Der lipid bilayer ist eine dünne aus zwei Schichten von lipid Molekülen gemachte Membran. Diese Membranen sind flache Platten, die eine dauernde Barriere um Zellen bilden. Die Zellmembran fast aller lebenden Organismen und vieler Viren wird aus einem lipid bilayer gemacht, wie die Membranen sind, die den Zellkern und die anderen Subzellstrukturen umgeben. Der lipid bilayer ist die Barriere, die Ionen, Proteine und andere Moleküle behält, wo sie erforderlich sind und sie davon abhalten, sich in Gebiete zu verbreiten, wo sie nicht sein sollten. Lipid bilayers wird dieser Rolle ideal angepasst, weil, wenn auch sie nur einige Nanometer in Breite sind, sie für die meisten wasserlöslichen (wasserquellfähigen) Moleküle undurchlässig sind. Bilayers sind für Ionen besonders undurchlässig, der Zellen erlaubt, Salz-Konzentrationen und pH durch das Pumpen von Ionen über ihre Membranen mit Proteinen genannt Ion-Pumpen zu regeln.

Natürliche bilayers werden gewöhnlich größtenteils phospholipids gemacht, die einen wasserquellfähigen Kopf und zwei hydrophobe Schwänze haben. Wenn phospholipids zu Wasser ausgestellt werden, ordnen sie sich in eine zwei-layered Platte (ein bilayer) mit allen ihren Schwänzen ein, die zum Zentrum der Platte hinweisen. Das Zentrum dieses bilayer enthält fast kein Wasser und schließt Moleküle wie Zucker oder Salze aus, die sich in Wasser, aber nicht in Öl auflösen. Dieser Zusammenbau-Prozess ist dem Verschmelzen von Öltröpfchen in Wasser ähnlich und wird durch dieselbe Kraft, genannt die hydrophobe Wirkung gesteuert. Weil lipid bilayers ziemlich zerbrechlich sind und so dünn sind, dass sie in einem traditionellen Mikroskop unsichtbar sind, sind bilayers sehr schwierig, um zu studieren. Experimente auf bilayers verlangen häufig fortgeschrittene Techniken wie Elektronmikroskopie und Atomkraft-Mikroskopie.

Phospholipids mit bestimmten Hauptgruppen kann die Oberflächenchemie eines bilayer verändern und kann zum Beispiel eine Zelle für die Zerstörung durch das Immunsystem kennzeichnen. Schwänze von Lipid können auch Membraneneigenschaften, zum Beispiel durch die Bestimmung der Phase des bilayer betreffen. Der bilayer kann einen festen Gel-Phase-Staat bei niedrigeren Temperaturen annehmen, aber Phase-Übergang zu einem flüssigen Staat bei höheren Temperaturen erleben. Die Verpackung von lipids innerhalb des bilayer betrifft auch seine mechanischen Eigenschaften, einschließlich seines Widerstands gegen das Ausdehnen und Verbiegen. Viele dieser Eigenschaften sind mit dem Gebrauch des künstlichen "Modells" bilayers erzeugt in einem Laboratorium studiert worden. Vesicles, die durch das Modell bilayers gemacht sind, sind auch klinisch verwendet worden, um Rauschgifte zu liefern.

Biologische Membranen schließen normalerweise mehrere Typen von lipids außer phospholipids ein. Ein besonders wichtiges Beispiel in Tierzellen ist Cholesterin, das hilft, den bilayer zu stärken und seine Durchdringbarkeit zu vermindern. Cholesterin hilft auch, die Tätigkeit von bestimmten integrierten Membranenproteinen zu regeln. Integrierte Membranenproteine, fungieren wenn vereinigt, in einen lipid bilayer. Weil bilayers die Grenzen der Zelle und seiner Abteilungen definieren, werden diese Membranenproteine an vielen intra - und Zwischenzellsignalprozesse beteiligt. Bestimmte Arten von Membranenproteinen werden am Prozess beteiligt, zwei bilayers zusammen zu verschmelzen. Diese Fusion erlaubt das Verbinden von zwei verschiedenen Strukturen als in der Fruchtbarmachung eines Eies durch das Sperma oder den Zugang eines Virus in eine Zelle.

Struktur und Organisation

Ein lipid bilayer, auch bekannt als der phospholipid bilayer, sind eine Platte von lipids zwei Moleküle dick, eingeordnet, so dass die wasserquellfähigen Phosphatköpfe zum Wasser auf beiden Seiten des bilayer und des hydrophoben Schwanz-Punkts "in" zum Kern des bilayer hinweisen. Diese Einordnung läuft auf zwei "Flugblätter" hinaus, die jeder eine einzelne molekulare Schicht sind. Lipids selbstversammeln sich in diese Struktur wegen der hydrophoben Wirkung, die eine energisch ungünstige Wechselwirkung zwischen den hydrophoben lipid Schwänzen und dem Umgebungswasser schafft. So wird ein lipid bilayer normalerweise durch völlig non-covalent Kräfte zusammengehalten, die Bildung von chemischen Obligationen zwischen individuellen Molekülen nicht einschließen.

Es gibt einige Ähnlichkeiten zwischen dieser Struktur und einer allgemeinen Seifenblase, obwohl es auch wichtige Unterschiede gibt. Wie illustriert, schließen beide Strukturen zwei Schichten des einzelnen Moleküls einer amphiphilic Substanz ein. Im Fall von einer Seifenblase streichen die zwei Seife-Monoschichten eine vorläufige Wasserschicht an. Die wasserquellfähigen Köpfe werden "in" zu diesem Wasserkern orientiert, während die hydrophoben Schwänze zur Luft hinweisen. Im Fall von einem lipid bilayer wird diese Struktur mit Köpfen und Schwänzen darin umgekehrt. Ein anderer wichtiger Unterschied zwischen lipid bilayers und Seifenblasen ist ihre Verhältnisgröße. Seifenblasen sind normalerweise Hunderte von Nanometern dick auf derselben Ordnung wie die Wellenlänge des Lichtes, das ist, warum Einmischungseffekten Regenbogen-Farben auf einer Luftblase-Oberfläche verursachen. Ein einzelner lipid bilayer ist andererseits ungefähr fünf Nanometer dick, viel kleiner als die Wellenlänge des Lichtes und ist deshalb für das Auge sogar mit einem leichten Standardmikroskop unsichtbar.

