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[[uk:Ліпідний бішар]]
[[vi:Lớp lipid kép]]
bicamada lipídica
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Este fluido lipídico seção transversal bicamada é composto inteiramente de fosfatidilcolina.
A bicamada lipídica é uma membrana fina feita de duas camadas de lipídios moléculas. Estas membranas são folhas planas que formam uma barreira contínua ao redor de células. A membrana celular de quase todos os organismos vivos e muitos vírus são constituídos por uma bicamada lipídica, como são as membranas que envolvem o núcleo da célula e outras estruturas sub-celulares. A bicamada lipídica é a barreira que mantém os íons, proteínas e outras moléculas, onde eles são necessários e os impede de difusão em áreas onde não deveriam estar. bicamadas lipídicas são ideais para este papel porque, apesar de serem apenas alguns nanômetros de espessura, são impermeáveis à maioria solúveis em água (hidrófila) das moléculas. Bicamadas são particularmente impermeável aos íons, o que permite que as células regulam as concentrações de sal e pH pelo bombeamento de íons através das suas membranas utilizando proteínas chamadas bombas de íons.
bicamadas naturais são normalmente feitos principalmente de fosfolipídios, que têm uma cabeça hidrofílica e dois hidrofóbica cauda. Quando fosfolipídios são expostos a água, eles se organizam em uma folha de duas camadas (uma camada dupla) com todas as suas caudas em direção ao centro da folha. O centro da bicamada contém quase nenhuma água e também exclui moléculas como açúcares ou sais que se dissolvem na água, mas não em óleo. Este processo de montagem é semelhante à coalescência das gotículas de óleo em água e é impulsionado pela mesma força, o chamado efeito hidrofóbico. Porque bicamadas lipídicas são muito frágeis e são tão finos que são invisíveis ao microscópio tradicional, bicamadas são muito desafiantes para estudar. Experimentos em bicamadas muitas vezes requerem técnicas avançadas como microscopia eletrônica e microscopia de força atômica.
Fosfolipídios com grupos determinados cabeça pode alterar a química da superfície de uma bicamada e pode, por exemplo, marca de uma célula para destruição pelo sistema imunológico. caudas lipídico também pode afetar as propriedades da membrana, por exemplo, a determinação da fase da bicamada. A bicamada pode adotar um sólido gel estado de fase a temperaturas mais baixas, mas sofrem de transição de fase para um estado líquido em temperaturas mais elevadas. A embalagem de lipídios no interior da bicamada também afeta suas propriedades mecânicas, incluindo sua resistência ao alongamento e flexão. Muitas dessas propriedades foram estudadas com o uso do artificial "modelo" bicamadas produzidos em um laboratório. Vesículas feita por bicamadas modelo também têm sido usados clinicamente para entregar drogas.
membranas biológicas geralmente incluem vários tipos de lipídios que não fosfolipídios. Um exemplo particularmente importante nas células animais é o colesterol, que ajuda a fortalecer a bicamada e diminuir a sua permeabilidade. O colesterol também ajuda a regular a atividade de certas proteínas integrais da membrana. proteínas da membrana Integral função quando incorporadas a uma bicamada lipídica. Porque bicamadas definir os limites da célula e seus compartimentos, estas proteínas da membrana estão envolvidos em muitos intra e inter-processos de sinalização celular. Certos tipos de proteínas da membrana estão envolvidos no processo de fusão de duas bicamadas juntos. Esta fusão permite a junção de duas estruturas distintas, como na fertilização de um óvulo pelo espermatozóide ou a entrada de um vírus em uma célula.
As três principais estruturas fosfolipídios formam em solução, o lipossoma (uma bicamada fechado), micela e da bicamada.
Conteúdo [esconder]
1 Estrutura e organização
1,1 análise da seção transversal
1,2 Assimetria
1,3 Fases e transições de fase
1,4 a química de superfície
Duas funções biológicas
2,1 confinamento e separação
2,2 Sinalização
Três métodos de caracterização
4 Transporte através da bicamada
4,1 difusão passiva
4,2 bombas e canais de iões
4,3 Endocitose e exocitose
4,4 Electroporation
5 Mecânica
6 Fusion
7 sistemas modelo
7,1 Black membranas lipídicas (BLM)
7,2 suportados bicamadas lipídicas (SLB)
7,3 Vesículas
8 aplicações comerciais
9 História
10 Veja também
11 Referências
12 ligações externas
[editar]Estrutura e organização
A bicamada lipídica é uma folha de lipídios duas moléculas de espessura, dispostos de modo que a hidrofílica fosfato cabeças "no ponto" para fora da água em ambos os lados da bicamada e hidrofóbicas ponto caudas "in" para o núcleo da bicamada. Este acordo resulta em dois "folhetos", que são cada uma única camada molecular. Lipídeos auto-montar essa estrutura em causa do efeito hidrofóbico, o que cria uma interação energeticamente desfavorável entre as caudas hidrofóbicas lipídios e as águas circundantes. Assim, uma bicamada lipídica é normalmente realizada em conjunto por todo forças não-covalentes que não envolvem a formação de ligações químicas entre as moléculas individuais.
