Membranfluiditet

Inom biologi hänvisar membranfluiditet till viskositeten hos lipiddubbelskiktet i ett cellmembran eller ett syntetiskt lipidmembran . Lipidpackning kan påverka membranets fluiditet. Membranets viskositet kan påverka rotationen och diffusionen av proteiner och andra biomolekyler i membranet, och därigenom påverka dessa sakers funktioner.

Membranens fluiditet påverkas av fettsyror. Mer specifikt, om fettsyrorna är mättade eller omättade har en effekt på membranfluiditeten. Mättade fettsyror har inga dubbelbindningar i kolvätekedjan, och den maximala mängden väte. Frånvaron av dubbelbindningar minskar fluiditeten, vilket gör membranet mycket starkt och tätt staplat. Omättade fettsyror har minst en dubbelbindning, vilket skapar en "kink" i kedjan. Dubbelbindningen ökar fluiditeten. Membranfluiditeten påverkas också av kolesterol. Kolesterol kan göra cellmembranet flytande såväl som stelt.

Faktorer som bestämmer membranfluiditet

Membranfluiditeten kan påverkas av ett antal faktorer. Ett sätt att öka membranfluiditeten är att värma upp membranet. Lipider får termisk energi när de värms upp; energiska lipider rör sig mer, ordnas och omarrangeras slumpmässigt, vilket gör membranet mer flytande. Vid låga temperaturer är lipiderna lateralt ordnade och organiserade i membranet, och lipidkedjorna är för det mesta i all-trans-konfigurationen och packas väl ihop.

Smälttemperaturen $T_{m}$ för ett membran definieras som den temperatur över vilken membranet övergår från en kristallliknande till en vätskeliknande organisation, eller vice versa . Denna fasövergång är inte en faktisk tillståndsövergång, men de två nivåerna av organisationer är mycket lika ett fast och flytande tillstånd.

$T<T_{m}$ : Membranet är i den kristallina fasen, ordningsnivån i dubbelskiktet är hög och fluiditeten är låg.
$T>T_{m}$ : Membranet är i flytande kristallfas, membranet är mindre ordnat och mer flytande. Vid 37 °C är detta tillståndet för membranet: närvaron av kolesterol möjliggör dock stabilisering av membranet och en mer kompakt organisation.

Sammansättningen av ett membran kan också påverka dess flytbarhet. Membranfosfolipiderna innehåller fettacylkedjor av varierande längd och mättnad . Lipider med kortare kedjor är mindre styva och mindre trögflytande eftersom de är mer mottagliga för förändringar i kinetisk energi på grund av sin mindre molekylstorlek och de har mindre yta att genomgå stabiliserande London-krafter med närliggande hydrofoba kedjor. Molekyler med kol-kol dubbelbindningar ( omättade ) är styvare än de som är mättade med väte, eftersom dubbelbindningar inte kan rotera fritt. Som ett resultat av detta gör närvaron av feta acylkedjor med omättade dubbelbindningar det svårare för lipiderna att packa ihop genom att sätta veck i den annars uträtade kolvätekedjan. Även om omättade lipider kan ha styvare individuella bindningar, är membran gjorda med sådana lipider mer flytande eftersom de individuella lipiderna inte kan packas lika tätt som mättade lipider och därför har lägre smältpunkter : mindre termisk energi krävs för att uppnå samma fluiditetsnivå som membran. gjord med lipider med mättade kolvätekedjor. Införlivande av speciella lipider, såsom sfingomyelin , i syntetiska lipidmembran är känt för att stelna ett membran. Sådana membran kan beskrivas som "ett glastillstånd, dvs styvt men utan kristallin ordning".

Kolesterol fungerar som en dubbelriktad regulator av membranfluiditet eftersom det vid höga temperaturer stabiliserar membranet och höjer dess smältpunkt, medan det vid låga temperaturer interkalerar mellan fosfolipiderna och förhindrar dem från att klunga ihop sig och stelna. Vissa läkemedel, t.ex. Losartan , är också kända för att förändra membranviskositeten. Ett annat sätt att ändra membranfluiditeten är att ändra trycket. I laboratoriet kan stödda lipiddubbelskikt och monolager tillverkas på konstgjord väg. I sådana fall kan man fortfarande tala om membranfluiditet. Dessa membran stöds av en plan yta, t.ex. botten på en låda. Fluiditeten hos dessa membran kan styras av det laterala trycket som appliceras, t.ex. av sidoväggarna i en låda.

Heterogenitet i membranets fysiska egenskap

Diskreta lipiddomäner med olika sammansättning, och därmed membranfluiditet, kan samexistera i modelllipidmembran; detta kan observeras med fluorescensmikroskopi . Den biologiska analogen, " lipid raft ", antas existera i cellmembran och utföra biologiska funktioner. Dessutom har ett smalt ringformigt lipidskal av membranlipider i kontakt med integralmembranproteiner låg fluiditet jämfört med bulklipider i biologiska membran , eftersom dessa lipidmolekyler förblir fast vid ytan av proteinmakromolekylerna .

