностью живой клетки является то, что она контролирует обмен электрически заряженные ионы через клеточную мембрану и, следовательно, электрический потенциал его внутренней части относительно внешней.Этот Страница Scholarpedia представляет собой базовое введение в механизмы лежащий в основе этого процесса. Хотя большая часть материала относится ко всем биологическим клетки, мы сосредоточимся на тех механизмах, которые особенно значение для нейронов.

Клетки и клеточные мембраны

Все ячейки окружены ячейкой мембрана. Мы пренебрежем всеми сложностями метаболического и структурный аппарат находится внутри клетки и просто рассматривать его как мешочек, образованный клеточной мембраной и наполненный с солевым раствором (т. д., вода с растворенными в ней ионами Это). Аналогично будем считать, что внешняя сторона клетки представляет собой ванну. солевого раствора. Это приближение радикально, но не лишено смысла, особенно потому, что нас здесь интересуют только основы обработки электрической информации внутри нейрона и между нейронами.

Решающий элемент (то есть только тот, который мы не абстрагировали прочь!) является, таким образом, клеточной мембраной. В простейшем виде это фосфолипидный бислой, т.е.слой, состоящий только из двух фосфолипидов молекулы толстые. Каждая из этих молекул имеет два конца (один фосфатная группа, другая углеводородная цепь, то есть липид) и эти два конца имеют очень разные свойства. Фосфатный конец гидрофильный (любит водную среду и окружены молекулами воды). Напротив, липидный конец гидрофобный (он ненавидит быть рядом с водой; помните, что масло углеводород!). Любовь и ненависть к молекулам означает, что они будут достичь более низкой энергии, если они достигнут любимого состояния и способны чтобы избежать ненавистных государств. Каждая молекула пытается проникнуть в минимально возможное энергетическое состояние.

Каким образом молекула фосфолипида может быть погружена в воду одной из своих концах и при этом не оказаться в воде на другом его конце? То ответ, как это часто бывает, командная работа! Если достаточно молекул фосфолипидов собираются вместе, они могут связать свои маслянистые (углеводородные) концы вместе, образуя двухслойный лист с углеводородными концами в центр, и, в то же время, купать их фосфатные концы в воде на снаружи листа.Это не работает на границах лист, так что лучше всего не иметь концов, т. е. закрыть лист на себя, образуя замкнутую сферу. В результате получается определенный объем вода (или физиологический раствор), заключенная в двойной слой молекул фосфолипида и — Вуаля! — ячейка ! На самом деле таких искусственных клеток можно сделан из составляющих его молекул фосфолипида (для справки см. Скотт 1975).

Проводимость

Из упомянутой работы по искусственным мембранам мы знаем, что чистый фосфолипидные бислои являются неплохими изоляторами (это не удивительно: бесплатных нет ионов в мембране, поэтому нет носителей для переноса зарядов). {-2}\) (Голдап и др., 1970).

Проводимость биологических мембран намного выше, обычно на несколько порядков даже в покое (т.е. без синаптические влияния и др.). Причина в том, что существуют всевозможные ионные каналы и другие поры проникающие мембрану и позволяя протекать дополнительным токам. Это эти токи, которые заставляют клетки вести себя сложным и интересным образом. Мы ниже мы обсудим некоторые из них.

Емкость

Согласно нашему упрощению, внутри и снаружи клетки представляют собой растворы различных солей в воде.В отличие от клеточной мембраны соленая вода является хорошим проводником, так как в ней есть свободные ионы, способные переносить электрические заряды. Итак, у нас есть два проводника (внутренний и внешний клетка), разделенные изолятором (мембраной). Это делает это возможно иметь различное количество электрических зарядов внутри и вне клетки. Если мы можем отделить заряд \(Q\), применяя электрический потенциал \(V\) через мембрану, мембрана имеет по определению емкость \(C=Q/V\ . {-2} \]

, где F — единица измерения емкости («Фарад»).

Удельная емкость биологических мембран очень близка к что получается просто от диэлектрической проницаемости липидов и толщины двухслойный (простой вывод см. Hobbie, 1997) и, в отличие от проводимости, емкость очень мала под влиянием всех сложностей биологии.

