معلومة

هل الجزيئات الدهنية "تنقلب" فوق الغشاء دون استخدام إنزيم؟

هل الجزيئات الدهنية



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

تشير جميع الإشارات إلى هذا التي يمكنني العثور عليها إلى إنزيمات مثل Flippase مما يجعل من "الأسهل" أو "الأكثر احتمالية" حدوث الانتقال ، بدلاً من جعله ممكنًا في الواقع.

التالي من ألبرتس

ومع ذلك ، في غرفة الطوارئ ، تتوازن الفسفوليبيدات عبر الغشاء في غضون دقائق ، وهو ما يقرب من 100000 مرة أسرع مما يمكن تفسيره بواسطة "flip-flop" التلقائي.

هل هذا يعني أن أي غشاء فوسفوليبيد إذا ترك دون رقابة سوف "يتقلب" تلقائيًا ، ببطء شديد ، وهل يمكن ملاحظة ذلك؟


سوف تتقلب المكونات ثنائية الطبقة بمعدلات قابلة للقياس ، ولكنها تختلف اختلافًا كبيرًا بالنسبة لفئات الدهون المختلفة. فيما يلي نتائج تجربة باستخدام نظائرها ذات العلامات الفلورية.

Bai، JN and Pagano، RE (1997) قياس النقل التلقائي وحركة الطبقة العابرة للدهون التي تحمل علامة BODIPY في الحويصلات الدهنية. الكيمياء الحيوية 36: 8840-8848 DOI: 10.1021 / bi970145r

اتبع المؤلفون حركة transbilayer (flip-flop) و interbilayer من نظائرها ذات العلامات الفلورية لدهون الغشاء المختلفة: sphingomyelin (C-5-DMB-SM) ، سيراميد (C-5-DMB-Cer) ، فسفاتيديل كولين (C-5) -DMB-PC) و diacylglycerol (C-5-DMB-DAG) في نظام من الحويصلات أحادية الطبقة تتكون من 1-palmitoyl-2-oleoyl phosphatidylcholine.

تم تحليل النتائج من حيث نموذج يمكن للجزيئات المسمى أن تتحرك بين الحويصلات وبين الطبقتين الأحاديتين للطبقة الثنائية.

نصف المرات: interbilayer transbilayer (flip-flop) C-5-DMB-SM> 21 s 3.3 h C-5-DMB-Cer 350 s 22 min C-5-DMB-PC 400 s 7.5 h C-5-DMB- DAG 100 ساعة 70 مللي ثانية

لذلك ، بالنسبة للفوسفوليبيد الذي تم اختباره ، كان نصف الوقت لـ flip-flop 7.5 ساعة.


دراسات نموذجية لتقليب الدهون في الأغشية

تشكل الأغشية الحيوية ، التي تتكون من مصفوفة ثنائية الطبقة الدهنية حيث تكون البروتينات مدمجة أو متصلة ، حاجزًا ماديًا للخلية وعضياتها الداخلية. فيما يتعلق بتوزيع مكوناتها الجزيئية ، فإن الأغشية الحيوية غير متجانسة جانبياً وغير متماثلة عرضياً ، وبسبب هذا فهي مواقع للأنشطة الكيميائية الحيوية الحيوية. قد تنتقل الدهون من نشرة واحدة من الطبقة الثنائية إلى العكس إما تلقائيًا أو يتم تسهيلها بواسطة البروتينات ، ومن ثم فهي تساهم في تنظيم عدم تناسق الغشاء الذي يعتمد عليه أداء الخلية وتمايزها ونموها بشكل كبير. تمت دراسة هذه الحركة المستعرضة - التي يطلق عليها عادة flip-flop - تجريبياً وحسابياً. تواجه التحقيقات التجريبية صعوبات تتعلق بالمقاييس الزمنية وقضايا اضطراب الغشاء الناجم عن المسبار. تلعب محاكاة الديناميكيات الجزيئية دورًا مهمًا في فهم المستوى الجزيئي لـ flip-flop. نقدم في هذا الاستعراض ملخصًا لأحدث الدراسات الحسابية للتقلب العفوي للفوسفوليبيدات والستيرولات والأحماض الدهنية. نسلط الضوء أيضًا على المشكلات والاستراتيجيات المهمة التي تم تطويرها لحلها ، وما يتبقى من حل.

هذه معاينة لمحتوى الاشتراك ، والوصول عبر مؤسستك.


خيارات الوصول

احصل على الوصول الكامل إلى دفتر اليومية لمدة عام واحد

جميع الأسعار أسعار صافي.
سيتم إضافة ضريبة القيمة المضافة في وقت لاحق عند الخروج.
سيتم الانتهاء من حساب الضريبة أثناء الخروج.

احصل على وصول محدود أو كامل للمقالات على ReadCube.

جميع الأسعار أسعار صافي.


الخطوة الأولى: عبر IM. أنظمة النماذج

بمجرد اكتمال الخطوات السيتوبلازمية للتخليق الحيوي ، يتم نقل الدهون الفوسفورية المركبة حديثًا و Ra-lipid A عبر الطبقة الثنائية IM. لا تزال الآليات المستخدمة لنقل الدهون عبر الأغشية البيولوجية (flip-flop) غير مفهومة جيدًا. من المتوقع أن يكون نقل الدهون amphipathic عبر طبقة ثنائية من الدهون الكارهة للماء غير مواتٍ من الناحية الديناميكية الحرارية ، مما يتطلب مدخلات من الطاقة (Singer and Nicolson ، 1972). تمت دراسة نقل الدهون عبر الطبقات الثنائية بدرجة ممتازة في المختبر عارضات ازياء. في هذه المناقشة ، سأستخدم المصطلح العام نعال الشاطئ لوصف الحركة الخارجية للدهون عبر طبقة ثنائية. في حين أن هذا المصطلح لا يميز الخارج من الحركة الداخلية للدهون ، سيتم النظر فقط في الأول. التقليب الشحمي في طبقات الليبيدات ثنائية النموذج بطيء للغاية ، مع نصف عمر في حدود ساعات إلى أيام ، ولكنه سريع جدًا في الأغشية البيولوجية ، ويحدث في ثوانٍ إلى عشرات الثواني (روثمان وكينيدي ، 1977). وقد أدى ذلك إلى استنتاج مفاده أن تقليب الدهون في الأغشية البيولوجية هو بروتين محفز. تم تحديد العديد من البروتينات المرشحة في حقيقيات النوى التي تحفز حركة الطبقة العابرة لفئات مختلفة من الدهون (Daleke، 2003 Holthuis and Levine، 2005 Pohl وآخرون، 2005). ومع ذلك ، في بدائيات النوى ، فإن البروتين الوحيد الذي تم تحديده حتى الآن مع دور مثبت في نقل الدهون هو MsbA (انظر أدناه).