Böse Abteilungsanalyse

Der lipid bilayer ist im Vergleich zu seinen seitlichen Dimensionen sehr dünn. Wenn eine typische Säugetierzelle (Diameter ~10 Mikrometer) zur Größe einer Wassermelone vergrößert würde (~1 ft/30 Cm), würde der lipid bilayer Zusammenstellung der Plasmamembran fast so dick sein wie ein Stück von Büropapier. Trotz, nur einige Nanometer dick zu sein, besteht der bilayer aus mehreren verschiedenen chemischen Gebieten über seinen Querschnitt. Diese Gebiete und ihre Wechselwirkungen mit dem Umgebungswasser sind im Laufe der letzten mehreren Jahrzehnte mit dem Röntgenstrahl reflectometry, dem Neutronzerstreuen und den Kernkernspinresonanz-Techniken charakterisiert worden.

Das erste Gebiet auf beiden Seiten des bilayer ist der wasserquellfähige headgroup. Dieser Teil der Membran wird völlig hydratisiert und ist normalerweise ungefähr 0.8-0.9 nm dick. In phospholipid bilayers die Phosphatgruppe wird innerhalb dieses wasserhaltigen Gebiets, etwa 0.5 nm außerhalb des hydrophoben Kerns gelegen. In einigen Fällen kann sich das wasserhaltige Gebiet viel weiter, zum Beispiel in lipids mit einem großen Protein oder langer zum Kopf gepfropfter Zuckerkette ausstrecken. Ein allgemeines Beispiel solch einer Modifizierung in der Natur ist der Lipopolysaccharide-Mantel auf einer Bakterienaußenmembran, die hilft, eine Wasserschicht um die Bakterie zu behalten, um Wasserentzug zu verhindern.

Neben dem wasserhaltigen Gebiet ist ein Zwischengebiet, das nur teilweise hydratisiert wird. Diese Grenzschicht ist etwa 0.3 nm dick. Innerhalb dieser kurzen Entfernung fällt die Wasserkonzentration von 2M auf der headgroup Seite zu fast der Null auf dem Schwanz (Kern) Seite. Der hydrophobe Kern des bilayer ist normalerweise 3-4 nm dicke, aber dieser Wert ändert sich mit der Kettenlänge und Chemie. Kerndicke ändert sich auch bedeutsam mit der Temperatur besonders in der Nähe von einem Phase-Übergang.

Asymmetrie

In vielen, natürlich bilayers vorkommend, sind die Zusammensetzungen der inneren und Außenmembranenflugblätter verschieden. In menschlichen roten Blutzellen wird das innere (cytoplasmic) Flugblatt aus phosphatidylethanolamine, phosphatidylserine und phosphatidylinositol und seinen phosphorylated Ableitungen größtenteils zusammengesetzt. Im Vergleich basiert das (extracellular) Außenflugblatt auf phosphatidylcholine, sphingomyelin und einer Vielfalt von glycolipids In einigen Fällen, diese Asymmetrie basiert darauf, wo die lipids in der Zelle gemacht werden und ihre anfängliche Orientierung widerspiegelt. Die biologischen Funktionen der lipid Asymmetrie werden unvollständig verstanden, obwohl es klar ist, dass es in mehreren verschiedenen Situationen verwendet wird. Zum Beispiel, wenn eine Zelle apoptosis erlebt, wird der phosphatidylserine — normalerweise lokalisiert zum cytoplasmic Flugblatt — der Außenoberfläche übertragen: Dort wird es durch einen macrophage erkannt, der dann aktiv die sterbende Zelle reinigt.

Asymmetrie von Lipid entsteht mindestens teilweise von der Tatsache, dass die meisten phospholipids aufgebaut und am Anfang in die innere Monoschicht eingefügt werden: Diejenigen, die die Außenmonoschicht einsetzen, werden dann zur inneren Monoschicht durch eine Klasse von genanntem flippases von Enzymen transportiert. Andere lipids, wie sphingomyelin, scheinen, am Außenflugblatt aufgebaut zu werden. Flippases sind Mitglieder einer größeren Familie von Lipid-Transportmolekülen, die auch floppases einschließt, die lipids in der entgegengesetzten Richtung und scramblases, der randomize lipid Vertrieb über lipid bilayers (als in apoptotic Zellen) übertragen. Jedenfalls, einmal lipid Asymmetrie wird gegründet sie zerstreut sich schnell nicht normalerweise, weil die spontane Zehensandale von lipids zwischen Flugblättern äußerst langsam ist.

Es ist möglich, diese Asymmetrie im Laboratorium im Modell bilayer Systeme nachzuahmen. Bestimmte Typen von sehr kleinem künstlichem vesicle werden sich ein bisschen asymmetrisch automatisch machen, obwohl der Mechanismus, durch den diese Asymmetrie erzeugt wird, davon in Zellen sehr verschieden ist. Durch das Verwenden zwei verschiedener Monoschichten in der Langmuir-Blodgett Absetzung oder einer Kombination von Langmuir-Blodgett und vesicle brechen Absetzung es ist auch möglich, einen asymmetrischen planaren bilayer zu synthetisieren. Diese Asymmetrie kann mit der Zeit verloren werden, weil lipids in unterstütztem bilayers für die Zehensandale anfällig sein kann.

Phasen und Phase-Übergänge

Bei einer gegebenen Temperatur kann ein lipid bilayer entweder in einer Flüssigkeit oder in einem Gel (feste) Phase bestehen. Alle lipids haben eine charakteristische Temperatur, bei der sie wechseln (schmelzen) vom Gel bis flüssige Phase. In beiden Phasen werden die lipid Moleküle am Flip-Plumpsen über den bilayer verhindert, aber in der flüssigen Phase bilayers ein gegebener lipid wird Positionen mit seinem Nachbar Millionen von Zeiten eine Sekunde austauschen. Dieser zufällige Spaziergang-Austausch erlaubt lipid, sich zu verbreiten und so über die Oberfläche der Membran zu wandern. Verschieden von der flüssigen Phase bilayers werden die lipids in einer Gel-Phase bilayer im Platz geschlossen.