Электрические потенциалы через мембрану

Нас интересует в основном функция нейронов, которые относятся к классу клетки, которые используют электрические сигналы для обработки информации.Как может клетки генерируют такие сигналы? Первое, что нам нужно, это какой-то способ генерирования различных напряжений. в разных частях системы, в частности, внутри и снаружи каждая ячейка. Как и все клетки, нейроны генерируют это различие путем разделения различных видов ионов. В частности, в клеточной мембране каждого нейрона находится ионных насосов , представляющих собой белковые молекулы, пронизывающие мембрану и использующие метаболическую энергию для транспортировки одних ионов внутрь клетки, а других — наружу. +\), который перемещает два иона калия в клетку и, одновременно, три иона натрия ионы из клетки.После того как этот насос поработает некоторое время, концентрация калия внутри клетки становится больше, чем снаружи, и концентрация натрия становится больше снаружи, чем внутри. Работа насоса требует энергии, которая предоставляется насосу в обычной энергетической валюте клетки, т.е. Процесс ATP\(\rightarrow\)ADP.

Как это генерирует электрический потенциал? Допустим, мы находимся в термодинамическое равновесие, что в данном контексте означает, что чистая поток ионов исчезает.(Конечно, это динамический равновесие, означающее, что ионы пересекают мембрану в обоих направлениях, но в среднем число ионов, протекающих в ячейке, равно столько же, сколько ионов, вытекающих из клетки. Следовательно чистый поток, т. е. разность между числами ионов в каждом направлении, равно нулю, но сами числа равны нет). Тогда вероятность \(P_{in}\) найти конкретный ион внутри клетки по сравнению с вероятностью \(P_{out}\) его нахождения снаружи, зависит от энергии ион имеет внутри (\(E_{in}\)) против. снаружи (\(E_{out}\)). Из статистической механики известно, что связь между этими вероятностями задается распределением Больцмана:

\[\тег{2} \frac{P_{in}}{P_{out}}= \ frac {\ exp (- \ frac {E_ {in}} {kT})} {\ exp (- \ frac {E_ {out}} {kT})} \]

где \(k\) — постоянная, называемая фактором Больцмана. а \(Т\) — температура (в Кельвинах). Энергия иона, безусловно, очень сложная величина, со всеми взаимодействия и биохимические сложности, происходящие в живом система.К счастью, детали для наших целей не важны: Мы можем переписать уравнение (2) в виде

\[\тег{3} \frac{P_{in}}{P_{out}}= \exp\{-\frac{E_{in}-E_{out}}{kT}\} \]


и мы видим, что только разность отсчетов энергий. Биохимическая среда не очень отличается внутри клетки от вне клетки. Следовательно Химическая энергия ионов внутри и вне клетки примерно равна то же самое, и единственная реальная разница между энергиями ионов внутри и снаружи их электрическая энергия.Это вычислено непосредственно как \(zeV\ ,\), где \(z\) — валентность ион, \(e\) заряд электрической единицы (заряд одной электрон) и \(V\) электрический потенциал. Поэтому все другие энергетические термины сокращаются, и мы остаемся с

\[ \frac{P_{in}}{P_{out}}= \exp\{-\frac{ze(V_{in}-V_{out})}{kT}\} \]

Теперь мы можем изменить ситуацию: вместо вычисления вероятностей из напряжений, мы можем получить напряжения из вероятностей: Разность потенциалов внутри и снаружи ячейки получается как

\[\тег{4} \Delta V = V_{in}-V_{out}=\frac{kT}{ze} \ln \frac{P_{out}}{P_{in}} \]


Это соотношение известно как уравнение Нернста.Обычно это выражается через концентрации ионов, но поскольку вероятность нахождения иона в каком-либо месте пропорционально его концентрация в этом месте, составы эквивалентны. это также принято задавать шкалу напряжения так, чтобы \(V_{out}=0\) ( выбор электрической «земли» произволен; обратите внимание, что это условность со временем менялась, и в классических работах Ходжкина и Хаксли, которые цитируются ниже, используется противоположный знак).

Таким образом, мы обнаруживаем, что каждый вид ионов имеет свое собственное напряжение, при котором он в статистическом равновесии. Это напряжение обычно называют «реверсивный потенциал» этого иона, потому что ток, генерируемый эти ионы меняют знак, когда это напряжение прикладывается к мембране.

Мембранный пластырь в равновесии

В этом разделе мы рассмотрим участок клеточной мембраны, который может содержат много ионных каналов, но достаточно малы, чтобы трансмембранное напряжение примерно одинаково везде в пластырь. Электрически один единственный ионный канал эквивалентен сопротивление последовательно с источником напряжения: Сопротивление \(r_{channel}\) — это просто инверсия проводимости пора ионного канала (примем для простоты, что канал проницаема только для одного вида ионов), а напряжение \(V_i\) — реверсивный потенциал ионного вида \(i\), которые могут пройти через канал.{-1}\) является, как только что обсуждалось, суммой проводимости всех каналов, которые позволяют ионам натрия проходить. Согласно закону Ома, ток в этих каналах пропорционален разности электрический потенциал (напряжение) на мембране и коэффициент пропорциональности — это просто проводимость. Имея в виду нашу соглашение о том, что внешнее напряжение равно нулю (земля), ток течет через мембрану, таким образом, \[\тег{5} I_{Na}=\frac{V_{Na}}{R_{Na}}=g_{Na}V_{Na} \]