تم التوصل إلى استنتاجات مختلفة فيما يتعلق بمتطلبات الطاقة لنقل الدهون في العضل. في بعض الأنظمة ، يعتمد التقليب الدهني على ATP ولكن ليس في أنظمة أخرى. يقترح العمل الذي أجراه deKruijff وزملاؤه أن تقليب الدهون في الحويصلات المعاد تكوينها مستقل عن الطاقة ولا يتطلب سوى ببتيدات ألفا حلزونية ممتدة للغشاء (Kol). وآخرون، 2004). في دراساتهم ، اختبر المؤلفون قدرة الببتيدات الممتدة على الأغشية للحث على التقليب من شحميات الفسفوليبيدات القصيرة المقيدة بالسلاسل (C6-NBD-PE و C6-NBD-PG) في طبقات ثنائية صناعية (Kol وآخرون، 2001). وجدوا أن الحويصلات التي تحتوي على نموذج غشاء α-helical peptide GKKL (AL)12دعم KKA التقليب من الدهون قصيرة السلسلة ، في حين كان flip-flop مهملاً في الحويصلات الدهنية وحدها. يمثل هذا العمل بديلاً مثيرًا للاهتمام لمفهوم أن آلية بروتينية مخصصة تحفز حركة الدهون عبر الطبقة وهذا يشير إلى أن هذا النشاط قد يكون خاصية عامة لبروتينات الغشاء التي تحتوي على مجالات ممتدة للغشاء الحلزوني ألفا.

قدم مينون وزملاؤه أدلة على نشاط flippase المستقل عن ATP في أغشية البكتيريا موجبة الجرام (Hrafnsdottir and Menon ، 2000) وقد تم اكتشاف هذا النشاط أيضًا في أغشية البكتيريا سالبة الجرام (Kubelt). وآخرون. ، 2002). باستخدام di-C4-phosphatidylcholine كركيزة لفحص flippase ، كان من الممكن إذابة النشاط وإعادة تكوينه وتنقيته جزئيًا. ومع ذلك ، حتى الآن ، لم يتم تحديد البروتين (البروتينات) ولم يتم إنشاء آلية.

من ناحية أخرى ، اعمل مع ناقلات ATP المعاد تكوينها (ABC) من البكتيريا (Margolles وآخرون. ، 1999) أو البشر (Romsicki and Sharom ، 2001) أنهم يمتلكون نشاط فوسفوليبيد flippase المعتمد على ATP. في المختبر. تستخدم بروتينات ناقل ABC طاقة التحلل المائي لـ ATP لنقل مجموعة متنوعة من الركائز الدهنية وغير الدهنية عبر الأغشية ، وهي موجودة في جميع المجالات الثلاثة للكائنات الحية. أظهر كونينجز وزملاؤه (باستخدام نظائر الفوسفوليبيد الفلورية قصيرة السلسلة مرة أخرى) أنه ينقي LmrA ويعيد تكوينه ، وهو ناقل ABC من المكورات اللبنية، يمتلك نشاط فوسفوليبيد فليباز في المختبر التي تعتمد على خارجي المنشأ ATP (Margolles وآخرون، 1999). بطريقة مماثلة ، تم إثبات أن البروتين السكرية البشري المعاد تكوينه / MDR1 (ABCB1) يمتلك نشاط flippase المعتمد على ATP مع مجموعة متنوعة من نظائر الفوسفوليبيد طويلة وقصيرة السلسلة (Romsicki and Sharom ، 2001). في حين في المختبر أثبتت دراسات نشاط فوسفوليبيد فليب فليب أنها مفيدة ، يجب توخي الحذر عند الاستقراء من هذه النتائج إلى في الجسم الحي الموقف ، حيث يستخدمون عادةً نظائرها الدهنية قصيرة السلسلة والقابلة للذوبان في الماء أو تحتوي على تعديلات أخرى تخلق جزيئات فريدة من الناحية الهيكلية والتي قد تختلف بطرق مهمة عن نظيراتها التي تحدث بشكل طبيعي.


توقعات - وجهات نظر

أحد الألغاز في بيولوجيا الدهون هو التنظيم الديناميكي للكوليسترول. على الرغم من أنه يمكن أن يتحرك تلقائيًا عبر الأغشية وبينها ، فقد وجد أن العديد من البروتينات تحفز حركتها. يتناقض تقاربها العالي مع الشحميات السفينغولية مع النتائج التجريبية فيما يتعلق بتنظيم الطبقة العابرة. كما أنه لا يزال من غير الواضح كيف تحرك الخلايا مجالات الدهون السفينجولية والكوليسترول ، والتي تتمتع بمقاومة متزايدة ضد الانحناء ، إلى حويصلات جولجي شديدة الانحناء. علاوة على ذلك ، لا يرى علماء الفيزياء الحيوية أن بروتينات الغشاء تنتقل إلى "المجالات المنظمة" في الأغشية الاصطناعية المعاد تكوينها ، بينما تفعل ذلك في الخلية. لم يتم بعد فهم الآلية الجزيئية لألواح الانزلاق وخصائصها الدهنية ولا نقل الدهون بين الغشاء عبر مواقع التلامس الغشائي. يشكل التولد الحيوي لقطرات الدهون وعلاقتها مع ER مشكلة أخرى لم يتم حلها. أخيرًا ، نحن نفتقر إلى الفهم الأساسي لكيفية ولماذا تقوم خلايانا بتجميع العديد من الأنواع الدهنية التي نلاحظها الآن باستخدام أدواتنا التحليلية الدقيقة. نحن لا نفهم تأثيرها على بنية الغشاء ووظيفته ، وربما نفتقد نصف الوظائف التي تمارسها الدهون في نقل الإشارة والتوازن لأنها تحدث بكميات صغيرة.

