Płynność membrany - Membrane fluidity

W biologii, płynność błony odnosi się do lepkości w podwójnej warstwie lipidowej z błoną komórkową lub syntetyczne membrany lipidowej . Upakowanie lipidów może wpływać na płynność błony. Lepkość błony może wpływać na rotację i dyfuzję białek i innych biocząsteczek w błonie, wpływając tym samym na funkcje tych rzeczy.

Na płynność błony wpływają kwasy tłuszczowe. Dokładniej, to, czy kwasy tłuszczowe są nasycone czy nienasycone, ma wpływ na płynność błony. Nasycone kwasy tłuszczowe nie posiadają podwójnych wiązań w łańcuchu węglowodorowym, a maksymalną ilość wodoru. Brak podwójnych wiązań zmniejsza płynność, dzięki czemu membrana jest bardzo mocna i ciasno ułożona. Nienasycone kwasy tłuszczowe mają co najmniej jedno wiązanie podwójne, tworzące „załamanie” w łańcuchu. Podwójne wiązanie zwiększa płynność. Na płynność błony wpływa również cholesterol. Cholesterol może sprawić, że błona komórkowa będzie płynna, a także sztywna.

Czynniki determinujące płynność membrany

Na płynność błony może wpływać wiele czynników. Jednym ze sposobów na zwiększenie płynności membrany jest jej podgrzanie. Lipidy uzyskują energię cieplną, gdy są podgrzewane; lipidy energetyczne poruszają się bardziej, organizując i przestawiając losowo, dzięki czemu błona jest bardziej płynna. W niskich temperaturach lipidy są uporządkowane bocznie i zorganizowane w błonie, a łańcuchy lipidowe są przeważnie w konfiguracji all-trans i dobrze się ze sobą upakowują.

Temperatura topnienia membrany jest definiowana jako temperatura, przez którą membrana przechodzi z organizacji podobnej do kryształu do organizacji płynnej lub odwrotnie. To przejście fazowe nie jest rzeczywistym przejściem stanu, ale dwa poziomy organizacji są bardzo podobne do stanu stałego i płynnego. ${\ Displaystyle T_ {m}}$

$T<T_{m}$ : Membrana jest w fazie krystalicznej, poziom uporządkowania w dwuwarstwie jest wysoki, a płynność niska.
${\ Displaystyle T> T_ {m}}$ : Membrana jest w fazie ciekłokrystalicznej, membrana jest mniej uporządkowana i bardziej płynna. W temperaturze 37°C taki stan ma błona: obecność cholesterolu pozwala jednak na stabilizację błony i bardziej zwartą organizację.

Skład membrany może również wpływać na jej płynność. Fosfolipidy błony zawierają kwasy tłuszczowe o różnej długości i nasyceniu . Lipidy o krótszych łańcuchach są mniej sztywne i mniej lepkie, ponieważ są bardziej podatne na zmiany energii kinetycznej ze względu na ich mniejszy rozmiar cząsteczkowy i mają mniejszą powierzchnię podlegającą stabilizującym siłom londyńskim z sąsiednimi łańcuchami hydrofobowymi. Łańcuchy lipidowe z podwójnymi wiązaniami węgiel-węgiel ( nienasycone ) są bardziej sztywne niż lipidy nasycone wodorami, ponieważ podwójne wiązania nie mogą się swobodnie obracać. Ze względu na tę sztywność nienasycone wiązania podwójne utrudniają pakowanie się lipidów poprzez tworzenie załamań w inaczej wyprostowanym łańcuchu węglowodorowym. Podczas gdy poszczególne lipidy mogą być bardziej sztywne, błony wykonane z takich lipidów są bardziej płynne i mają niższe temperatury topnienia : do osiągnięcia tego samego poziomu płynności wymagana jest mniejsza energia cieplna, jak błony wykonane z lipidów z nasyconymi łańcuchami węglowodorowymi. Wiadomo, że włączenie określonych lipidów, takich jak sfingomielina , do syntetycznych błon lipidowych usztywnia błonę. Takie membrany można opisać jako „stan szklisty, tj. sztywny, ale bez uporządkowania krystalicznego”.