Что делать, если существует более одного типа ионов, например.грамм. натрий и калий? Затем токи будут течь по обоим типам каналов. пока не установится равновесие, при этом напряжение внутри ячейке где-то между обратными потенциалами этих двух ионов разновидность. Общие названия этого равновесного потенциала: потенциал покоя или потенциал утечки , \(V_L\ .\)

Чтобы вычислить \(V_L\ ,\), мы предполагаем, что система уже в равновесии с внутренней частью клетки при этом потенциале (что пока неизвестно).{-1}\) — проводимость через калиевые каналы.

Теперь мы можем вычислить \(V_L\) исходя из требования, что система находится в равновесии. Если это так, то сохранение заряд требует, чтобы все токи компенсировали друг друга или, другими словами, словами, что сумма всех токов равна нулю (это известно как Текущий закон Кирхгофа), таким образом \(I_{Na}+I_{K}=0\ . \) вместе с уравнения (6) и (7), поэтому имеют \[\тег{8} g_{K} V_{K}-g_{K}V_L + g_{Na}V_{Na} -g_{Na}V_L=0 \]


Единственным неизвестным в этом уравнении является \(V_L\), и мы можем решить чтобы он получил

\[\тег{9} V_L=\frac{g_{Na}V_{Na}+g_{K} V_{K}} {g_{Na}+g_{K}} \]


Конечно, напряжения должны вводиться в это уравнение с их правильные знаки, так как они получаются из ур.(4). В большинстве физиологические условия, \(V_{Na}>0\) и \(V_K<0\ .\)

До сих пор мы сосредоточились только на двух видах ионов, натрии и калии, точно так же, как это сделали Ходжкин и Хаксли, когда разработали свой знаменитый модель аксона гигантского кальмара (Hodgkin et al, 1952; Hodgkin и Хаксли, 1952a-d). Однако легко заметить, что уравнение (9) можно обобщить для более двух видов ионов. Тогда потенциал покоя определяется выражением частное двух сумм по всем видам ионов,

\[ V_L=\frac{ \sum_i g_{i}V_{i}}{\sum_i g_{i}} \] где, конечно, \(V_i\) — реверсивный потенциал ионных разновидностей \(i\) \(g_i\) — его трансмембранная проводимость. Установлено, что для многих нейронов потенциал покоя близок к \(-70мВ\ .\)

Мембранный пластырь: временная динамика

Теперь мы готовы выйти за пределы состояния равновесия и рассмотреть поведение клетки при изменении ее трансмембранного напряжения с течением времени. Чтобы учесть переходные процессы, мы должны рассмотреть емкость мембраны. Как уже упоминалось, сама мембрана довольно хороший электрический изолятор, что означает, что мы можем накапливать электрические заряды на одну сторону, которая потом не может перейти на другую (разумеется, тот же сумма заряда с обратным знаком будет найдена на другой стороне).Например, если мы поддерживаем входящий ток \(I\) в течение время \( t\ ,\) заряд \( Q=I t \) будет накапливаться внутри. Сохранение заряда требует, чтобы скорость накопление заряда равно току,

\( \frac{dQ}{dt}=I \)

Напряжение на конденсаторе пропорционально его заряду, при постоянной пропорциональности, являющейся емкостью C. Поскольку C — постоянная для идеального конденсатора (а также в отличном приближении для клеточной мембраны) имеем

\( \frac{dQ}{dt}=C \frac{dV}{dt}=I \)

Ток \(I \) в этом уравнении представляет собой сумму ионных токов, которые мы рассчитали в уравнениях. (6) и (7)

\( I = g_{Na}(V_{Na}-V)+g_{K}(V_{K}-V) \)

Объединяя два предыдущих уравнения, получаем следующий обыкновенный дифференциал Уравнение для мембранного напряжения:

\[\тег{10} C\frac{dV}{dt} = g_{Na}(V_{Na}-V)+g_{K}(V_{K}-V) \]


Обратите внимание, что в равновесии временная производная исчезает, и мы снова получить уравнение (8).