تشارك العديد من الإنزيمات في تخليق وإعادة تشكيل وتحويل الدهون الخلوية ونقلها بين الغشاء وداخل الغشاء. إنه تحدٍ لكشف التوازن الدهني على مستوى الأنظمة ، وقد يسمح لنا وضع العلامات على النظائر المستقرة وقياس الطيف الكتلي بالقيام بذلك. التحدي الأكبر هو معرفة كيفية ارتباط التوازن الدهني مع جميع الأنظمة الأخرى القائمة على البروتين في الخلية لتنظيم فسيولوجيا الخلية بشكل عام. رسم خرائط الدهون هو مجرد بداية!


مرفوض: أطواف على غشاء الخلية

يُعتقد أن الهياكل الدقيقة المكونة من جزيئات الدهون والبروتينات تتجول داخل غشاء الخلية ، مثل الطوافات الموجودة على الماء. لقد تم قبول "فرضية الطوافة" هذه على نطاق واسع ، لكن العلماء الآن في TU Wien (فيينا) أظهروا أن هذه الأطواف الدهنية غير موجودة في الخلايا الحية. تم نشر هذه النتيجة الآن في المجلة اتصالات الطبيعة.

أغشية السوائل

تقول Eva Sevcsik من مجموعة الفيزياء الحيوية في TU Wien: "لا ينبغي أن نفكر في غشاء الخلية كسطح ثابت وصلب". "الغشاء ، الطبقة الخارجية للخلية ، سائل. جزيئاته - الدهون والبروتينات - تتحرك باستمرار."

يمكن للبروتينات أن تخدم أغراضًا مختلفة. يمكن أن تكون بمثابة محطات لرسو السفن من الخارج ، أو كقنوات لنقل الجزيئات إلى الخلية. نظرًا لأن العديد من البروتينات تؤثر على بعضها البعض ، فقد بدا من المحتمل أن مثل هذه البروتينات قد تتحرك داخل الغشاء معًا كـ "طوف نانوي".

أصبحت هذه الفرضية أكثر شيوعًا بين علماء الأحياء الخلوية ، وارتبطت "الأطواف" بالعديد من العمليات الخلوية. لكن الدليل على هذه الفرضية مشتق فقط من دراسات مع أنظمة نموذجية أو خلايا ميتة. لم يتم رصد "الطوافات" مباشرة في الخلية الحية.

اعتاد العديد من الباحثين على الاعتقاد بأن "الطوافات" صغيرة جدًا وقصيرة العمر بحيث لا يمكن اكتشافها باستخدام الطرق المجهرية التقليدية. في مختبرات الفيزياء الحيوية في TU Wien ، تم الآن استخدام مجموعة من التقنيات المتطورة لمعالجة هذه المشكلة. تقول إيفا سيفتشيك: "من ناحية ، نستخدم الفحص المجهري فائق الدقة ، والذي يسمح لنا بدراسة جزيئات مفردة ، ومن ناحية أخرى ، يمكننا التأثير على غشاء الخلية باستخدام الأسطح الدقيقة والنانوية". "بهذه الطريقة يمكننا تحليل بنية غشاء الخلية بطرق جديدة تمامًا."

ليغو الجزيئي

أولاً ، تم بناء الأسطح على مقياس ميكرومتر ، بحيث يمكن للخلايا التي نمت على هذا السطح أن تتفاعل مع الهيكل. تقول إيفا سيفتشيك: "إنه مثل الليغو الجزيئي". "نضع كتل بناء جزيئية على السطح المصغر الهيكل ، والتي ترتبط ببروتينات معينة في غشاء الخلية." ترتبط البروتينات بالسطح المهيكل ولا يمكنها السفر عبر غشاء الخلية بعد الآن.

لذلك ، يمكن اختيار البروتين ، والذي يعتبر لبنة بناء مهمة في طوف النانو ، ويمكن تثبيته في مواضع معينة على السطح ومن ثم يمكن للمرء دراسة كيفية تفاعل البروتينات والدهون الأخرى.

تصبح الجزيئات مرئية باستخدام تقنية مجهرية خاصة. يتم ربط كميات صغيرة من الواسمات الفلورية بالبروتينات أو الدهون ، ومن ثم يمكن تصوير الجزيئات أثناء انتقالها داخل الغشاء. تقول إيفا سيفتشيك: "عندما ندرس حركة بروتينات مفردة ، يمكننا أن نرى ما إذا كنا نتعامل مع أطواف غشائية أم لا". "مثل هذه الطوافة ، المثبتة على الهياكل النانوية الاصطناعية على السطح أدناه ، ستوفر مقاومة أكبر للبروتينات المتجولة من المناطق المحيطة. لذلك ، ستكون حركة البروتينات أبطأ. ومع ذلك ، في قياساتنا ، فإن الحركة المنتشرة لـ الجزيئات هي نفسها في كل مكان ".

بالنسبة لإيفا سيفتشيك ، فإن حقيقة أن فرضية الطوافة ظلت شائعة لفترة طويلة ، على الرغم من عدم وجود أي دليل مباشر عليها مطلقًا ، ليس مفاجئًا: "من المغري دائمًا تفسير نتائج المرء في سياق وضع الفرضيات ، هذه مشكلة شائعة في العلم. كان هدفنا اختبار فرضية الطوافة دون أي تحيز أو تحيز.

تلقت فرضية الطوافة كما تم تدريسها حتى الآن ضربة. ولكن إذا لم توجد هياكل تشبه الطوافة تنتقل عبر الغشاء ، فهل توجد آليات أخرى توفر النظام بين البروتينات والدهون؟ تقول إيفا سيفتشيك: "ربما يلعب الهيكل الخلوي للأكتين دورًا أكثر أهمية مما كنا نعتقد". يقع الهيكل الخلوي أسفل غشاء الخلية مباشرة ويوفر الاستقرار. الآن ، يريد Sevcsik دراسة وظيفته باستخدام طرق البحث الفيزيائية الحيوية.