Existem algumas semelhanças entre esta estrutura e um quadro com bolhas de sabão, mas também há diferenças importantes. Conforme ilustrado, ambas as estruturas envolver duas camadas de moléculas individuais de anfifílicos substância. No caso de uma bolha de sabão, as duas sabão casaco monocamadas uma camada de água de intervenção. As cabeças hidrofílicas estão orientados "em" em direção a esse núcleo de água, enquanto as caudas hidrofóbicas ponto "fora". Ao ar. No caso de uma bicamada lipídica, esta estrutura é revertida com a cabeça para fora e as caudas polegadas Outra diferença importante entre bicamadas lipídicas e bolhas de sabão é o seu tamanho relativo. As bolhas de sabão são tipicamente centenas de nanômetros de espessura, na mesma ordem que o comprimento de onda da luz, razão pela qual a interferência causam efeitos cores do arco-íris em uma superfície da bolha. A bicamada lipídica único, por outro lado, é em torno de cinco nanômetros de espessura, muito menor do que o comprimento de onda da luz e, portanto, invisível para o olho, mesmo com um microscópio de luz padrão.
Schematic perfil transversal de uma bicamada lipídica típica. Há três regiões distintas: a headgroups totalmente hidratado, o núcleo alcano totalmente desidratado e uma pequena região intermediária com hidratação parcial
[editar]análise da seção transversal
A bicamada lipídica é muito fina em comparação com suas dimensões laterais. Se uma das células de mamíferos típicos (~ 10 micrômetros de diâmetro), foram ampliadas para o tamanho de uma melancia (~ ft/30 1 cm), a bicamada lipídica que compõem a membrana plasmática seria tão grosso quanto um pedaço de papel de escritório. Apesar de ter apenas alguns nanômetros de espessura, a bicamada consiste em várias regiões químicas distintas através de sua seção transversal. Estas regiões e suas interações com a água ao redor têm sido caracterizadas várias décadas sobre o passado com reflectometria de raio-x,[1] espalhamento de nêutrons[2] e de ressonância magnética nuclear técnicas.
A primeira região de ambos os lados da bicamada é a cabeça polar hidrofílica. Esta parte da membrana é completamente hidratado e é tipicamente cerca de 8-9Å de espessura. Em fosfolipídeo bicamadas o fosfato grupo está localizado nesta região hidratado, cerca de 5 fora do núcleo hidrofóbico.[3] Em alguns casos, a região hidratada pode estender muito mais, por exemplo, em lipídeos, com uma grande proteína ou cadeia de açúcar ao longo enxertadas cabeça. Um exemplo comum de tal modificação na natureza é o lipopolissacarídeo casaco sobre uma membrana externa bacteriana,[4] que ajuda a reter uma camada de água ao redor da bactéria para prevenir a desidratação.
TEM imagem de uma bactéria. A aparência de pele do lado de fora é devido a uma camada de cadeia longa açúcares ligados à membrana celular. Este revestimento ajuda a prender a água para evitar que a bactéria se tornar desidratado.
Próximo à região hidratado é uma região intermediária que é apenas parcialmente hidratado. Esta camada limite é de aproximadamente 3 Å de espessura. Dentro dessa curta distância, a concentração de água cai de 2M no lado cabeça polar para quase zero na cauda do núcleo) lado (.[5][6] O núcleo hidrofóbico da bicamada é tipicamente 3-4 nm de espessura, mas esse valor varia com o comprimento da cadeia e da química.[1][7] Núcleo de espessura também varia significativamente com a temperatura, especialmente perto de uma transição de fase.[8]
[editar]Assimetria
Em muitas bicamadas ocorrendo naturalmente, as composições da membrana externa e interna, folhetos são diferentes. Em humanos os glóbulos vermelhos, o folheto (citoplasmática) interna é composta de muito fosfatidiletanolamina, fosfatidilserina e fosfatidilinositol e seus derivados fosforilados. Em contrapartida, o folheto (extracelular) externa é baseada em fosfatidilcolina, esfingomielina e uma variedade de glicolipídios [9], [10] Em alguns casos, essa assimetria é baseado em onde os lipídios são feitas na cela e reflecte a sua orientação inicial [11]. As funções biológicas da assimetria de lipídios são mal conhecidas, embora seja claro que ele é usado em várias situações diferentes. Por exemplo, quando uma célula sofre apoptose, o phosphatidyserine - normalmente localizados no folheto de citoplasma - é transferida para a superfície exterior: não é reconhecido por um macrófago , que, em seguida, recolhe ativamente a célula a morrer.