Для не зависящих от времени проводимостей (и потенциалов реверсирования) принято смешивать ионную проводимость и напряжения.Действительно, мы можем написать экв. (10) следующим образом:

\[\тег{11} C\frac{dV}{dt} = g_{Na}V_{Na} + g_{K}V_K — (g_{Na} + g_K)V = ({g_{Na} + g_K}) \times (\frac{g_{Na}V_{Na}+g_{K}V_K}{g_{Na} + г_К}-В) \]


Используя определение потенциала утечки \(V_L\) в экв. (9) и определение проводимости рассеяния \(g_L\) как

\[\тег{12} g_L = {g_{Na} + g_K} \]


мы можем переписать ур. (11) как

\[\тег{13} C\frac{dV}{dt} = g_{L}(V_{L}-V) \]


Часто, экв. (13) записывается как \[\тег{14} \tau\frac{dV}{dt} = V_{L}-V \]


где \(\tau=C/g_L\) — постоянная времени ячейки. Из этого уравнения очевидно, что мембрана будет приближаться к покоящейся потенциала \(V_L\) экспоненциально, с характерным временем \(\tau\ .\)

До сих пор мы рассматривали только проводимости, которые не зависят от напряжения или времени. Есть много других типов проводимости, которые играют роль в нейронах. Один важный класс проводимости являются результатом различных типов синапсов, которые ответственны за большинство связи между нейронами.В случае химических синапсов канал закрыт (проводимость g = 0), пока химическое вещество, испускаемое другим нейроном, не заставит канал открыться (проводимость > 0). В в случае электрических синапсов существует фиксированная проводимость между двумя связанными нейронами. (проводимость g > 0 всегда) и ток, протекающий между ними, пропорционален разности напряжений в этих двух ячейках (см. формулу (15) ниже). Другая важный класс проводимостей обусловлен каналами, которые открываются зависимо от напряжения самой ячейки (см. ниже).

Все эти токи имеют ту же форму, что и ток утечки в ур. (13), т. е. все они могут быть записаны в виде

\[\тег{15} г (V_c-V) \]


В этом уравнении \(V\) представляет собой напряжение исследуемого нейрона, а \(g\) представляет собой проводимость ионов (одного или нескольких), которые переносят ток. \(V_c\) — напряжение, характерное для данного тока; это может быть обратное напряжение ионов, переносимых проводимостью \(g\), или, в случае электрического синапса (щелевого контакта), напряжение внутри партнера нейрон.Обратите внимание, что и \(g\), и \(V_c\) могут зависеть от времени и других переменных, включая собственно трансмембранное напряжение (см. Возбудимость). Например, проводимости типа Ходжкина-Хаксли зависят от трансмембранного напряжения, а также имеют свою специфическую кинетику открытия и закрытия. Членов вида (15) может быть большое количество, по одному на каждый ток, и все добавляются справа ручная часть ур. (13)

Взаимодействия в космосе

До сих пор мы рассматривали электрическую активность в патче мембрана, которая достаточно мала (или достаточно однородна), чтобы вести себя везде одинаково.Многие нейроны достаточно крупные (или неоднородные) что их мембраны не могут быть описаны одной мембраной пластырь. Вместо этого взаимодействия между различными частями клетки необходимо учитывать мембрану. Это тема Кабельная теория.

Ссылки

  • Голдуп, А., Оки, С. и Даниэлли, Дж. Ф. 1970. Недавний прогресс в науке о поверхности 3:193
  • Хобби, Р. К. 1997. Промежуточная физика для медицины и биологии. 3-е издание.Американский институт физики, Нью-Йорк.
  • Ходжкин А.Л., Хаксли А.Ф. и Кац Б. 1952. Измерение вольт-амперных отношений в мембране гигантского аксона Loligo . Дж. Физиол. 1952. 116: 424.
  • Ходжкин А. Л. и Хаксли А. Ф. 1952a. Токи, переносимые ионами натрия и калия через мембрану гигантского аксона Loligo . Дж. Физиол. 116: 449.
  • Ходжкин А. Л. и Хаксли А.Ф. 1952б. Компоненты мембранной проводимости гигантского аксона Loligo . Дж. Физиол. 116: 473.
  • Ходжкин А.Л. и Хаксли А.Ф. 1952c. Двойной эффект мембранного потенциала на проводимость натрия в гигантском аксоне Loligo . Дж. Физиол. 116: 497.
  • Ходжкин А.Л. и Хаксли А.Ф. 1952d. Количественное описание мембранного тока и его приложение к проводимости и возбуждению в нерве. Дж. Физиол. 117: 500
  • Скотт, А.С., 1975. Электрофизика нервного волокна. Обзоры современной физики 47: 487.

Внутренние ссылки

  • Ижикевич Евгений Михайлович (2007) Равновесие. Академия, 2(10):2014.

Дополнительная литература

  • Хобби, Р. К. 1997. Промежуточная физика для медицины и биологии. 3-е издание. Американский институт физики, Нью-Йорк.
  • Кох, К. 1999. Биофизика вычислений. Издательство Оксфордского университета, Нью-Йорк-Оксфорд.