هل الجزيئات الدهنية "تنقلب" فوق الغشاء دون استخدام إنزيم؟ - مادة الاحياء

مركز البحوث متعدد التخصصات في علم البصريات الوراثي والبيولوجيا التركيبية ، مختبر مفتاح الدولة لهندسة المفاعلات الحيوية ، جامعة شرق الصين للعلوم والتكنولوجيا ، 130 # طريق ميلونج ، شنغهاي 200237 ، الصين
بريد الالكتروني: [email protected]، [email protected]

ب المختبر الرئيسي للمواد المتقدمة ومختبر الأبحاث الدولي المشترك للكيمياء الدقيقة والهندسة الجزيئية ، مركز الأبحاث المشتركة للعالم الحائز على جائزة نوبل فيرينجا ، كلية الكيمياء والهندسة الجزيئية ، جامعة شرق الصين للعلوم والتكنولوجيا أمبير ، 130 # طريق ميلونج ، شنغهاي ، الصين

الملخص

حظيت الطبيعة أو الأنظمة الاصطناعية التي يمكنها التجميع الذاتي في أغشية المحاكاة الحيوية وتشكيل مقصورات في محلول مائي باهتمام واسع النطاق. ومع ذلك ، غالبًا ما تواجه هذه الأنظمة مشاكل تتطلب عمليات معقدة أو تفتقر إلى التحكم في محاكاة تخليق الدهون وتشكيل الغشاء للخلايا. يوضح هذا البحث إستراتيجية جديدة من الناحية المفاهيمية تستخدم كيمياء الفصل الضوئي لتحويل الجزيئات غير الغشائية لإنتاج الجسيمات الشحمية. تُستخدم مشتقات الكحول Lysosphingomyelin (Lyso) و 2-nitrobenzyl (NBs) كسلائف ، كما أن الطابع البرمائي لـ Lyso يعزز تكوين الركام المختلط مع NBs ، مما يجعل السلائف الدهنية قريبة جدًا. يؤدي تشعيع الضوء إلى تحويل NBs إلى وسيطة ألدهيد تفاعلية ، ويسهل التجميع المسبق الربط الفعال والمحدّد بين الألدهيد والليسو أمين على الجزيئات الحيوية الأخرى ، وبالتالي تسريع تخليق الدهون الفوسفورية وتشكيل حجرات غشائية مماثلة للدهون الطبيعية. يمثل التحول الذي يمكن التحكم فيه بالضوء استخدام محفز خارجي للطاقة لتكوين غشاء فوسفوليبيد محاكٍ حيويًا ، والذي يحتوي على مجموعة واسعة من التطبيقات في الكيمياء الطبية والبيولوجيا التركيبية والتكوين التلقائي.


3. تجزئة المسارات الأيضية

تحدث جميع التفاعلات التي تحدث في الخلايا في مساحة معينة - حجرة، والتي يتم فصلها عن المقصورات الأخرى عن طريق شبه نفاذا أغشية. إنها تساعد على الفصل حتى بين البيئات غير المتجانسة كيميائيًا وبالتالي تحسين مسار التفاعلات الكيميائية.

الانزيمات غالبًا ما يكون لتحفيز التفاعلات الفردية درجات حرارة مختلفة ودرجات حموضة مثلى مختلفة وإذا كان هناك جزء خلوي واحد فقط ، فمن المحتمل ألا يعمل جزء من الإنزيمات أو لن تكون التفاعلات المحفزة عليها فعالة بدرجة كافية. بتقسيم الفضاء الخلوي ، أفضل شروط يتم إنشاء تفاعلات تحفيزية إنزيمية فردية.

في الوقت نفسه ، تحمي الخلية نفسها أيضًا من نشاط حلواني الانزيمات. على سبيل المثال ، يمنع إغلاق الهضم الخلوي في الجسيمات الحالة الهضم الذاتي غير المرغوب فيه للعضيات الأخرى داخل الخلية. العمليات الشائعة التي تصاحب اضطراب بعض الحجيرات (مثل انسكاب محتوى الجسيمات الحالة أو الميتوكوندريا) هي التنخر أو تفعيل موت الخلايا المبرمج (عملية موت الخلية المبرمج).

التقسيم يؤثر على اللائحة من الأيض المسارات أيضًا ، مما يجعلها أكثر دقة واستهدافًا وأقل تداخلًا مع بعضها البعض. من الممكن في بعض الأحيان تنظيم مسار رد الفعل عند نقطة دخول من خاص المادة المتفاعلة إلى ال حجرة (النقل عبر الغشاء ، غالبًا بوساطة آليات النقل).

على الرغم من مزاياها ، فإن التقسيم في نفس الوقت يضع طلبًا أكبر على استهلاك الطاقة. ينشأ من الحاجة المتكررة إلى استخدام ناقلات معتمدة على ATP ، ونقل المواد عبر الأغشية مقابل تدرج التركيز وبالتالي إنشاء بيئات مختلفة في مقصورات مختلفة.

الأغشية البيولوجية

كان أحد الشروط اللازمة لظهور الحياة هو فصل البيئة الخلوية عن البيئة الخارجية (الخارجية). نتيجة لذلك ، كانت هناك حاجة إلى آليات نقل انتقائية بين كلا الفراغين ، ثم الحاجة لاحقًا إلى الاتصال بين الخلايا.

يخلق الغشاء السيتوبلازمي الحدود مع المقصورة خارج الخلية والأغشية ذات التركيب المماثل تفصل الأجزاء الأخرى داخل الخلية.