assimetria lipídica surge, pelo menos em parte, do fato de que a maioria dos fosfolipídios são sintetizados e, inicialmente inserido na monocamada interna: os que constituem a monocamada externa são depois transportados para a monocamada externa por uma classe de enzimas denominadas flippases [12], [13]. outros lipídios, tais como esfingomielina, parecem ser sintetizada na folheto externo. Flippases são membros de uma família maior de moléculas de transporte lipídico que também inclui flopases, transferência de lipídios que no sentido oposto, e scramblases, que randomize distribuição de lipídios em bicamadas lipídicas (como em células em apoptose). Em qualquer caso, uma vez que a assimetria lipídica é criado, normalmente não se dissipam rapidamente porque espontânea flip-flop de lipídios entre folhetos é extremamente lenta [14].
É possível imitar essa assimetria no laboratório de sistemas no modelo de duas camadas. Certos tipos de pequenas artificial vesícula automaticamente tornar-se ligeiramente assimétrico, embora o mecanismo pelo qual essa assimetria é gerada é muito diferente do que nas células.[15] Com a utilização de dois diferentes monocamadas de Langmuir-Blodgett de deposição[16] ou uma combinação de Langmuir-Blodgett e deposição de ruptura da vesícula[17] , também é possível sintetizar uma bicamada planar assimétrica. Esta assimetria pode ser perdida ao longo do tempo como lipídios em bicamadas suportados pode ser propenso a flip-flop [18].
[editar]Fases e transições de fase
Diagrama mostrando o efeito de lipídios insaturados em uma bicamada. Os lipídios insaturados com uma cauda (azul) interromper a embalagem desses com apenas caudas saturada (preto). A bicamada resultante tem mais espaço livre e, conseqüentemente, mais permeável à água e outras moléculas pequenas.
Mais informações: fase comportamento bicamada lipídica
A uma dada temperatura uma bicamada lipídica pode existir em estado líquido ou uma fase (sólida) gel. Todos os lípidos têm uma temperatura característica na qual elas transição (derreter) do gel para a fase líquida. Em ambas as fases, as moléculas de lipídios são impedidos de flip-flop em toda a bicamada, mas em bicamadas lipídicas uma fase líquida será dada troca posições com seu vizinho milhões de vezes por segundo. Este passeio aleatório permite troca de lípides para difundir e assim percorrem a superfície da membrana.[19] Ao contrário de bicamadas fase líquida, os lipídios em uma bicamada fase de gel são travados.
O comportamento de fases de bicamadas lipídicas é largamente determinado pela força dos grandes atrativos de Van der Waals interações entre as moléculas lipídicas adjacentes. Já lipídios cauda tem mais área sobre a qual a interação, aumentando a força desta interacção e, consequentemente, diminuindo a mobilidade de lipídios. Assim, a uma dada temperatura, uma cauda curta lipídica será mais fluido do que um idêntico de cauda longa lipídico em contrário.[7], a temperatura de transição também pode ser afetada pelo grau de insaturação das caudas de lipídios. Um insaturados ligação dupla pode produzir uma torção na alcano de cadeia, interrompendo a embalagem de lipídios. Essa ruptura cria espaço livre extra dentro da bicamada que permite uma maior flexibilidade nas cadeias adjacentes.[7] Um exemplo desse efeito pode ser observado na vida cotidiana como a manteiga, que tem uma grande percentagem de gorduras saturadas, é sólida à temperatura ambiente, enquanto vegetais petróleo, que é na maior parte insaturada, é líquido.
A maioria das membranas naturais são uma mistura complexa de moléculas lipídicas diferente. Se alguns dos componentes são líquidos a uma dada temperatura, enquanto outros estão em fase de gel, as duas fases podem coexistir em regiões separadas espacialmente, e não como um iceberg flutuando no oceano. Esta separação de fases desempenha um papel fundamental nos fenômenos bioquímicos porque os componentes da membrana, tais como proteínas pode particionar em uma ou outra fase[20] e, portanto, ser localmente concentrados ou ativado. Um importante componente especialmente de muitos sistemas de fase mista é o colesterol, que modula a permeabilidade da bicamada, resistência mecânica e interacções bioquímicas.