Внешние ссылки

См. также

Электрофизиология, возбудимость, зажим напряжения, теория нейронных кабелей

Исследователи нацелены на клеточную мембрану для исследования рака

Роберт Чапкин десятилетиями изучал молекулярную роль компонентов питания в передаче белковых сигналов и предотвращении заболеваний. Недавние открытия его лаборатории в области липидов и клеточной мембраны могут произвести революцию в трансляционных исследованиях рака.

«Клеточные мембраны — это липидная среда, в которой функционируют многие белки», — сказал Чапкин, профессор диетологии Техасского университета A&M.«В настоящее время известно, что белки и липиды собираются, образуя отдельные микро- или нанодомены (кластеры), которые облегчают ключевые сигнальные события».

Состав клеточной мембраны изменяется при таких заболеваниях, как рак и ожирение. Чапкин считает, что мембранная терапия — модуляция липидного состава и организации клеточных мембран — может быть эффективной терапевтической стратегией.

«Основная идея заключается в том, что если вы измените состав клеточной мембраны, вы потенциально можете изменить функциональность белков внутри мембраны и, следовательно, заболевание в целом», — сказал он.

Более десяти лет назад лаборатория Чапкина обнаружила, что докозагексаеновая кислота, или ДГК, хорошо известная диетическая омега-3 жирная кислота и химиопротектор, подавляет функциональность рецептора эпидермального фактора роста, или EGFR, белка в клеточной мембране, который управляет образование многих видов рака, в том числе рака толстой кишки.

Но каким образом DHA подавляет функцию белка EGFR? Нативидад «Роберт» Фуэнтес, бывший аспирант лаборатории Чапкина и первый автор недавней статьи лаборатории в Journal of Lipid Research, обнаружил некоторые новаторские молекулярные данные об этом механизме.Используя клеточные модели и модели животных, а также передовую технику, называемую микроскопией сверхвысокого разрешения, он изучил изменения липидной мембраны и EGFR после включения DHA.

Липидная двухслойная клеточная мембрана с мембранными и внутриклеточными рецепторами.

«Мы обнаружили, что включение DHA изменяет локализацию липидного двойного слоя с EGFR», — сказал Фуэнтес. «Он изменяет пространственную ориентацию белка в липидном бислое».

Почему это важно? Оказывается, архитектура белка внутри липидного двойного слоя клеточной мембраны является одним из факторов, определяющих его функцию.Это может объяснить, почему включение DHA подавляет передачу сигналов EGFR.

Фуэнтес сказал, что, по его мнению, такая мембранная терапия может сочетаться с другими методами лечения рака. «Жирные кислоты, которые модулируют липидный бислой, совершенно безвредны для человека и потенциально могут использоваться в качестве адъювантов для подавления функциональности белков, вызывающих рак».

Будучи постдоком в Онкологическом центре доктора медицины Андерсона Техасского университета, Фуэнтес теперь использует мембранную терапию в трансляционных исследованиях рака поджелудочной железы.

«Рак поджелудочной железы устойчив ко многим методам лечения», — сказал он. «Часть моей работы заключается в изучении того, как разрушение клеточной мембраны поджелудочной железы может повысить эффективность лечения рака».

Поскольку мембранная терапия все еще находится в зачаточном состоянии, Фуэнтес считает, что ее можно будет применять и в других областях исследований. «Мембранная терапия перспективна при любых болезненных состояниях, при которых затрагивается кластеризация рецепторов внутри клеточной мембраны», — сказал он. «Например, его можно использовать в исследованиях диабета для воздействия на рецептор инсулина и передачу сигналов инсулина.»

Чапкин стремится изучить более механистические нюансы и специфику мембранной терапии, а также изучить других потенциальных игроков.

«Мы будем исследовать другие профилактические компоненты питания и целевые белки», — сказал он. «В этой области предстоит проделать так много интересной работы».

Содержание лекции

Обзор курса

Курсовые цели
  • Опишите основные механизмы и системы, общие для большинства клеток, которые позволяют им выживать, расти и адаптироваться.
  • Опишите, как эти механизмы и системы используются и модифицируются в разных клетках для создания уникальных функций и действий.
  • Опишите, как определенные дефекты в этих механизмах и системах приводят к определенным заболеваниям.
  • На изображениях, полученных под микроскопом, определите ключевые структурные особенности клетки и опишите, что наличие или отсутствие этих особенностей говорит о функции клетки.
  • Выявить изменения в клеточной структуре, которые приводят к заболеванию
Общее понимание того, как клетки работают индивидуально и в группах

Мы опишем основные системы, структуры и пути в клетках, которые позволяют им выживать, расти и адаптироваться.К ним относятся

  • Общая организация ячеек
  • Цитоскелет
  • Секреция и эндоцитоз
  • Морфология и подвижность
  • Сотовая связь
  • Контроль качества клеток
  • Деление клеток и регуляция роста

Сначала мы рассмотрим системы, структуры и пути в обычной клетке, а затем изучим, как они используются и изменяются в конкретных типах клеток для создания уникальных функций и действий. Мы выделим клеточные механизмы, разрушение которых приводит к заболеванию.