Cholesterol działa jako dwukierunkowy regulator płynności błony, ponieważ w wysokich temperaturach stabilizuje błonę i podnosi jej temperaturę topnienia, natomiast w niskich temperaturach interkaluje między fosfolipidy i zapobiega ich zlepianiu się i sztywnieniu. Wiadomo również, że niektóre leki, np. Losartan , zmieniają lepkość błony. Innym sposobem zmiany płynności membrany jest zmiana ciśnienia. W laboratorium można sztucznie wytwarzać dwuwarstwy i monowarstwy lipidowe na nośniku. W takich przypadkach nadal można mówić o płynności błony. Membrany te są podtrzymywane przez płaską powierzchnię, np. dno pudełka. Płynność tych membran może być kontrolowana przez wywierany boczny nacisk, np. przez boczne ścianki pudełka.

Niejednorodność właściwości fizycznych błony

Odrębne domeny lipidowe o różnym składzie, a tym samym płynności błony, mogą współistnieć w modelowych błonach lipidowych; można to zaobserwować za pomocą mikroskopii fluorescencyjnej . Przypuszcza się, że biologiczny analog, " tratwa lipidowa ", istnieje w błonach komórkowych i pełni funkcje biologiczne. Także wąski pierścieniowy korpus lipidów z lipidów błony w kontakcie z integralnych białek błonowych mają małą płynność w porównaniu z lipidami masowych w błonach biologicznych , ponieważ te cząsteczki lipidowe zostać przyklejone do powierzchni białka makrocząsteczek .

Metody pomiaru

Płynność błony można mierzyć za pomocą elektronowego rezonansu spinowego , fluorescencji , spektroskopii sił opartej na mikroskopii sił atomowych lub spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego deuteru . Pomiary elektronowego rezonansu spinowego obejmują obserwację zachowania sondy spinowej w membranie. Eksperymenty fluorescencyjne obejmują obserwację sond fluorescencyjnych wbudowanych w błonę. Eksperymenty z mikroskopią sił atomowych mogą mierzyć płynność na syntetycznych lub izolowanych łatach natywnych błon. Spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego deuteru w stanie stałym polega na obserwacji deuterowanych lipidów. Techniki są komplementarne, ponieważ działają w różnych skalach czasowych.

Płynność błony można opisać dwoma różnymi rodzajami ruchu: obrotowym i bocznym. W elektronowym rezonansie spinowym, czas korelacji rotacyjnej sond spinowych służy do określenia, jak bardzo restrykcje są nałożone na sondę przez membranę. We fluorescencji, oprócz czasu korelacji rotacji sondy fluorescencyjnej, można zastosować anizotropię sondy w stanie stacjonarnym . Sondy fluorescencyjne wykazują różne preferencje do przebywania w środowisku ograniczonego ruchu. W błonach heterogenicznych niektóre sondy można znaleźć tylko w regionach o wyższej płynności błony, podczas gdy inne można znaleźć tylko w regionach o mniejszej płynności błony. Preferencja podziału sond może być również wskaźnikiem płynności membrany. W spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego deuteru średnia orientacja wiązań węgiel-deuter deuterowanego lipidu daje początek specyficznym cechom spektroskopowym. Wszystkie trzy techniki mogą dać pewną miarę uśrednionej w czasie orientacji odpowiedniej (sondy) cząsteczki, co wskazuje na dynamikę rotacyjną cząsteczki.