هندسة معمارية

يبلغ عرض غشاء الخلية حوالي 6-10 نانومتر. يتكون جوهر بنيتها من طبقة ثنائية الفوسفوليبيد مدمجة البروتينات و الكوليسترول الجزيئات. الأخيران يمكن أن تربط السكريات المختلفة وبالتالي تتشكل جليكوليبيدات و البروتينات السكرية. يتم تعديل هذا الهيكل الأساسي ، في حالة أغشية العضيات المختلفة ، إلى درجة معينة ، مما يؤثر على الخصائص الفيزيائية والكيميائية للغشاء (خاصة نفاذه) ، والتي ترتبط ارتباطًا وثيقًا بوظيفة ومسار العمليات الكيميائية الحيوية في العضية.

وخير مثال على ذلك هو غلاف العصبون المياليني ، الذي يحتوي على نسبة من البروتينات إلى الدهون 19٪ إلى 81٪ ، وبالتالي فإن له خصائص عزل ممتازة. من ناحية أخرى ، فإن الغشاء الداخلي للميتوكوندريا له الحصة المعكوسة لصالح البروتينات (76 ٪ إلى 24 ٪) وهذا هو سبب عدم نفاذه النسبي (حتى بالنسبة للمواد التي تمر عبر الأغشية القياسية).

تتكون جزيئات الفسفوليبيد من جزأين مختلفين جسديًا:

1) الجزء القطبي (ماء)

القطبية جزء مكون من فوسفات مجموعة مع المجموعات الأخرى المرتبطة اختياريًا - يواجه هذا الجزء من الجزيء مائي واسطة (أو مذيب قطبي آخر).

2) جزء غير قطبي (مسعور)

غير القطبية يتكون الجزء من دهني حامض السلاسل تحولت ضد بعضها البعض وبالتالي تشكيل نافرة من الماء جوهر من الغشاء. التفاعلات الكارهة للماء لجزيئات الدهون مسؤولة عن ميلها للتجمع وتشكيل الأغشية.

ينتمي جزيء الفسفوليبيد ، الذي يحتوي على جزء قطبي وغير قطبي ، إلى مجموعة برمائي الجزيئات.

الارتباط التاريخي:

تم إنشاء النموذج المقبول حاليًا لهيكل الأغشية البيولوجية في عام 1972 بواسطة S.J. سينجر وجي إل نيكولز. وفقا لهذا ، ما يسمى ب فسيفساء السوائل نموذج، يمكننا اعتبار الغشاء البيولوجي أ 2 الأبعاد سائل حيث تنتشر جزيئات الدهون والبروتينات بسهولة أو أقل.

ال معدل الانتشار من الفسفوليبيد أسرع بكثير من مكونات الغشاء الأخرى. أماكن الغشاء التي تحتوي على نسبة عالية من البروتينات والكوليسترول لديها معدل انتشار جانبي أقل و استقرار الغشاء (هذا ينطبق بشكل خاص على الكوليسترول). من ناحية أخرى ، فإن أجزاء الغشاء المحتوية على دهون في الغالب لها القدرة على الانقلاب إلى الجانب الآخر (من خلال ما يسمى آلية فليب فلوب).

تعتمد سيولة الغشاء في الغالب على:

1) درجة الحرارة: كلما ارتفعت درجة الحرارة كلما كان الغشاء أكثر قدرة على الحركة (مرحلة سول) ، في درجات حرارة منخفضة يكون أكثر صلابة (مرحلة الهلام).

2) نسبة FA غير المشبعة: كلما زاد محتوى FA غير المشبع ، زادت حركة المرحلة.

تشكل البروتينات مكونًا أساسيًا للأغشية الخلوية. وفقا لمن الموقع داخل ال غشاء، يمكن تقسيمها إلى هامشي و أساسي:

1) البروتينات المحيطية

البروتينات المحيطية فعل ليس اختراق ل ال نافرة من الماء جوهر من الغشاء يرتبطون به فقط السطحية المنطقة (على الجانب خارج أو داخل الخلايا) وبالتالي يمكن فصلها عن الغشاء دون إتلافه. تتضمن تفاعلات الارتباط الرئيسية القوى الكهروستاتيكية والروابط الهيدروجينية.

2) بروتينات متكاملة

بروتينات متكاملة تتخلل ال غشاء، إما من خلال سمكها الكامل (الغشاء البروتينات) أو حتى عمق معين فقط. يرتبط فصل هذه البروتينات باختلال سلامة الغشاء.

تؤدي بروتينات الغشاء وظائف مختلفة ، على سبيل المثال مستقبل, الأنزيمية أو المواصلات.

يتكون الكوليسترول تقريبا ¼ من جميع الدهون الغشائية. جزيءه ، على غرار جزيء الفوسفوليبيد ، له برمائي حرف (بسبب وجود مجموعة OH مرتبطة بذرة الكربون الثالثة). الوظيفة الرئيسية للكوليسترول هي يستقر الغشاء و أدنى إنه سيولة.

الخصائص

النفاذية ، التي تعبر عن معدل الانتشار السلبي للجزيئات عبر الغشاء ، تتبع قانون Fick للانتشار وتعتمد على:

1) حجم وقطبية جزيئات الانتشار

2) تدرج التركيز

3) سمك الغشاء

4) مساحة سطح الغشاء

1) حجم وقطبية جزيئات الانتشار

بشكل عام، تمر الجزيئات الصغيرة وغير القطبية عبر الغشاء بسهولة تامة في حين أن الأكبر والقطبية عادة ما تحتاج إلى ناقلات أو قنوات.

2) تدرج التركيز

ال أعلى ال تركيز لمادة على جانب واحد من الغشاء ، و أعلى إنه نزعة إلى يمر إلى الجانب الآخر. تنطبق هذه القاعدة أيضًا على التدرجات الأخرى - الكهروكيميائية (المعطاة باختلاف الشحنات على كلا الجانبين) أو التناضحي (معطى باختلاف الجسيمات النشطة تناضحيًا على جانبي الغشاء).

3) سمك الغشاء

تمر المواد ببطء أكثر عبر غشاء أكثر سمكًا.

4) مساحة سطح الغشاء

تنتشر كمية أكبر من المادة عبر الغشاء لكل وحدة زمنية إذا كان للغشاء مساحة سطح أكبر.