В гистологии мы будем изучать взаимосвязь между структурой и функцией клеток, чтобы определить, как форма, размер и содержимое клетки способствуют ее функционированию и активности. Вы узнаете, как определить структурные особенности клеток и как эти подсказки можно использовать для определения функции и типа клетки. Вы также научитесь определять изменения в этих структурных особенностях и лежащие в их основе молекулярные дефекты.Наконец, вы начнете узнавать, как эти изменения приводят к болезни.

Зачем изучать клеточную биологию в качестве врача

Клетка является основной единицей жизни. Подавляющее большинство живых организмов (например, бактерий и дрожжей) на Земле представляют собой отдельные клетки, которые выживают, растут, размножаются и адаптируются к окружающей среде. Хотя клетки нашего тела более сложны и живут с миллиардами других клеток, они имеют много общего с одноклеточными организмами. На самом деле, некоторые из наших клеток могут при определенных условиях расти и размножаться как отдельные клетки.Например, в 1951 году у Генриетты Лакс были взяты клетки рака шейки матки и выращены в виде отдельных клеток в культуре. Потомки этих клеток сегодня выращивают в лабораториях по всему миру. Таким образом, даже в многоклеточных организмах клетка является основной единицей жизни.

Одной из задач биомедицины является понимание того, как клетки в нашем организме вызывают все виды деятельности, которые позволяют нам, людям, выживать, расти, размножаться и адаптироваться к окружающей среде. Мы полностью состоим из клеток и материала, который клетки производят, и, следовательно, все биологические процессы, необходимые для поддержания нашей жизни, генерируются клетками.Например, когда мы едим нашу пищу, мы всегда рискуем проглотить токсины. Большинство токсинов, которые мы случайно или целенаправленно принимаем внутрь, метаболизируются печенью в менее вредные молекулы. Если мы обследуем часть печени, чтобы найти, где находится эта детоксицирующая активность, мы обнаружим, что печень содержит в основном большие массы клеток, называемых гепатоцитами. Следовательно, способность к неактивным вредным молекулам должна принадлежать гепатоцитам. Сегодня мы знаем, что каждый из этих гепатоцитов содержит ферменты, катализирующие химическое расщепление токсинов.

С точки зрения врача идея о том, что вся человеческая деятельность опосредована клетками, означает, что когда он или она видит заболевание, обычно происходит сбой в каком-либо клеточном событии, что приводит к развитию этого заболевания. Например, атеросклероз или утолщение стенок артерий связаны с повышенным уровнем липопротеинов низкой плотности (ЛПНП) в сыворотке. ЛПНП поглощаются из сыворотки гепатоцитами печени. Мутации, которые снижают способность гепатоцитов поглощать ЛПНП, приводят к повышению уровня ЛПНП в сыворотке крови, увеличивая риск развития атеросклероза.Знание того, как работают клетки, помогает понять, как возникают болезни. Кроме того, узнав, как клетки поглощают и перерабатывают ЛПНП и регулируют количество холестерина, мы смогли разработать лекарства, помогающие снизить уровень ЛПНП в сыворотке. Таким образом, понимание клеток создает потенциал для разработки методов лечения болезней.

Клеточные мембраны

Функция

Клеточные мембраны действуют как барьер, предотвращающий потерю важного клеточного материала. Сюда входят белки, нуклеиновые кислоты и углеводы, а также строительные блоки для этих макромолекул: аминокислоты, нуклеотиды и сахара соответственно.Кроме того, клеточные мембраны также предотвращают потерю АТФ, клеточной валюты для получения энергии.

Чтобы предотвратить потерю клеточного материала, клеточные мембраны действуют как диффузионный барьер. Все молекулы внутри клетки диффундируют за счет тепловой энергии. Без клеточной мембраны эти молекулы быстро диффундировали бы из клетки и были бы потеряны. Клеточная мембрана образует барьер, через который не могут диффундировать определенные молекулы и химические вещества.