Das Phase-Verhalten von lipid bilayers wird durch die Kraft der attraktiven Wechselwirkungen von Van der Waals zwischen angrenzenden lipid Molekülen größtenteils bestimmt. Länger ist zurückgeblieben lipids haben mehr Gebiet, über das man aufeinander wirkt, die Kraft dieser Wechselwirkung vergrößernd und folglich die lipid Beweglichkeit vermindernd. So, bei einer gegebenen Temperatur, wird ein lipid mit dem kurzen Schwanz mehr Flüssigkeit sein als ein sonst identischer lipid mit dem langen Schwanz. Übergangstemperatur kann auch durch den Grad der Unsättigung der lipid Schwänze betroffen werden. Eine ungesättigte Doppelbindung kann einen Knick in der alkane Kette erzeugen, die Lipid-Verpackung störend. Diese Störung schafft freien Extraraum innerhalb des bilayer, der zusätzliche Flexibilität in den angrenzenden Ketten erlaubt. Ein Beispiel dieser Wirkung kann im täglichen Leben als Butter bemerkt werden, die einen großen Prozentsatz gesättigte Fette hat, ist bei der Raumtemperatur fest, während Pflanzenöl, das größtenteils ungesättigt ist, Flüssigkeit ist.

Die meisten natürlichen Membranen sind eine komplizierte Mischung von verschiedenen lipid Molekülen. Wenn einige der Bestandteile Flüssigkeit bei einer gegebenen Temperatur sind, während andere in der Gel-Phase sind, können die zwei Phasen in räumlich getrennten Gebieten eher wie ein Eisberg koexistieren, der im Ozean schwimmt. Diese Phase-Trennung spielt eine kritische Rolle in biochemischen Phänomenen, weil Membranenbestandteile wie Proteine in eines oder die andere Phase verteilen und so lokal konzentriert werden oder aktiviert werden können. Ein besonders wichtiger Bestandteil von vielen Mischphase-Systemen ist Cholesterin, das bilayer Durchdringbarkeit, mechanische Kraft und biochemische Wechselwirkungen abstimmt.

Oberflächenchemie

Während lipid Schwänze in erster Linie bilayer Phase-Verhalten abstimmen, ist es der headgroup, der die Bilayer-Oberflächenchemie bestimmt. Natürlichste bilayers werden in erster Linie phospholipids zusammengesetzt, obwohl sphingolipids wie sphingomyelin und sterols wie Cholesterin auch wichtige Bestandteile sind. Des phospholipids ist der allgemeinste headgroup phosphatidylcholine (PC), für ungefähr Hälfte des phospholipids in den meisten Säugetierzellen verantwortlich seiend. PC ist ein zwitterionic headgroup, weil er eine negative Anklage auf der Phosphatgruppe und eine positive Anklage auf dem Amin hat, aber, weil diese lokalen Anklagen, keine Nettoanklage balancieren.

Andere headgroups sind auch zu unterschiedlichen Graden da und können phosphatidylserine (PS) phosphatidylethanolamine (PE) und phosphatidylglycerol (Parentale Guidance) einschließen. Diese wechseln ab headgroups teilen häufig spezifische biologische Funktionalität zu, die hoch kontextabhängig ist. Zum Beispiel PS ist die Anwesenheit auf dem extracellular Membranengesicht von erythrocytes ein Anschreiber der Zelle apoptosis, wohingegen PS im Wachstumsteller vesicles für den nucleation von hydroxyapatite Kristallen und nachfolgendem Knochen mineralization notwendig ist. Verschieden vom PC tragen einige der anderen headgroups eine Nettoanklage, die die elektrostatischen Wechselwirkungen von kleinen Molekülen mit dem bilayer verändern kann.

Biologische Rollen

Eindämmung und Trennung

Die primäre Rolle des lipid bilayer in der Biologie soll wässrige Abteilungen von ihren Umgebungen trennen. Ohne eine Form des Barriere-Skizzierens "selbst" von "nichtselbst" ist es schwierig, sogar das Konzept eines Organismus oder des Lebens zu definieren. Diese Barriere nimmt die Form eines lipid bilayer in allen bekannten Lebensformen abgesehen von einigen Arten von archaea an, die eine besonders angepasste lipid Monoschicht verwerten. Es ist sogar vorgeschlagen worden, dass die allererste Form des Lebens ein einfacher lipid vesicle mit eigentlich seiner alleinigen biosynthetic Fähigkeit gewesen sein kann, die die Produktion von mehr phospholipids ist. Die Verteilen-Fähigkeit des lipid bilayer basiert auf der Tatsache, dass wasserquellfähige Moleküle den hydrophoben bilayer Kern, wie besprochen, im Transport über den bilayer unten nicht leicht durchqueren können.

Prokaryotes haben nur einen lipid bilayer-die Zellmembran (auch bekannt als die Plasmamembran). Viele prokaryotes haben auch eine Zellwand, aber die Zellwand wird aus Proteinen oder langen Kettenkohlenhydraten, nicht lipids zusammengesetzt. Im Gegensatz haben eukaryotes eine Reihe von organelles einschließlich des Kerns, mitochondria, lysosomes und endoplasmic reticulum. Alle diese Subzellabteilungen werden durch einen oder mehr lipid bilayers umgeben und umfassen zusammen normalerweise die Mehrheit der bilayer Bereichsgegenwart in der Zelle. In der Leber hepatocytes zum Beispiel ist die Plasmamembran für nur zwei Prozent des bilayer Gesamtgebiets der Zelle verantwortlich, wohingegen der endoplasmic reticulum mehr als fünfzig Prozent und der mitochondria weitere dreißig Prozent enthält.

Nachrichtenübermittlung

Wahrscheinlich ist die vertrauteste Form der Zellnachrichtenübermittlung synaptic Übertragung, wodurch ein Nervenimpuls, der das Ende eines Neurons erreicht hat, zu einem angrenzenden Neuron über die Ausgabe von neurotransmitters befördert wird. Diese Übertragung wird möglich durch die Handlung von synaptic vesicles geladen mit dem zu veröffentlichenden neurotransmitters gemacht. Diese vesicles verschmelzen mit der Zellmembran am pre-synaptic Terminal und der Ausgabe seinen Inhalt zum Äußeren der Zelle. Der Inhalt verbreitet sich dann über die Synapse zum post-synaptic Terminal.