الخصائص الأخرى للأغشية هي: الدرجة العلمية من حراري و الكهرباء عازلة, كهربائي الشحنة (الشحنة الإجمالية لغشاء الخلية هي نفي - في المقام الأول بسبب وجود سلبي سياليك الأحماض بقايا تعلق على البروتينات السكرية والجليكوليبيدات) و قدرة من انتقائي المواصلات.

النقل الانتقائي

يمكن تقسيم النقل الانتقائي إلى:

3) نقل الجزيئات الكبيرة

يوضح هذا الرسم البياني مثالاً لعمليات النقل عبر الحاجز الدموي الدماغي (الحاجز بين الدم والأنسجة العصبية):

1) النقل السلبي

النقل السلبي يحدث بدون طاقة استهلاك، لأنه يعتمد على المبدأ المادي للانتشار (مدفوعًا بـ تركيز الانحدار لمادة على جانبي الغشاء). بدون ال وجود من مثل الانحدار، النقل السلبي توقف. هناك نوعان أساسيان من النقل السلبي:

ب) الانتشار الميسر

أ) انتشار بسيط

الانتشار البسيط هو نقل المواد عبر غشاء دون مساعدة بروتينات النقل. يجب أن تمر المواد عبر النواة الكارهة للماء للغشاء ، وهو ما يفسر سبب كون هذا النوع من آلية النقل نموذجيًا ل:

1. جزيء صغير غير قطبي: مثل غازات (كو2يا2, …)

2. جزيء قطبي صغير: ماء, اليوريا

3. جزيئات غير قطبية أكبر: فيتامينات FA ، كولسترول أو فيتامينات تذوب في الدهون

جزيئات محبة للماء وأكبر (معظمها مع Mص أكثر من 200) تمر عبر الغشاء عن طريق الانتشار البسيط فقط ببطء شديد أو لا تمر على الإطلاق. يصعب نقل الأيونات ، التي تكون جزيئاتها صغيرة نسبيًا ، نظرًا لوجود جزء كبير منها ترطيب صدفة تتكون من جزيئات الماء.

ب) الانتشار الميسر

الانتشار الميسر هو نوع من النقل السلبي بمساعدة نقل البروتينات التي تربط الجزيء بشكل غير تساهمي وتنقله إلى الجانب الآخر من الغشاء. إنه أسرع من الانتشار البسيط ويمكن أن يكون مصحوبًا بامتداد نقل مادة أخرى في الاتجاه المعاكس (ما يسمى مضاد للميناء، على سبيل المثال ATP مع ADP أو Cl & # 8211 مع HCO3 & # 8211). الاحتمال الآخر هو النقل بمساعدة بروتين القناة الذي يخترق عرض الغشاء بالكامل. يرتبط نقل الجزيء بتغيير شكل القناة. يتم التحكم في بعض القنوات من خلال التغييرات في الجهد الكهربائي للغشاء (الجهد بوابات القنوات).

هناك فرق بين حركية الانتشار البسيط والميسر. في حالة الانتشار البسيط ، تؤدي زيادة تركيز المادة المنقولة إلى زيادة خطية في معدل الانتشار. من ناحية أخرى ، فإن بروتينات النقل المشاركة في الانتشار الميسر لها قدرة محدودة (يُعطى بعددهم الإجمالي في الغشاء) وعندما يصل التركيز إلى قيم عالية ، يتباطأ معدل الانتشار حتى يصل إلى سرعته القصوى (حيث تكون سعة النقل مشبعة تمامًا).

من بين أهم الأمثلة على الانتشار الميسر الجلوكوز ناقلات GLUT. تحول الجلوكوز داخل الخلايا إلى جلوكوز 6 فوسفات ويضمن استخدامه اللاحق وجود تدرج تركيز مستمر. بشكل عام ، هناك سبعة أنواع من ناقلات GLUT ومن أهمها:

1. GLUT 1 و 3, تعمل على الحفاظ على امتصاص الجلوكوز القاعدي عن طريق الأنسجة ، حيث يعتمد التمثيل الغذائي على الجلوكوز (مخ, كريات الدم الحمراءوالكلى أو المشيمة).

2. GLUT 2المترجمة على غشاء البنكرياس β الخلايا و خلايا الكبد. كما أنها تمكن من نقل شكل الجلوكوز ماص الطلائية (على سبيل المثال ، ظهارة النبيب الملتف القريب من الكلى أو الظهارة المعوية أو الخلايا المعوية) إلى الدم.

3. GLUT 4 هو ناقل الجلوكوز لما يسمى الأنسجة المعتمدة على الأنسولين (العضلات والهيكل العظمي وعضلة القلب والأنسجة الدهنية). وجودها على غشاء هذه الأنسجة يخضع لتأثير الأنسولين. يحدث هذا بشكل رئيسي بعد، بعدما ال وجبة متى تكون الأنسجة المذكورة أعلاه مسؤولة عن ما يصل إلى 80٪ من استقلاب الجلوكوز. بين الوجبات ، على العكس من ذلك ، لا تمتص الجلوكوز وتحفظه للأنسجة التي تعتمد عليها.

2) النقل النشط

يمكن أن يحدث النقل النشط ضد التركيز والتدرج الكهروكيميائي أيضا. من الممكن لأن النقل إلى جانب التحلل المائي ATP (ATP → ADP a Pi) ويتم استخدام الطاقة المنبعثة في عملية النقل. نتعرف على نوعين أساسيين من هذا النقل:

أ) النقل الأساسي النشط

يتم استخدام طاقة ATP مباشرة في عملية نقل مادة معينة. الأمثلة Na + / K + -ATPase, H + / K + -ATPase أو Ca 2+ -ATPase.