Ruch boczny cząsteczek w błonie można zmierzyć za pomocą wielu technik fluorescencyjnych: odzyskiwanie fluorescencji po fotowybielaniu obejmuje fotowybielanie jednolicie oznakowanej membrany intensywną wiązką lasera i pomiar czasu potrzebnego na dyfuzję sond fluorescencyjnych z powrotem do fotowybielanego miejsca. Spektroskopia korelacji fluorescencji monitoruje fluktuacje natężenia fluorescencji mierzonej z niewielkiej liczby sond na małej przestrzeni. Na te fluktuacje wpływa tryb bocznej dyfuzji sondy. Śledzenie pojedynczych cząsteczek obejmuje śledzenie trajektorii cząsteczek fluorescencyjnych lub cząsteczek złota przyłączonych do biocząsteczki i zastosowanie analizy statystycznej w celu wyodrębnienia informacji o bocznej dyfuzji śledzonej cząsteczki.

Biomembrany z niedoborem fosfolipidów

Badanie centralnych szerokości linii widm elektronowego rezonansu spinowego błon tylakoidowych i wodnych dyspersji ich całkowitych wyekstrahowanych lipidów , znakowanych znacznikiem spinowym kwasu stearynowego (mający spin lub ugrupowanie doksylowe przy 5,7,9,12,13,14 i 16 węglu, w odniesieniu do grupy karbonylowej) ujawnia gradient płynności . Zmniejszenie szerokości linii od 5 do 16 atomów węgla oznacza rosnący stopień swobody ruchu ( gradient płynności ) od strony głównej do końca metylowego w obu natywnych błonach i ich wodnym ekstrakcie lipidowym (wielowarstwowa struktura liposomalna, typowa dla organizacji dwuwarstwowej lipidów ). Ten wzór wskazuje na podobieństwo organizacji dwuwarstw lipidowych zarówno w błonach natywnych, jak iw liposomach . Ta obserwacja jest krytyczna, ponieważ błony tylakoidowe zawierające głównie galaktolipidy zawierają tylko 10% fosfolipidów , w przeciwieństwie do innych błon biologicznych składających się głównie z fosfolipidów. Białka w błonach tylakoidowych chloroplastów najwyraźniej ograniczają ruchliwość segmentów łańcucha acylowego lipidów od 9 do 16 atomów węgla w porównaniu z ich liposomalnymi odpowiednikami. Nieoczekiwanie, liposomalne tłuszczowe łańcuchy acylowe są bardziej ograniczone w pozycjach węgla 5 i 7 w porównaniu z tymi pozycjami w błonach tylakoidów. Można to wytłumaczyć efektem ograniczania ruchu w tych pozycjach, ze względu na zawadę steryczną przez duże grupy głów chlorofilu , szczególnie w liposomach. Jednak w natywnych błonach tylakoidów chlorofile są głównie skompleksowane z białkami jako kompleksami zbierającymi światło i mogą w dużej mierze nie ograniczać płynności lipidów jako takiej.

Współczynniki dyfuzji

Współczynniki dyfuzji fluorescencyjnych analogów lipidów około 10 ^-8 cm ² / s w błonach lipidowych płynów. W błonach lipidowych żelu i naturalnych biomembranes współczynniki dyfuzji są około 10 ^-11 cm ² / s do 10 ^-9 cm ² / s.

Naładowane błony lipidowe

Topienie naładowanych błon lipidowych, takich jak 1,2-dimirystoilo-sn-glicero-3-fosfoglicerol, może zachodzić w szerokim zakresie temperatur. W tym zakresie temperatur membrany te stają się bardzo lepkie.

Znaczenie biologiczne

Wiadomo, że mikroorganizmy poddane stresowi termicznemu zmieniają skład lipidowy ich błony komórkowej (patrz adaptacja homeowiska ). Jest to jeden ze sposobów, w jaki mogą dostosować płynność swojej membrany w odpowiedzi na otoczenie. Wiadomo, że płynność błony wpływa na funkcję biocząsteczek znajdujących się w strukturze błony lub związanych ze strukturą błony. Na przykład wiązanie niektórych białek obwodowych zależy od płynności błony. Dyfuzja boczna (w macierzy błony) enzymów związanych z błoną może wpływać na szybkość reakcji. W konsekwencji, funkcje zależne od błony, takie jak fagocytoza i sygnalizacja komórkowa , mogą być regulowane przez płynność błony komórkowej.

Languages

In other projects