Lipid bilayers werden auch am Signal transduction durch ihre Rolle als das Haus von integrierten Membranenproteinen beteiligt. Das ist eine äußerst breite und wichtige Klasse von biomolecule. Es wird geschätzt, dass bis zu ein Drittel des menschlichen proteome Membranenproteine sein kann. Einige dieser Proteine werden mit dem Äußeren der Zellmembran verbunden. Ein Beispiel davon ist das CD59 Protein, das Zellen als "selbst" identifiziert und so ihre Zerstörung durch das Immunsystem hemmt. Das HIV-Virus weicht dem Immunsystem teilweise durch das Verpflanzen dieser Proteine von der Gastgeber-Membran auf seine eigene Oberfläche aus. Wechselweise dringen einige Membranenproteine den ganzen Weg durch den bilayer ein und dienen, um individuelle Signalereignisse von außen zum Inneren der Zelle weiterzugeben. Die allgemeinste Klasse dieses Typs des Proteins ist der G Protein-verbundene Empfänger (GPCR). GPCRs sind für viel Fähigkeit der Zelle verantwortlich, seine Umgebungen und wegen dieser wichtigen Rolle zu fühlen, etwa 40 % aller modernen Rauschgifte werden an GPCRs ins Visier genommen.

Zusätzlich zum Protein - und Lösungsvermittelte Prozesse ist es auch für lipid bilayers möglich, direkt an der Nachrichtenübermittlung teilzunehmen. Ein klassisches Beispiel davon wird phagocytosis phosphatidylserine-ausgelöst. Normalerweise wird phosphatidylserine in der Zellmembran asymmetrisch verteilt und ist nur auf der Innenseite da. Während des programmierten Zelltodes hat ein Protein einen scramblase equilibrates diesen Vertrieb genannt, phosphatidylserine auf dem extracellular bilayer Gesicht zeigend. Die Anwesenheit von phosphatidylserine löst dann phagocytosis aus, um die Toten oder sterbende Zelle zu entfernen.

Charakterisierungsmethoden

Der lipid bilayer ist eine sehr schwierige Struktur, um zu studieren, weil es so dünn und zerbrechlich ist. Trotz dieser Beschränkungsdutzende von Techniken sind im Laufe der letzten siebzig Jahre entwickelt worden, um Untersuchungen seiner Struktur und Funktion zu erlauben.

Elektrische Maße sind eine aufrichtige Weise, eine wichtige Funktion eines bilayer zu charakterisieren: Seine Fähigkeit, den Fluss von Ionen in der Lösung sich abzusondern und zu verhindern. Durch die Verwendung einer Stromspannung über den bilayer und das Messen des resultierenden Stroms wird der Widerstand des bilayer bestimmt. Dieser Widerstand ist normalerweise ziemlich hoch, da der hydrophobe Kern für beladene Arten undurchlässig ist. Die Anwesenheit sogar einiger Löcher der Nanometer-Skala läuft auf eine dramatische Zunahme im Strom hinaus. Die Empfindlichkeit dieses Systems ist solch, dass sogar die Tätigkeit von einzelnen Ion-Kanälen aufgelöst werden kann.

Elektrische Maße stellen kein wirkliches Bild wie Bildaufbereitung mit einem Mikroskop zur Verfügung kann. Lipid bilayers kann in einem traditionellen Mikroskop nicht gesehen werden, weil sie zu dünn sind. Um bilayers zu sehen, verwenden Forscher häufig Fluoreszenz-Mikroskopie. Eine Probe ist mit einer Wellenlänge des Lichtes aufgeregt und in einer verschiedenen Wellenlänge beobachtet, so dass nur Leuchtstoffmoleküle mit einer zusammenpassenden Erregung und Emissionsprofil gesehen werden. Natürliche lipid bilayers sind nicht Leuchtstoff-, so wird ein Färbemittel dass Attachés zu den gewünschten Molekülen im bilayer verwendet. Entschlossenheit wird gewöhnlich auf einige hundert Nanometer beschränkt, viel kleiner als eine typische Zelle, aber viel größer als die Dicke eines lipid bilayer.

Elektronmikroskopie bietet ein höheres Entschlossenheitsimage an. In einem Elektronmikroskop wirkt ein Balken von eingestellten Elektronen mit der Probe aber nicht einem Lichtstrahl als in der traditionellen Mikroskopie aufeinander. In Verbindung mit schnellen eiskalten Techniken ist Elektronmikroskopie auch verwendet worden, um die Mechanismen zwischen - und intrazellulärer Transport zum Beispiel im Demonstrieren zu studieren, dass exocytotic vesicles die Mittel der chemischen Ausgabe an Synapsen sind.

P-NMR (Kernkernspinresonanz) Spektroskopie wird für Studien von phospholipid bilayers und biologischen Membranen in heimischen Bedingungen weit verwendet. Die Analyse von P-NMR Spektren von lipids konnte eine breite Reihe der Information über lipid bilayer Verpackung, Phase-Übergänge (Gel-Phase, physiologische flüssige Kristallphase, Kräuselungsphasen, nicht bilayer Phasen), lipid Hauptgruppenorientierung/Dynamik und elastische Eigenschaften von reinem lipid bilayer und infolge der Schwergängigkeit von Proteinen und anderem biomolecules zur Verfügung stellen.

Außerdem, ein spezifischer H-N... (O)-P NMR Experiment (UNGESCHICKTE Übertragung durch die Skalarkopplung 3JH-P~5 Hz) konnte eine direkte Auskunft über die Bildung von Wasserstoffobligationen zwischen mitten in Protonen des Proteins zu Phosphat von lipid headgroups geben, der in Studien von Wechselwirkungen des Proteins/Membran nützlich ist.

Eine neue Methode, lipid bilayers zu studieren, ist Atomkraft-Mikroskopie (AFM). Anstatt einen Lichtstrahl oder Partikeln zu verwenden, scannt ein sehr kleiner geschärfter Tipp die Oberfläche durch das Herstellen des physischen Kontakts mit dem bilayer und das Bewältigen davon wie eine Rekordspieler-Nadel. AFM ist eine viel versprechende Technik, weil er das Potenzial zum Image mit der Nanometer-Entschlossenheit bei der Raumtemperatur und sogar unter dem physiologischen oder Wasserpuffer, für das natürliche bilayer Verhalten notwendige Bedingungen hat. Diese Fähigkeit verwertend, ist AFM verwendet worden, um dynamisches bilayer Verhalten einschließlich der Bildung von Transmembrane-Poren (Löcher) zu untersuchen und unterstützten bilayers von Übergängen stufenweise einzuführen. Ein anderer Vorteil besteht darin, dass AFM Leuchtstoff- oder das Isotopic-Beschriften des lipids nicht verlangt, da der Untersuchungstipp mechanisch mit der Bilayer-Oberfläche aufeinander wirkt. Wegen dessen kann dasselbe Ansehen sowohl lipids als auch vereinigte Proteine manchmal sogar mit der Entschlossenheit des einzelnen Moleküls darstellen. AFM kann auch die mechanische Natur von lipid bilayers untersuchen.