Na + / K + -ATPase هو رباعي يتكون من وحدتان فرعيتان ألفا ووحدتان بيتا. الوحدات الفرعية ألفا هي غشاء ، مجالاتها داخل الخلايا لها أ ربط موقع ل نا + والمجالات خارج الخلية لـ ك + . وحدات بيتا الفرعية يتم تحللها (على عكس ألفا) ولا تخترق الغشاء بأكمله. تواجه سلاسل السكاريد قليلة السكاريد الخاصة بهم الفضاء خارج الخلية. توجد حالتان تشكيليان متميزان للإنزيم ، اعتمادًا على ما إذا كان قد تم فسفرته أم لا. يعمل Na + / K + -ATPase كملف مضاد للميناء ومقابل الطاقة المنبعثة من ATP ينقل 3 كاتيونات الصوديوم خارج الخلية مقابل 2 كاتيونات +. والنتيجة هي ملف التوزيع غير المتكافئ للأيونات على الغشاء الذي يشكل أساس يستريح غشاء القدره. Na + / K + -ATPase موجود في كل مكان - ربما يكون موجودًا في جميع الخلايا البشرية.

تُظهر الرسوم المتحركة وظيفة هذا الناقل (الموجود في المنتصف) أثناء إمكانية العمل:

H + / K + -ATPase هو مضاد يعمل بشكل مشابه لـ Na + / K + -ATPase. يمكن العثور عليها في الجداري الخلايا في المعدة (حيث تنتج العصارات المعدية) وفي خلايا الأقرب معقد أنبوب صغير من الكلى. ينقل واحد H + خارج الخلية مقابل واحد K + أيون.

Ca 2+ -ATPase ، مضخة كالسيوم ، مترجمة في الغالب في العضلات والأعصاب الخلايا. يضخ بنشاط أيونات الكالسيوم من السيتوبلازم ، إما في الهيولى العضلي شبكية أو خارج الخلية، وبالتالي خفض تركيز Ca 2+ مرة أخرى إلى المستوى السابق (على سبيل المثال قبل تقلص خلية عضلية).

ب) النقل النشط الثانوي (أو النقل المشترك)

في حالة النقل النشط هذه ، لا يتم استخدام الطاقة المنبعثة من ATP بشكل مباشر لنقل جزيء معين (مثل الجلوكوز). بدلاً من ذلك ، يتم استخدامه لنقل المواد الأخرى (مثل كاتيون الصوديوم) ، مما يؤدي إلى تكوين التركيز أو المادة الكيميائية الانحدار عير ال غشاء. هذا التدرج هو الذي يدفع نقل المادة (ذات الصلة) بمساعدة ناقلات أخرى (مثل SGLT - ناقل جلوكوز الصوديوم).

وبالتالي فإن الناقل الذي يقوم بالنقل النشط الثانوي (SGLT) يزيح على الأقل اثنين حبيبات - أولاً ، الذي من المفترض أن يتم نقله (الجلوكوز) ، وثانيًا ، الذي يدفع (من خلال وجود تدرجه عبر الغشاء) النقل (Na +). للحفاظ على هذا التدرج ، أ ثانيا الناقل ضروري (على سبيل المثال Na + / K + -ATPase) ، والذي يمكن أن يكون موجودًا في جزء آخر من الغشاء. هذا هو الناقل الثاني الذي يستهلك ال طاقة (ATP) - هذا هو السبب في أن هذا النوع من آليات النقل ينتمي إلى مجموعة النقل النشط. بين قوسين ، قدمنا ​​مثالًا على النقل النشط الثانوي للجلوكوز من خلاله SGLT الناقل ، الذي يستخدم التدرج اللوني لـ Na الذي تم إنشاؤه بواسطة Na + / K + -ATPase. وفقًا لاتجاه النقل ، نتعرف على التناظر (يتم نقل كلا الجسيمين في نفس الاتجاه ، من الخلية أو إلى داخلها) والمنفذ (يتم نقل الجسيمات في الاتجاه المعاكس - يتم نقل أحدهما إلى الخلية والآخر خارجها) . يوفر SGLT رمز الجلوكوز و Na + .

النقل النشط الثالث يعمل على نفس المبدأ.

3) نقل الجزيئات عبر الغشاء

حسب الاتجاه:

أ) خروج الخلايا هي عملية تغادر بها الجزيئات الكبيرة الخلية. يندمج الغشاء السيتوبلازمي مع غشاء حويصلة النقل ويتم إطلاق الجزيء الكبير إما في الفضاء خارج الخلية أو يظل جزءًا من غشاء الخلية.

ب) الالتقام هي عملية امتصاص الجزيئات الكبيرة في الخلايا. يغزو الغشاء السيتوبلازمي الداخل ويخلق حويصلة نقل. وفقًا لطبيعة الجسيمات المنقولة ، تتم العملية بشكل مختلف:

1. كثرة الخلايا: نقل الجزيئات الكبيرة في المحلول. يمكن أن تكون العملية انتقائية (تحدث فقط من خلال مستقبلات غشاء محددة) أو غير انتقائية (مكان الانغماس عشوائي).

2. البلعمة: ابتلاع الجسيمات الكبيرة. تحيط الخلية في البداية بالجسيم مع نتوءات من الغشاء السيتوبلازمي (كاذبة كاذبة) ثم تحيطه بالحويصلة.

النقل داخل الخلايا

يحدث النقل داخل الخلية عادة من خلال:

1) الانتشار: جزيئات مذابة في وسط مائي من العصارة الخلوية

2) النقل في الحويصلات الإفرازية: تتشكل البروتينات بشكل شائع في الشبكة الإندوبلازمية الخشنة ، يليها نقلها إلى جهاز جولجي. تتفكك الحويصلات الإفرازية أو الجسيمات الحالة من GA ويتم نقلها أيضًا داخل الخلية. يتم تنفيذ هذا النوع من النقل بواسطة البروتينات الحركية (dyneins و kinesins) التي تستخدم ATP من أجل التحرك عبر سطح الأنابيب الدقيقة (يتحرك dynein نحو نهايتها & # 8211 و kinesin نحو نهايتها +) تحمل الحويصلة المرفقة بها. النهاية الثانية.