Структура

Структура клеточной мембраны определяет тип молекулы или химических веществ, которые она препятствует диффузии. Клеточные мембраны состоят из гидрофильной внешней поверхности и гидрофобного внутреннего слоя. Внешние гидрофильные поверхности позволяют мембранам быть растворимыми в воде, тогда как внутренний гидрофобный слой препятствует прохождению большинства водорастворимых химических веществ и молекул.

Мембраны содержат большое количество фосфолипидов. Фосфолипиды имеют две химически различные структуры: гидрофильную головную группу и гидрофобные С-хвосты. В смеси фосфолипидов и воды С-хвосты сгруппированы, чтобы избежать взаимодействия с водой, тогда как головные группы легко взаимодействуют с водой.Следовательно, наиболее стабильной структурой фосфолипидов в воде является полая сфера. Вода находится снаружи и внутри сферы, а фосфолипиды расположены в виде двойного слоя, который разделяет две водные среды. Обратите внимание, что клетка — это, по сути, большая мембранная сфера с множеством важных компонентов внутри и на поверхности сферы.

Каким образом структура мембраны определяет, какие химические вещества она препятствует диффузии через нее? Плотная упаковка фосфолипидов в мембране препятствует диффузии более крупных молекул (аминокислот, углеводов). Но даже небольшие ионы, такие как натрий, калий и кальций, не могут диффундировать через клеточную мембрану. В этом случае гидрофобный слой внутри мембраны препятствует диффузии ионов.

Фосфолипиды

Фосфолипиды представляют собой класс молекул, каждый член которого имеет различную структуру и функцию. Фосфолипиды отличаются друг от друга, прежде всего, головными доменами (гидрофильный домен), тогда как С-хвосты имеют сходную структуру. Фосфолипиды подразделяются на разные группы в зависимости от структуры и состава головного домена.Подробности обсуждались в биохимии.

Зачем использовать фосфолипиды с разными головными группами? Белки могут различать головные группы. Некоторые белки будут связываться с головными группами определенных фосфолипидов, позволяя клеткам рекрутировать определенные белки на клеточную мембрану. Важность этого станет более очевидной, когда мы будем обсуждать сотовую связь.

С-хвосты фосфолипидов имеют сходную структуру с одним существенным отличием. С-хвосты представляют собой жирные кислоты, содержащие одну или две длинные цепи углеводородов.Отдельные углеводороды могут быть связаны друг с другом одинарной или двойной связью. Цепь со всеми одинарными связями образует прямую углеводородную цепь. Их называют насыщенными липидами. Двойная связь вносит изгиб в цепь, что приводит к искривлению цепи. Их называют ненасыщенными липидами.

Клеточные мембраны содержат смесь насыщенных и ненасыщенных фосфолипидов. Поскольку насыщенные углеводороды являются прямыми, эти фосфолипиды могут упаковываться более плотно. К сожалению, мембрана из всех насыщенных фосфолипидов была бы твердой при физиологической температуре.Присутствие ненасыщенных фосфолипидов в мембране создает пространство между фосфолипидами, что делает мембрану более жидкой при физиологической температуре.

Не только разные мембраны могут содержать разные типы фосфолипидов, но и листочки одной мембраны могут различаться по составу фосфолипидов. Например, наружный листок клеточной мембраны обращен во внешнюю среду и нуждается в определенных видах фосфолипидов. Напротив, внутренний листок клеточной мембраны обращен к цитоплазме клетки и содержит фосфолипиды, взаимодействующие с белками.

Мембранные белки

Мембрана, состоящая только из фосфолипидов, могла бы образовывать эффективный диффузионный барьер, но не обладала бы многими функциями, необходимыми для выживания клеток. Например, мембраны ограничивают диффузию большинства малых молекул, которые необходимы клеткам для выработки энергии и построения более крупных макромолекул. Эти молекулы часто легко доступны вне клетки, но им нужен способ проникнуть через мембрану в клетку. Кроме того, чтобы приспособиться к изменяющимся условиям, клетки должны чувствовать свою внешнюю среду и реагировать соответствующим образом.Мембрана, состоящая только из фосфолипидов, не способна обнаруживать внешние молекулы или условия. Наконец, в многоклеточных организмах клетки должны прилипать друг к другу. Фосфолипиды в мембранах не обеспечивают соединения между двумя мембранами.

Для выполнения функций, описанных выше, мембраны зависят от белков. Белки образуют каналы в мембранах, которые позволяют проходить определенным молекулам или ионам. Белки функционируют как рецепторы, обнаруживающие присутствие определенных молекул или ионов во внешней среде.Наконец, белки в мембранах взаимодействуют с белками в других мембранах, создавая места прикрепления между мембранами и клетками.