Lipid bilayers stellen hohe Niveaus der Doppelbrechung aus, wo sich der Brechungsindex im Flugzeug des bilayer von dieser Senkrechte durch nicht weniger als 0.1 Brechungsindex-Einheiten unterscheidet. Das ist verwendet worden, um den Grad der Ordnung und Störung in bilayers das Verwenden der Doppelpolarisation interferometry zu charakterisieren, um Mechanismen der Protein-Wechselwirkung zu verstehen.

Transport über den bilayer

Passive Verbreitung

Die meisten polaren Moleküle haben niedrige Löslichkeit im Kohlenwasserstoff-Kern eines lipid bilayer und haben folglich niedrige Durchdringbarkeitskoeffizienten über den bilayer. Diese Wirkung wird besonders für beladene Arten ausgesprochen, die noch niedrigere Durchdringbarkeitskoeffizienten haben als neutrale polare Moleküle. Anionen haben normalerweise eine höhere Diffusionsgeschwindigkeit durch bilayers als cations. Im Vergleich zu Ionen haben Wassermoleküle wirklich eine relativ große Durchdringbarkeit durch den bilayer, wie gezeigt, durch osmotische Schwellung. Wenn eine Zelle oder vesicle mit einer hohen Innensalz-Konzentration in eine Lösung mit einer niedrigen Salz-Konzentration gelegt werden, wird es schwellen und schließlich platzen. Solch ein Ergebnis würde nicht beobachtet, wenn Wasser nicht im Stande gewesen ist, den bilayer mit der Verhältnisbequemlichkeit durchzuführen. Die anomal große Durchdringbarkeit von Wasser durch bilayers wird noch immer nicht völlig verstanden und setzt fort, das Thema der aktiven Debatte zu sein. Kleine unbeladene apolar Moleküle gießen durch lipid bilayers viele Größenordnungen schneller aus als Ionen oder Wasser. Das gilt sowohl für Fette als auch für organische Lösungsmittel wie Chloroform und Äther. Unabhängig von ihrem polaren Charakter verbreiten sich größere Moleküle langsamer über lipid bilayers als kleine Moleküle.

Ion-Pumpen und Kanäle

Zwei spezielle Klassen des Proteins befassen sich mit den ionischen Anstiegen, die über Zell- und Subzellmembranen in der Natur - Ion-Kanäle und Ion-Pumpen gefunden sind. Sowohl Pumpen als auch Kanäle sind integrierte Membranenproteine, die den bilayer durchführen, aber ihre Rollen sind ziemlich verschieden. Ion-Pumpen sind die Proteine, die bauen und die chemischen Anstiege durch das Verwenden einer Außenenergiequelle aufrechterhalten, um Ionen gegen den Konzentrationsanstieg zu einem Gebiet des höheren chemischen Potenzials zu bewegen. Die Energiequelle kann ATP sein, wie für den Na-K ATPase der Fall ist. Wechselweise kann die Energiequelle ein anderer chemischer Anstieg bereits im Platz, als im Ca/Na Antigepäckträger sein. Es ist durch die Handlung von Ion-Pumpen, dass Zellen im Stande sind, pH über das Pumpen von Protonen zu regeln.

Im Gegensatz zu Ion-Pumpen bauen Ion-Kanäle chemische Anstiege nicht, aber zerstreuen sie eher, um Arbeit durchzuführen oder ein Signal zu senden. Wahrscheinlich ist das vertrauteste und beste studierte Beispiel die Stromspannung-gated Kanal von Na, der Leitung eines Handlungspotenzials entlang Neuronen erlaubt. Alle Ion-Pumpen haben eine Art Abzug oder "gating" Mechanismus. Im vorherigen Beispiel war es elektrische Neigung, aber andere Kanäle können durch die Schwergängigkeit eines molekularen agonist oder durch eine Conformational-Änderung in einem anderen nahe gelegenen Protein aktiviert werden.

Endocytosis und exocytosis

Einige Moleküle oder Partikeln sind zu groß oder zu wasserquellfähig, um einen lipid bilayer effektiv durchzuführen. Andere Moleküle konnten den bilayer durchführen, aber müssen schnell in solcher großer Anzahl transportiert werden, dass Kanaltyp-Transport unpraktisch ist. In beiden Fällen können diese Typen der Ladung über die Zellmembran durch die Fusion oder das Knospen von vesicles bewegt werden. Wenn ein vesicle innerhalb der Zelle und Sicherungen mit der Plasmamembran erzeugt wird, um seinen Inhalt in den extracellular Raum zu veröffentlichen, ist dieser Prozess als exocytosis bekannt. Im Rückprozess wird ein Gebiet der Zellmembran nach innen Grübchen bekommen und schließlich drücken von, einen Teil von extracellular Flüssigkeit einschließend, um es in die Zelle zu transportieren. Endocytosis und exocytosis verlassen sich auf die sehr verschiedene molekulare Maschinerie, um zu fungieren, aber die zwei Prozesse werden vertraut verbunden und konnten ohne einander nicht arbeiten. Der primäre Mechanismus diese Korrelation ist das bloße Volumen des lipid beteiligten Materials. In einer typischen Zelle wird ein Gebiet der bilayer Entsprechung zur kompletten Plasmamembran durch den endocytosis/exocytosis Zyklus in ungefähr einer halben Stunde reisen. Wenn diese zwei Prozesse einander nicht erwögen, würde sich die Zelle entweder äußer zu einer schwer zu handhabenden Größe blähen oder völlig seine Plasmamembran innerhalb einer Sache von Minuten entleeren.

Electroporation

Electroporation ist die Eskalation in der bilayer Durchdringbarkeit, die durch die Anwendung eines großen künstlichen elektrischen Feldes über die Membran veranlasst ist. Experimentell wird electroporation verwendet, um wasserquellfähige Moleküle in Zellen einzuführen. Es ist eine besonders nützliche Technik für große hoch beladene Moleküle wie DNA, die sich über den hydrophoben bilayer Kern nie passiv verbreiten würde. Wegen dessen ist electroporation eine der Schlüsselmethoden von transfection sowie Bakterientransformation. Es ist sogar vorgeschlagen worden, dass electroporation, der sich aus Blitzschlägen ergibt, ein Mechanismus der natürlichen horizontalen Genübertragung sein konnte.