تجزئة مسارات التمثيل الغذائي

العصارة الخلوية (السيتوبلازم بدون العضيات):

1) استقلاب السكريات: تحلل السكر ، جزء من استحداث السكر ، تحلل الجليكوجين وتخليق الجليكوجين ، دورة البنتوز

2) استقلاب الأحماض الدهنية: تخليق FA

3) التمثيل الغذائي للأحماض الأمينية: تخليق AA غير الضروري ، بعض تفاعلات النقل

4) مسارات أخرى: أجزاء من مسارات تخليق الهيم واليوريا ، واستقلاب البيورينات والبيريميدين

الميتوكوندريا:

1) استقلاب السكريات: PDH ، جزء من استحداث السكر (تحويل البيروفات إلى OAA)

2) Metabolism of fatty acids: beta-oxidation of FA (Linen’s spiral), synthesis (hepatocytes only) and degradation (extrahepatic tissues) of ketone bodies

3) Metabolism of amino acids: oxidative deamination, some of the transamination reactions

4) Other pathways: Krebs cycle, respiratory chain and oxidative phosphorylation, parts of heme and urea synthesis pathways

1) Proteosynthesis (translation of mRNA)

2) Posttranslational modifications (oxidations, cleavage, methylations, phosphorylations, glycosylations)

1) TAG and phospholipid synthesis

2) FA elongation (to a maximal length of 24 carbon atoms – in nerve tissue) and desaturation (maximally at 9 th carbon atom – counted from carboxyl group)

3) Parts of steroid synthesis pathway

4) Biotransformation of xenobiotics

5) Conversion of glucose-6-phosphate to glucose (only in tissues with glucose-6-phosphatase)


New understanding of how bacteria build their protective cell wall

Using a series of chemical and genetic tricks to interrogate a dizzying cast of characters involved in the process of building a cell wall, researchers believe they have discovered the hidden identity of a key enzyme involved in flipping precious cargo from the inside to the outside of a bacterial cell.

It sounds like a hardboiled mystery, but it's the results of research published this month in علم from a team led by microbiologists at Harvard Medical School and Ohio State University.

The bacterial membrane is like an overinflated balloon that would burst without the cell wall, a molecular cage that surrounds the membrane and gives the membrane integrity in the face of the great osmotic pressure exerted on free-living, single-cell organisms. The building blocks of the wall are made inside the cell and need to be secreted through the membrane to the exterior to construct the wall where it's needed. The keys to the hidden passageways that export these building blocks through the membrane have remained mysterious, despite repeated efforts to bring them to light.

Cell wall construction is an important target for antibiotics such as penicillin and bacitracin. When these drugs interfere with cell wall production, bacteria burst and die. Growing concern about the increase in antibiotic resistance has fueled the search for alternative weapons in the fight against resistant bacteria. Because of its prior success as a target, researchers have been trying to learn more about cell wall assembly to discover new ways of blocking it for therapeutic development.

"The more you know about a process, the easier it is to break it," said Thomas Bernhardt, associate professor of microbiology and immunobiology at HMS.

For many years, scientists have known how the basic building blocks of the cell wall are assembled inside the cell cytoplasm, and how the blocks are stitched together on the cell surface to construct the wall. What has remained puzzling is how the bricks needed to build the cell wall are transported across the membrane to the outside, where the wall is assembled.

The wall building blocks consist of sugar molecules linked to a lipid carrier that anchors them to the cell membrane. It has long been thought that bacterial cells possess a transport protein that promotes a flip-flop reaction to move the lipid-linked building blocks from one side of the membrane to the other. However, the identity of this transporter, known as a flippase, has remained mysterious. But now a team of scientists from HMS and OSU have found evidence that the flippase is a protein called MurJ. The researchers are hopeful that this discovery could eventually lead to a new category of antibiotics that block the flipping reaction.

A few candidates for the flippase have been considered, but researchers have been in disagreement over which candidate truly catalyzes the flip-flop. To resolve the issue, a method of detecting the reaction in living cells was needed. However, this was easier said than done.

"It's a subtle change, shifting molecules from one side of the membrane to the other," Bernhardt said. "We needed an exquisitely specific and sensitive assay."

In addition to being small in scale, the cell wall building blocks are rare. In the experiments that the researchers ran, only a few thousand of the millions of lipid molecules in the cell membrane are cell-wall related. Bernhardt's team developed a method using colicins, protein toxins that work like a molecular razor blade, slicing the sugar blocks off their lipid anchors. This releases free sugar blocks not normally produced by cells into the medium that the bacterial cells are floating in. Because the toxins can't penetrate the membrane, they can only snip sugar blocks on the outside. If the sugar blocks are outside, that shows that flipping is underway.

"The first time we were able to see the colicin product I was incredibly excited because I knew we were detecting the flipping reaction," said Lok To (Chris) Sham, a postdoctoral fellow in Bernhardt's lab.

The next step was to use a combination of genetic and chemical techniques to test what happened when the candidate flippases were switched off.

Co-author Natividad Ruiz and her laboratory at OSU had developed strains of bacteria with mutated versions of MurJ that were uniquely susceptible to a chemical that reacts with certain amino acids in proteins. When the chemical was introduced to populations of the bacteria with the mutated MurJ proteins, none of the colicin- generated sugar blocks were found in the medium. This finding indicated that flipping stopped in the absence of MurJ, revealing that MurJ was the hidden flippase.

The team performed similar experiments to test whether turning off the other proteins suspected of being the missing flippase would stop flipping, but in those tests, the bacteria continued to flip sugar blocks.

Each experiment needed to happen quickly. Sham recalled adding the reagent at his bench and running across the hall to the lab's centrifuge to harvest the cells before they could burst and thus destroy the evidence that he needed to collect.

The researchers added that finding a way to make MurJ work as a flippase in test tube models will be important in the next phase of research, as they work to purify MurJ and to monitor the mechanism of the flipping process more closely.

The experiments were done in E. coli, but the researchers suspect this process is common to all bacteria with cell walls.

"We now know what protein is involved in the process," Bernhardt said. "Next we need to delve into the mechanics of the operation, the structure of MurJ and how it promotes transport so that we can plug it with small drug molecules to interfere with the flipping process."

As is often true in the complex world of microbiology, solving one case only leads to new mysteries.


شاهد الفيديو: Sum 41 - Fatlip Official Music Video (أغسطس 2022).