Mätmetoder

Membranfluiditet kan mätas med elektronspinresonans , fluorescens , atomkraftmikroskopi -baserad kraftspektroskopi eller deuteriumkärnmagnetisk resonansspektroskopi . Elektronspinnresonansmätningar involverar observation av spinnprobens beteende i membranet. Fluorescensexperiment involverar observation av fluorescerande prober inkorporerade i membranet. Atomkraftsmikroskopiexperiment kan mäta fluiditet på syntetiska eller isolerade fläckar av naturliga membran. Deuteriumkärnmagnetisk resonansspektroskopi i fast tillstånd involverar observation av deutererade lipider. Teknikerna kompletterar varandra genom att de verkar på olika tidsskalor.

Membranfluiditet kan beskrivas av två olika typer av rörelse: roterande och lateral. Vid elektronspinresonans rotationskorrelationstid för spinprober för att karakterisera hur mycket begränsning som påläggs sonden av membranet. Vid fluorescens kan steady-state anisotropi av sonden användas, förutom rotationskorrelationstiden för den fluorescerande sonden. Fluorescerande prober uppvisar varierande grad av preferens för att vara i en miljö med begränsad rörelse. I heterogena membran kommer vissa sönder endast att finnas i regioner med högre membranfluiditet, medan andra endast finns i regioner med lägre membranfluiditet. Fördelningspreferensen för sonder kan också vara en mätare av membranfluiditet. I deuteriumkärnmagnetisk resonansspektroskopi ger den genomsnittliga kol-deuteriumbindningsorienteringen för den deutererade lipiden upphov till specifika spektroskopiska egenskaper. Alla tre teknikerna kan ge ett mått på den tidsgenomsnittliga orienteringen av den relevanta (sond) molekylen, vilket är indikativt för molekylens rotationsdynamik.

Lateral rörelse av molekyler inuti membranet kan mätas med ett antal fluorescenstekniker: fluorescensåtervinning efter fotoblekning innebär fotoblekning av ett enhetligt märkt membran med en intensiv laserstråle och mätning av hur lång tid det tar för fluorescerande sonder att diffundera tillbaka till den fotoblekta platsen. Fluorescenskorrelationsspektroskopi övervakar fluktuationerna i fluorescensintensitet mätt från ett litet antal sonder i ett litet utrymme. Dessa fluktuationer påverkas av sättet för lateral diffusion av sonden. Spårning av enstaka partiklar innebär att följa banan för fluorescerande molekyler eller guldpartiklar fästa vid en biomolekyl och tillämpa statistisk analys för att extrahera information om den laterala diffusionen av den spårade partikeln.

Fosfolipid-brist biomembran

En studie av centrala linjebredder av elektronspinresonansspektra av tylakoidmembran och vattenhaltiga dispersioner av deras totala extraherade lipider , märkta med stearinsyraspinnmärkning ( som har spinn- eller doxylgrupp med 5,7,9,12,13,14 och 16:e kolatomer, med hänvisning till karbonylgrupp), avslöjar en fluiditetsgradient . Minskande linjebredd från 5:e till 16:e kolen representerar ökande grad av rörelsefrihet ( fluiditetsgradient ) från huvudgruppsidan till metylterminalen i både naturliga membran och deras vattenhaltiga lipidextrakt (en multilamellär liposomal struktur, typisk för lipidbiskiktsorganisation ). Detta mönster pekar på likheten mellan lipiddubbelskiktsorganisation i både naturliga membran och liposomer . Denna observation är kritisk, eftersom tylakoidmembran som till stor del består av galaktolipider innehåller endast 10% fosfolipid , till skillnad från andra biologiska membran som till stor del består av fosfolipider. Proteiner i kloroplasttylakoidmembran begränsar tydligen lipidfettacylkedjans segmentella rörlighet från 9:e till 16:e kolen gentemot deras liposomala motsvarigheter. Överraskande nog är liposomala fettacylkedjor mer begränsade vid 5:e och 7:e kolpositionerna jämfört med dessa positioner i tylakoidmembran. Detta kan förklaras som på grund av rörelsebegränsande effekt vid dessa positioner, på grund av steriskt hinder av stora klorofyllhuvudgrupper , speciellt i liposomer. Men i naturliga tylakoidmembran är klorofyller huvudsakligen komplexbundna med proteiner som ljusskördande komplex och är kanske inte till stor del fria att begränsa lipidfluiditeten, som sådana.

Diffusionskoefficienter

Diffusionskoefficienter för fluorescerande lipidanaloger är cirka 10-8 ^cm 2 ^/ s i flytande lipidmembran. I gellipidmembran och naturliga biomembran är diffusionskoefficienterna cirka 10 ⁻¹¹ cm ² /s till 10 ⁻⁹ cm ² /s.

Laddade lipidmembran

Smältningen av laddade lipidmembran, såsom 1,2-dimyristoyl-sn-glycero-3-fosfoglycerol, kan ske över ett brett temperaturområde. Inom detta temperaturintervall blir dessa membran mycket trögflytande.

Biologisk relevans

Mikroorganismer som utsätts för termisk stress är kända för att förändra lipidsammansättningen i deras cellmembran (se homeoviskös anpassning ) . Detta är ett sätt de kan justera flytbarheten av sitt membran som svar på sin miljö. Membranfluiditet är känd för att påverka funktionen hos biomolekyler som finns i eller associerade med membranstrukturen. Till exempel är bindningen av vissa perifera proteiner beroende av membranfluiditet. Lateral diffusion (inom membranmatrisen) av membranrelaterade enzymer kan påverka reaktionshastigheterna. Följaktligen kan membranberoende funktioner, såsom fagocytos och cellsignalering , regleras av cellmembranets fluiditet.

Se även