Diese Zunahme in der Durchdringbarkeit betrifft in erster Linie Transport von Ionen und anderen wasserhaltigen Arten, anzeigend, dass der Mechanismus die Entwicklung der Nm-Skala wassergefüllte Löcher in der Membran ist. Obwohl electroporation und dielektrische Depression beides Ergebnis von Anwendung eines elektrischen Feldes, die beteiligten Mechanismen im Wesentlichen verschieden sind. In der dielektrischen Depression wird das Barriere-Material ionisiert, einen leitenden Pfad schaffend. Die materielle Modifizierung ist so in der Natur chemisch. Im Gegensatz während electroporation werden die lipid Moleküle nicht chemisch verändert, aber wechseln einfach Position aus, eine Pore öffnend, die als der leitende Pfad durch den bilayer handelt, weil es mit Wasser gefüllt wird.

Mechanik

Lipid bilayers sind große genug Strukturen, um einige der mechanischen Eigenschaften von Flüssigkeiten oder Festkörpern zu haben. Das Bereichskompressionsmodul K, Modul K und Rand-Energie biegend, kann verwendet werden, um sie zu beschreiben. Feste lipid bilayers haben auch ein Schubmodul, aber wie jede Flüssigkeit ist das Schubmodul Null für Flüssigkeit bilayers. Diese mechanischen Eigenschaften betreffen, wie die Membran fungiert. K und K betreffen die Fähigkeit von Proteinen und kleinen Molekülen, um in den bilayer einzufügen, und, wie man gezeigt hat, haben bilayer mechanische Eigenschaften die Funktion mechanisch aktivierter Ion-Kanäle verändert. Mechanische Eigenschaften von Bilayer regeln auch das, welchen Typen der Betonung eine Zelle ohne das Reißen widerstehen kann. Obwohl sich lipid bilayers leicht biegen kann, können sich die meisten nicht mehr strecken als einiges Prozent vor dem Brechen.

Wie besprochen, in der Struktur und Organisationsabteilung ist die hydrophobe Anziehungskraft von lipid Schwänzen in Wasser die primäre Kraft, die lipid bilayers zusammen hält. So wird das elastische Modul des bilayer in erster Linie dadurch bestimmt, wie viel Extragebiet zu Wasser ausgestellt wird, wenn die lipid Moleküle einzeln gestreckt werden. Es überrascht gegeben dieses Verstehen der beteiligten Kräfte nicht, der studiert, haben gezeigt, dass sich K stark mit dem osmotischen Druck, aber nur schwach mit der Schwanz-Länge und Unsättigung ändert. Weil die beteiligten Kräfte so klein sind, ist es schwierig, K experimentell zu bestimmen. Die meisten Techniken verlangen hoch entwickelte Mikroskopie und sehr empfindliche Maß-Ausrüstung.

Im Gegensatz zu K, der ein Maß dessen ist, wie viel Energie erforderlich ist, um den bilayer zu strecken, ist K ein Maß dessen, wie viel Energie erforderlich ist, um den bilayer zu biegen oder zu beugen. Formell wird das Verbiegen des Moduls als die Energie definiert, die erforderlich ist, eine Membran von seiner inneren Krümmung bis eine andere Krümmung zu deformieren. Innere Krümmung wird durch das Verhältnis des Diameters der Hauptgruppe zu dieser der Schwanz-Gruppe definiert. Für den Zwei-Schwänze-PC lipids ist dieses Verhältnis fast ein, so ist die innere Krümmung fast Null. Wenn ein besonderer lipid eine zu große Abweichung von der inneren Nullkrümmung hat, wird es keinen bilayer bilden und wird stattdessen andere Phasen wie micelles oder umgekehrter micelles bilden. Gewöhnlich wird K experimentell nicht gemessen, aber wird eher von Maßen von K und bilayer Dicke berechnet, da die drei Rahmen verbunden sind.

ist ein Maß dessen, wie viel Energie man braucht, um einen bilayer Rand zu Wasser durch das Reißen des bilayer oder das Schaffen eines Loches darin auszustellen. Der Ursprung dieser Energie ist die Tatsache, dass das Schaffen solch einer Schnittstelle einige der lipid Schwänze zu Wasser ausstellt, aber die genaue Orientierung von diesen grenzt an, ist lipids unbekannt. Es gibt einige Beweise, dass beide hydrophob (Schwänze gerade) und wasserquellfähig (Köpfe, die ringsherum gebogen sind) Poren, koexistieren können.

Fusion

Fusion ist der Prozess durch der zwei lipid bilayers Verflechtung, auf eine verbundene Struktur hinauslaufend. Wenn diese Fusion völlig durch beide Flugblätter sowohl von bilayers weitergeht, wird eine wassergefüllte Brücke gebildet als auch die durch den bilayers enthaltenen Lösungen kann sich vermischen. Wechselweise, wenn nur ein Flugblatt von jedem bilayer am Fusionsprozess beteiligt wird, wie man sagt, sind die bilayers hemifused. Fusion wird an vielen Zellprozessen besonders an eukaryotes beteiligt, da die eukaryotic Zelle durch lipid bilayer Membranen umfassend unterteilt wird. Exocytosis, Fruchtbarmachung eines Eies durch das Sperma und den Transport von Abfallprodukten zum lysozome sind einige der vielen Eukaryotic-Prozesse, die sich auf eine Form der Fusion verlassen. Sogar der Zugang von pathogens kann durch die Fusion geregelt werden, weil viele bilayer-gekleidete Viren Fusionsproteine gewidmet haben, um Zugang in die Gastgeber-Zelle zu gewinnen.