Белки могут связываться с мембранами различными способами. Белки, образующие каналы, рецепторы или точки адгезии, обычно являются интегральными мембранными белками. Эти белки пересекают мембрану по крайней мере один раз и могут пересекать мембрану несколько раз (> 10). Эти белки постоянно встроены в мембрану и могут быть удалены только за счет затрат большого количества энергии или пищеварения.

В отличие от интегральных белков мембраны являются периферически-ассоциированными белками. Эти белки связаны с головными группами специфических фосфолипидов или частями интегральных мембранных белков. Ассоциация этих белков с мембранами носит временный характер. Взаимодействие можно обратить, изменив состав мембраны, морфологию или заряд белка. Эти белки часто обеспечивают структурную поддержку мембран, участвуют в передаче клеточных сигнальных событий или изменяют топологию мембран в секреторном пути.

Еще один важный тип взаимодействия между белком и мембраной опосредован ковалентной связью между белком и фосфолипидом. Взаимодействие происходит между аминокислотой на С-конце белка и головной группой фосфолипида. Эти белки находятся на внешнем листке клеточной мембраны, при этом белок обращен во внешнюю среду. Многие из этих белков являются ферментами, модифицирующими белки в крови или внеклеточном пространстве.

Текучесть мембран

Клеточная мембрана динамична в том смысле, что отдельные фосфолипиды и белки, составляющие мембрану, быстро перемещаются внутри мембраны.Тепловая энергия заставляет липиды и белки диффундировать внутри мембран. Ученые измерили скорость диффузии липидов и белков, и, по одной из оценок, липид может обойти бактериальную мембрану за одну секунду.

Диффузионная природа мембран имеет важные биологические и медицинские последствия. Без какой-либо другой системы, действующей на мембрану, липиды и белки в мембране будут случайным образом распределены по этой мембране. Как мы увидим, клетки тратят значительное количество энергии на создание доменов в мембранах, содержащих определенный набор белков, а иногда и липидов.Эти домены играют важную роль в клеточной адгезии и коммуникации.

Структурная поддержка клеточной мембраны

Клеточные мембраны нуждаются в структурной поддержке для поддержания формы и предотвращения повреждения двойного слоя фосфолипидов. В большинстве клеток цитоскелет находится под клеточной мембраной в цитоплазме, обеспечивая структурную поддержку. Актиновые филаменты являются наиболее распространенными, но некоторые клетки используют микротрубочки для формирования уникальных структур (например, ресничек). Актиновые филаменты образуют сетку филаментов под клеточной мембраной.

Цитоскелет частично обеспечивает структурную поддержку, взаимодействуя с интегральными мембранными белками. Взаимодействие с цитоскелетом ограничивает диффузию мембранных белков и обеспечивает стабильный каркас, к которому прикрепляются мембранные белки. Это взаимодействие предотвращает повреждение мембран, когда внешние силы тянут или толкают интегральные мембранные белки.

Клеточная мембрана и клеточный потенциал

Понятно, почему клеточные мембраны ограничивают диффузию небольших молекул, таких как аминокислоты, АТФ и т. д.Клетка не хочет терять эти важные молекулы в окружающей среде. Но почему важно, чтобы клеточная мембрана ограничивала диффузию ионов?

Поскольку ионы не могут диффундировать через клеточную мембрану, клетки могут устанавливать разные концентрации ионов в цитозоле по сравнению с внешней средой. Например, внутриклеточная концентрация натрия намного ниже, чем внеклеточная концентрация. Напротив, внутриклеточная концентрация калия намного выше, чем внеклеточная концентрация.Подобно натрию, внутриклеточная концентрация кальция очень низка. Клетки могут устанавливать и поддерживать эти градиенты ионов, потому что ионы не могут диффундировать через мембрану. Ионы могут проходить только через определенные белки, которые образуют каналы или насосы в мембране. Клетки точно регулируют деятельность каналов и насосов. Суммарное распределение ионов делает цитозоль клеток электроотрицательным по сравнению с внешней средой.

Какова биологическая роль этих ионных градиентов? Одна важная роль заключается в клеточной коммуникации, в частности, в коммуникации между нейронами и их мишенями.Активные нейроны посылают сигналы по своим аксонам, позволяя ионам натрия проникать в цитозоль, тем самым деполяризуя аксон. Клетки также используют ионные градиенты для регулирования активности ферментов. Многие ферменты требуют кальция для своей активности. Поскольку цитозольная концентрация кальция низкая, большинство этих ферментов неактивны. Когда клетки хотят активировать эти ферменты, они позволяют повысить цитозольную концентрацию кальция.

.
Клеточные мембраны: Клеточные мембраны – список терминов

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.