Membran modeller
Innan uppkomsten av elektronmikroskopi på 1950-talet visste forskarna inte strukturen hos ett cellmembran eller vad dess komponenter var; biologer och andra forskare använde indirekta bevis för att identifiera membran innan de faktiskt kunde visualiseras. Specifikt var det genom modellerna av Overton , Langmuir , Gorter och Grendel, och Davson och Danielli , som det drogs slutsatsen att membran har lipider , proteiner och ett dubbelskikt . Tillkomsten av elektronmikroskopet, fynden av J. David Robertson, förslaget från Singer och Nicolson och ytterligare arbete av Unwin och Henderson bidrog alla till utvecklingen av den moderna membranmodellen. Men förståelse av tidigare membranmodeller klargör dagens uppfattning om membranegenskaper. Efter intensiv experimentell forskning gav membranmodellerna från det föregående århundradet vika för den flytande mosaikmodellen som är accepterad idag.
Gorter och Grendels membranteori (1920)
Evert Gorter och François Grendel (nederländska fysiologer) närmade sig upptäckten av vår nuvarande modell av plasmamembranstrukturen som ett lipid-bi-lager. De antog helt enkelt att om plasmamembranet är ett dubbelskikt , så skulle ytarean på monoskiktet av lipider som mäts vara dubbelt så stor som plasmamembranets yta. För att undersöka sin hypotes utförde de ett experiment där de extraherade lipider från ett känt antal röda blodkroppar ( erytrocyter ) från olika däggdjurskällor, såsom människor, getter, får etc. och sedan spred lipiderna som ett monolager i ett Langmuir-Blodgett-tråg . De mätte den totala ytan av plasmamembranet av röda blodkroppar, och med Langmuirs metod mätte de arean av monoskiktet av lipider. När de jämförde de två beräknade de ett uppskattat förhållande på 2:1 Monoskikt av lipider: Plasmamembran . Detta stödde deras hypotes, vilket ledde till slutsatsen att cellmembran är sammansatta av två motsatta molekylära lager. De två forskarna föreslog en struktur för detta tvåskikt, med de polära hydrofila huvudena vända utåt mot den vattenhaltiga miljön och de hydrofoba svansarna vända inåt bort från den vattenhaltiga omgivningen på båda sidor av membranet. Även om de kom fram till de rätta slutsatserna, var en del av experimentdata felaktiga, såsom felberäkningen av arean och trycket på lipidmonoskiktet och ofullständigheten i lipidextraktionen. De misslyckades också med att beskriva membranets funktion och hade falska antaganden som att plasmamembran består mestadels av lipider. Men på det hela taget blev denna föreställning om lipid-dubbelskiktstrukturen det grundläggande underliggande antagandet för varje successiv förfining i en modern förståelse av membranfunktion.
Davson och Danielli-modellen med backup från Robertson (1940–1960)
Efter förslaget från Gorter och Grendel uppstod oundvikligen tvivel om sanningshalten i att bara ha ett enkelt lipid-dubbelskikt som ett membran. Till exempel kunde deras modell inte ge svar på frågor om ytspänning, permeabilitet och membrans elektriska motstånd. Därför föreslog fysiologen Hugh Davson och biologen James Danielli att membran verkligen har proteiner. Enligt dem förklarade förekomsten av dessa "membranproteiner" det som inte kunde besvaras av Gorter-Grendel-modellen.
1935 föreslog Davson och Danielli att biologiska membran består av lipid-bi-lager som är belagda på båda sidor med tunna skivor av protein och de förenklade sin modell till den "pauci-molekylära" teorin . Denna teori förklarade att alla biologiska membran har ett " lipoid " centrum omgivet av monolager av lipid som täcks av proteinmonolager. Kort sagt illustrerades deras modell som en "smörgås" av protein-lipid-protein. Davson-Danielli-modellen kastade nytt ljus över förståelsen av cellmembran, genom att betona den viktiga roll som proteiner spelar i biologiska membran.
På 1950-talet verifierade cellbiologer förekomsten av plasmamembran genom användning av elektronmikroskopi (som stod för högre upplösningar). J. David Robertson använde denna metod för att föreslå enhetsmembranmodellen. I grund och botten föreslog han att alla cellulära membran delar en liknande underliggande struktur, enhetsmembranet . Genom att använda tungmetallfärgning verkade Robertsons förslag också omedelbart överensstämma med Davson-Danielli-modellen. Enligt det trilaminära mönstret av cellmembranet som Robertson såg, föreslog han att membranen består av ett lipid-dubbelskikt täckt på båda ytorna med tunna skivor av proteiner (mukoproteiner). Detta förslag var ett stort uppsving för Davsons och Daniellis förslag. Men även med Robertsons belägg, hade Davson-Danielli-modellen allvarliga komplikationer, en viktig är att de studerade proteinerna huvudsakligen var klotformade och därför inte kunde passa in i modellens påstående om tunna proteinark. Dessa svårigheter med modellen stimulerade ny forskning inom membranorganisation och banade väg för den flytande mosaikmodellen, som föreslogs 1972.