Es gibt vier grundsätzliche Schritte im Fusionsprozess. Erstens müssen die beteiligten Membranen ansammeln, sich zu innerhalb von mehreren Nanometern nähernd. Zweitens müssen die zwei bilayers in sehr nahen Kontakt (innerhalb von einigen Angströmen) eintreten. Um diesen nahen Kontakt zu erreichen, müssen die zwei Oberflächen mindestens teilweise dehydriert werden, weil das bestimmte Oberflächenwasser normalerweise Ursachen bilayers präsentiert, um stark zurückzutreiben. Die Anwesenheit von Ionen, besonders divalent cations wie Magnesium und Kalzium, betrifft stark diesen Schritt. Eine der kritischen Rollen von Kalzium im Körper regelt Membranenfusion. Drittens muss sich eine Destabilisierung einmal zwischen den zwei bilayers formen, lokal ihre Strukturen verdrehend. Die genaue Natur dieser Verzerrung ist nicht bekannt. Eine Theorie besteht darin, dass sich ein hoch gekrümmter "Stiel" zwischen den zwei bilayers formen muss. Befürworter dieser Theorie glauben, dass sie erklärt, warum phosphatidylethanolamine, ein hoch gekrümmter lipid, Fusion fördert. Schließlich, im letzten Schritt der Fusion, wächst dieser Punkt-Defekt und die Bestandteile der zwei Bilayers-Mischung und weitschweifig weg von der Seite des Kontakts.

Die Situation wird weiter kompliziert, wenn man Fusion in vivo denkt, da biologische Fusion fast immer durch die Handlung von membranenverbundenen Proteinen geregelt wird. Die ersten von diesen zu studierenden Proteinen waren die Virenfusionsproteine, die einem eingewickelten Virus erlauben, sein genetisches Material in die Gastgeber-Zelle einzufügen (eingewickelte Viren sind diejenigen, die durch einen lipid bilayer umgeben sind; einige andere haben nur einen Protein-Mantel).Eukaryotic Zellen verwenden auch Fusionsproteine, das studierte beste, von denen die SCHLINGEN sind. SCHLINGE-Proteine werden verwendet, um den ganzen blasenförmigen intrazellulären Schwarzhandel zu leiten. Trotz Jahre der Studie ist viel noch über die Funktion dieser Protein-Klasse unbekannt. Tatsächlich gibt es noch eine aktive Debatte bezüglich, ob SCHLINGEN mit dem frühen Docken verbunden werden oder später am Fusionsprozess durch die Erleichterung hemifusion teilnehmen.

In Studien der molekularen und zellularen Biologie ist es häufig wünschenswert, Fusion künstlich zu veranlassen. Die Hinzufügung des Polyäthylen-Glykols (HAKEN) verursacht Fusion ohne bedeutende Ansammlung oder biochemische Störung. Dieses Verfahren wird jetzt umfassend, zum Beispiel durch das Schmelzen von B-Zellen mit Melanom-Zellen verwendet. Der resultierende "hybridoma" von dieser Kombination drückt einen gewünschten Antikörper, wie bestimmt, durch die B-Zelle beteiligt aus, aber wird wegen des Melanom-Bestandteils unsterblich gemacht. Fusion kann auch durch electroporation in einem Prozess bekannt als electrofusion künstlich veranlasst werden. Es wird geglaubt, dass sich dieses Phänomen aus den energisch aktiven Rändern ergibt, die während electroporation gebildet sind, der als der lokale Defekt-Punkt zum Nucleate-Stiel-Wachstum zwischen zwei bilayers handeln kann.

Mustersysteme

Lipid bilayers kann künstlich im Laboratorium geschaffen werden, um Forschern zu erlauben, Experimente durchzuführen, die mit natürlichem bilayers nicht getan werden können. Diese synthetischen Systeme werden Modell lipid bilayers genannt. Es gibt viele verschiedene Typen des Modells bilayers, jeder, im Vorteil und Nachteile seiend. Sie können entweder mit synthetischem oder mit natürlichem lipids gemacht werden. Unter den allgemeinsten Mustersystemen sind:

• Schwarze lipid Membranen (BLM)
• Unterstützter lipid bilayers (SLB)
• Angebundene Bilayer Lipid Membranen (t-BLM)
• Vesicles

Kommerzielle Anwendungen

Bis heute ist die erfolgreichste kommerzielle Anwendung von lipid bilayers der Gebrauch von liposomes für die Rauschgift-Übergabe besonders für die Krebs-Behandlung gewesen. (Bemerken Sie - der Begriff "liposome" ist mit "vesicle" im Wesentlichen synonymisch, außer dass vesicle ein allgemeiner Begriff für die Struktur ist, wohingegen sich liposome nur auf den künstlichen, nicht natürlichen vesicles bezieht), besteht Die Grundidee der liposomal Rauschgift-Übergabe darin, dass das Rauschgift in der Lösung innerhalb des in den Patienten dann eingespritzten liposome kurz zusammengefasst wird. Diese Rauschgift-geladenen liposomes reisen durch das System, bis sie an der Zielseite und dem Bruch binden, das Rauschgift veröffentlichend. In der Theorie sollte liposomes ein ideales Rauschgift-Liefersystem machen, da sie fast jedes wasserquellfähige Rauschgift isolieren können, mit Molekülen gepfropft werden können, um spezifische Gewebe ins Visier zu nehmen, und relativ nichttoxisch sein können, da der Körper biochemische Pfade besitzt, um lipids zu erniedrigen.

Die erste Generation der Rauschgift-Übergabe liposomes hatte eine einfache lipid Zusammensetzung und hat unter mehreren Beschränkungen gelitten. Der Umlauf im Blutstrom wurde sowohl wegen der Nierenreinigung als auch wegen phagocytosis äußerst beschränkt. Die Verbesserung der lipid Zusammensetzung, um Flüssigkeit, Flächenladungsdichte und Oberflächenhydratation abzustimmen, ist auf vesicles hinausgelaufen, die weniger Proteine vom Serum adsorbieren und so durch das Immunsystem weniger sogleich anerkannt werden. Der bedeutendste Fortschritt in diesem Gebiet war das Verpflanzen des Polyäthylen-Glykols (HAKEN) auf die Liposome-Oberfläche, "um Heimlichkeit" vesicles zu erzeugen, die im Laufe langer Zeiten ohne geschützte oder Nierenreinigung zirkulieren.

Die erste Heimlichkeit liposomes wurde an Geschwulst-Geweben passiv ins Visier genommen. Weil Geschwülste schnellen und nicht kontrollierten angiogenesis veranlassen, sind sie "besonders undicht" und erlauben liposomes, über den Blutstrom an einer viel höheren Rate zu herrschen, als normales Gewebe würde. Mehr kürzlich ist Arbeit übernommen worden, um Antikörper oder andere molekulare Anschreiber auf die Liposome-Oberfläche in der Hoffnung auf aktiv verbindliche sie zu einer spezifischen Zelle oder Gewebetyp zu pfropfen. Einige Beispiele dieser Annäherung sind bereits in klinischen Proben.

Eine andere potenzielle Anwendung von lipid bilayers ist das Feld von biosensors. Seit dem lipid ist bilayer die Barriere zwischen dem Interieur und Äußeren der Zelle es ist auch die Seite des umfassenden Signals transduction. Forscher haben im Laufe der Jahre versucht, dieses Potenzial anzuspannen, um ein mit Sitz in bilayer Gerät für die klinische Diagnose oder bioterrorism Entdeckung zu entwickeln. Fortschritt ist in diesem Gebiet langsam gewesen und, obwohl einige Gesellschaften automatisierte mit Sitz in lipid Entdeckungssysteme entwickelt haben, werden sie noch an der Forschungsgemeinschaft ins Visier genommen. Diese schließen Biacore Lebenswissenschaften ein, der einen Einwegspan anbietet, um lipid bilayers in Studien der verbindlichen Kinetik und Nanion Inc zu verwerten, die ein automatisiertes Fleck-Festklemmen-System entwickelt hat. Anderer werden exotischere Anwendungen auch wie der Gebrauch von lipid bilayer Membranenporen für die DNA sequencing durch Oxford Nanolabs verfolgt. Bis heute hat sich diese Technologie gewerblich lebensfähig nicht erwiesen.

Unterstützter lipid bilayer (SLB), hat wie beschrieben, oben kommerziellen Erfolg als eine Abschirmungstechnik erreicht, um die Durchdringbarkeit von Rauschgiften zu messen. Diese parallele künstliche Membranendurchdringbarkeit prüft PAMPAS-Technik-Maßnahmen die Durchdringbarkeit über das spezifisch formulierte lipid Cocktail (S), das gefunden ist, mit Caco-2 Kulturen, der gastrointestinal Fläche, Blutgehirnbarriere und Haut hoch aufeinander bezogen zu werden.

Geschichte

Bis zum Anfang von Wissenschaftlern des zwanzigsten Jahrhunderts war gekommen, um zu glauben, dass Zellen durch eine dünne ölähnliche Barriere umgeben werden, aber die Strukturnatur dieser Membran war nicht bekannt. Zwei Experimente 1925 haben den Grundstein gelegt, um diese Lücke auszufüllen. Indem er die Kapazität von erythrocyte Lösungen gemessen hat, hat Hugo Fricke beschlossen, dass die Zellmembran 3.3 nm dicke war.

Obwohl die Ergebnisse dieses Experimentes genau waren, hat Fricke die Daten missdeutet, um zu bedeuten, dass die Zellmembran eine einzelne molekulare Schicht ist. Prof. Dr Evert Gorter (1881-1954) und F. Grendel von Leiden Universität haben sich dem Problem von einer verschiedenen Perspektive genähert, den erythrocyte lipids als eine Monoschicht auf einem Langmuir-Blodgett Trog ausbreitend. Als sie das Gebiet der Monoschicht zur Fläche der Zellen verglichen haben, haben sie ein Verhältnis zwei zu einem gefunden. Spätere Analysen haben mehrere Fehler und falsche Annahmen mit diesem Experiment gezeigt, aber, serendipitously, diese Fehler annulliert und davon rissig gemachte Daten haben Gorter und Grendel den richtigen Schluss gezogen - dass die Zellmembran ein lipid bilayer ist.

Diese Theorie wurde durch den Gebrauch der Elektronmikroskopie gegen Ende der 1950er Jahre bestätigt. Obwohl er die erste Elektronmikroskopie-Studie von lipid bilayers nicht veröffentlicht hat, war J. David Robertson erst, um zu behaupten, dass die zwei dunklen elektrondichten Bänder der headgroups waren und Proteine von zwei apposed lipid Monoschichten vereinigt haben. In diesem Körper der Arbeit hat Robertson das Konzept der "Einheitsmembran vorgebracht." Das war das erste Mal, als die bilayer Struktur allen Zellmembranen sowie organelle Membranen allgemein zugeteilt worden war.

Um dieselbe Zeit hat die Entwicklung von Mustermembranen bestätigt, dass der lipid bilayer eine stabile Struktur ist, die unabhängig von Proteinen bestehen kann. Indem sie eine Lösung von lipid im organischen Lösungsmittel über eine Öffnung "gemalt" haben, sind Mueller und Rudin im Stande gewesen, einen künstlichen bilayer zu schaffen und zu beschließen, dass diese ausgestellte seitliche Flüssigkeit, hoher elektrischer Widerstand und als Antwort auf Einstich selbstheilend, von denen alle Eigenschaften einer natürlichen Zellmembran sind. Ein paar Jahre später hat Alec Bangham gezeigt, dass bilayers, in der Form von lipid vesicles, auch einfach durch das Herausstellen einer ausgetrockneten lipid Probe zu Wasser gebildet werden konnte. Das war ein wichtiger Fortschritt, seitdem er demonstriert hat, dass lipid bilayers Form spontan über selbst Zusammenbau und keine gemusterte Unterstützungsstruktur verlangen.

Siehe auch

• Zellmembran
• Lipid
• Biologische Membran
• Vesicle
• Liposome
• Phospholipid
• Electroporation
• Membranenprotein
• Micelles
• Seifenblase

Links

• Avanti Lipids Einer der größten kommerziellen Lieferanten von lipids. Technische Information über lipid Eigenschaften und das Berühren und lipid bilayer Vorbereitungstechniken.
• LIPIDAT Eine umfassende Datenbank von lipid physikalischen Eigenschaften
• Die Struktur von Lipid Bilayers Flüssigen Simulationen und Veröffentlichungsverbindungen hat sich auf die böse Schnittstruktur von lipid bilayers bezogen.
• Lipid Bilayers und der Gramicidin Kanal (verlangt Java Steck-), Bilder und Kino, die Ergebnisse von molekularen Dynamik-Simulationen von lipid bilayers zeigend.
• Struktur von Flüssigem Lipid Bilayers, vom Laboratorium von Stephen White an der Universität Kaliforniens, Irvine
• Zeichentrickfilme von lipid bilayer Dynamik (verlangt Blitz Steck-)