Singer och Nicolsons flytande mosaikmodell (1972)
1972 utvecklade S. Jonathan Singer och Garth Nicolson nya idéer för membranstruktur. Deras förslag var den flytande mosaikmodellen , som är den dominerande modellen nu. Den har två nyckelfunktioner - en mosaik av proteiner inbäddade i membranet, och membranet är ett flytande tvåskikt av lipider. Lipidbilagerförslaget överensstämmer med tidigare modeller men ser proteiner som klotformiga enheter inbäddade i lagret istället för tunna ark på ytan.
Enligt modellen är membranproteiner indelade i tre klasser baserat på hur de är kopplade till lipiddubbelskiktet:
- Integrala proteiner : Nedsänkta i dubbelskiktet och hålls på plats av affiniteten hos hydrofoba delar av proteinet för de hydrofoba svansarna av fosfolipider på insidan av skiktet.
- Perifera proteiner : Mer hydrofila , och är således icke- kovalent kopplade till de polära huvudena av fosfolipider och andra hydrofila delar av andra membranproteiner på membranets yta.
- Lipidförankrade proteiner : I huvudsak hydrofila, så är de också belägna på membranets yta och är kovalent fästa till lipidmolekyler inbäddade i skiktet.
När det gäller membranets flytande natur kan lipidkomponenterna röra sig parallellt med membranytan och är i konstant rörelse. Många proteiner är också kapabla till den rörelsen i membranet. Vissa är dock begränsade i sin rörlighet på grund av att de är förankrade i strukturella element som cytoskelettet på vardera sidan av membranet.
I allmänhet förklarar denna modell det mesta av kritiken mot Davson-Danielli-modellen . Den eliminerade behovet av att rymma membranproteiner i tunna ytskikt, föreslog att variationen i protein/lipid-förhållandena för olika membran helt enkelt betyder att olika membran varierar i mängden protein de innehåller, och visade hur exponeringen av lipid-huvudgrupper vid membranytan är kompatibel med deras känslighet för fosfolipasnedbrytning . Dessutom gör fluiditeten hos lipid-dubbelskikten och sammanblandningen av deras komponenter i membranet det enkelt att visualisera rörligheten för både lipider och proteiner.
Henderson och Unwins membranteori
Henderson och Unwin har studerat det lila membranet med elektronmikroskopi, med hjälp av en metod för att bestämma de projicerade strukturerna hos ofärgade kristallina prover. Genom att tillämpa metoden på lutande prover och använda de principer som DeRosier och Klug lagt fram för kombinationen av sådana tvådimensionella vyer, erhöll de en 3-dimensionell karta av membranet vid 7 Å upplösning. Kartan avslöjar platsen för protein- och lipidkomponenterna, arrangemanget av polypeptidkedjorna inom varje proteinmolekyl och förhållandet mellan proteinmolekylerna i gittret.
Högupplösta mikrofotografier av kristallina arrayer av membranproteiner, tagna i en låg dos av elektroner för att minimera strålningsskador, har utnyttjats för att bestämma den tredimensionella strukturen genom en Fourier- transform . Nyligen genomförda studier på negativt färgade råtthepatocyt Gap ™-övergångar utsatta för 3-dimensionella Fourier-rekonstruktioner (av lågdoselektronmikrofotografier) indikerar att de sex proteinsubenheterna är arrangerade i en cylinder som är lätt lutad tangentiellt och omsluter en kanal som är 2 nm bred vid extracellulär region. Dimensionerna på kanalen inuti membranet var smalare men kunde inte lösas (Unwin och Zampighi, 1980). En liten radikal rörelse av subenheterna vid de cytoplasmatiska ändarna skulle kunna minska subenhetens lutning tangentiellt till sexfaldig axel och stänga kanalen.
Ytterligare detaljer om den molekylära organisationen bör dyka upp när fler beredningsmetoder blir tillgängliga, så att högupplösta 3-dimensionella bilder jämförbara med de lila membranen erhålls. Genom att använda geniala förfaranden för analys av periodiska arrayer av biologiska makromolekyler , där data från lågdoselektronbilder och diffraktionsmönster kombinerades, rekonstruerade Henderson och Unwin (1975) en tredimensionell bild av lila membran med 0,7 nm upplösning. Glukosinbäddning användes för att lindra uttorkningsskador och låga doser (< 0,5 e/A*) för att minska bestrålningsskadan. Elektronmikrofotografier av ofärgade membran registrerades så att den enda kontrastkällan var en svag faskontrast inducerad genom defokusering.
I deras experiment fann Unwin och Henderson att protein sträcker sig till båda sidor av lipid-dubbelskiktet och är sammansatt av sju α-helixar packade cirka 1–1,2 nm från varandra, 3,5–4,0 nm i längd, löpande vinkelrätt mot membranplanet . Molekylerna är organiserade runt en 3-faldig axel med ett 2 nm brett utrymme i mitten som är fyllt med lipider. Detta eleganta arbete representerar det viktigaste steget framåt hittills, eftersom det för första gången har försett oss med strukturen av ett integrerat membranprotein in situ. Tillgängligheten av aminosyrasekvensen, tillsammans med information om elektronspridningsdensiteten från Hendersons och Unwins arbete, har stimulerat modellbyggande ansträngningar (Engleman et al., 1980) för att passa in bakteriohodopsinsekvensinformationen i en serie α- spiralformade segment.