[editar]A química de superfície
Enquanto caudas lipídica principalmente modular o comportamento de fase da bicamada, é a cabeça polar que determina a química da superfície da bicamada. A maioria das bicamadas naturais são compostos principalmente de fosfolipídios, embora esfingolipídeos, como esfingomielina e esteróis como colesterol também são componentes importantes. Dos fosfolipídeos, a cabeça polar mais comum é a fosfatidilcolina (PC), representando cerca de metade dos fosfolipídeos na maioria das células de mamíferos.[21] PC é um zwitteriônico cabeça polar, pois tem uma carga negativa sobre o grupo fosfato e uma carga positiva sobre o amina, mas porque estes encargos equilíbrio local, rede sem custo.
headgroups Outros também estão presentes em graus variados e podem incluir fosfatidilserina (PS), fosfatidiletanolamina (PE) e fosfatidilglicerol (PG). Estes headgroups alternativo, muitas vezes conferem funcionalidade biológica específica que é altamente dependente do contexto. Por exemplo, o PS presença na face extracelular da membrana dos eritrócitos pode induzir a apoptose,[22] enquanto que no PS placa de crescimento das vesículas é necessária para a nucleação da hidroxiapatita cristais e mineralização óssea subseqüente.[23][24] Ao contrário do PC, alguns dos headgroups outros carregam uma carga líquida, que pode alterar as interações eletrostáticas de pequenas moléculas com a bicamada.[25]
[editar]funções biológicas
[editar]confinamento e separação
O principal papel da bicamada lipídica em biologia é separar aquosa compartimentos de seu entorno. Sem algum tipo de barreira que delimita o "eu" de "não-eu" é difícil até mesmo definir o conceito de um organismo ou de vida. Esta barreira tem a forma de uma bicamada lipídica em todas as formas de vida conhecidas, exceto para algumas espécies de archaea , que utilizam uma monocamada de lipídios especialmente adaptados.[4] Foi mesmo proposto que a primeira forma de vida muito pode ter sido um simples lipídico vesícula com praticamente sua única biossintética capacidade de ser a produção de mais fosfolipídios.[26] A capacidade de particionamento da bicamada lipídica é baseada no fato de que hidrofílico moléculas não pode facilmente atravessar o hidrofóbico do núcleo bicamada, como discutido no transporte através da bicamada abaixo.
Procariotos tem apenas uma bicamada lipídica, a membrana celular (também conhecida como a membrana plasmática). procariontes Muitos também têm uma parede celular, mas a parede celular é composta de proteínas ou de cadeia longa carboidratos, não lipídios. Em contraste, eucariotos têm uma série de organelas , incluindo o núcleo, mitocôndrias, lisossomos e retículo endoplasmático. Todos esses compartimentos sub-celulares são rodeadas por uma ou mais bicamadas lipídicas e, juntos, normalmente são a maioria da área de bicamada presentes na célula. No fígado hepatócitos , por exemplo, a membrana plasmática representa apenas dois por cento da bicamada área total da célula, enquanto o retículo endoplasmático contém mais de cinqüenta por cento e as mitocôndrias trinta por cento mais.[27]
Ilustração de uma proteína de sinalização de GPCR. Em resposta a uma molécula, como um hormônio de ligação para o domínio exterior (azul), o GPCR muda de forma e catalisa uma reação química sobre o domínio interior (vermelho). O recurso de cinza é a bicamada circundante.
[editar]Sinais
Veja também: Neurotransmissão e rafts lipídicos
Provavelmente a forma mais familiar de sinalização celular é a transmissão sináptica, onde um impulso nervoso que chegou à final de um neurônio é transportado para um neurônio adjacente através da liberação de neurotransmissores. Esta transmissão só é possível pela ação de vesículas sinápticas carregado com os neurotransmissores sejam liberados. Essas vesículas fundem com a membrana celular no terminal pré-sináptico e liberar seu conteúdo para o exterior da célula. O conteúdo, então se difundem através da sinapse para o terminal pós-sináptico.
bicamadas lipídicas também estão envolvidas na transdução do sinal através de seu papel como a casa de proteínas integrais da membrana. Este é um amplo e importante classe de biomoléculas muito. Estima-se que até um terço do ser humano proteoma podem ser proteínas da membrana.[28] Algumas dessas proteínas estão vinculadas ao exterior da membrana celular. Um exemplo disso é o CD59 , proteína que identifica as células como "eu" e, portanto, inibe a sua destruição pelo sistema imunológico. O HIV vírus escapa do sistema imunológico , em parte, por enxertia destas proteínas da membrana hospedar em sua própria superfície.[27] Alternativamente, algumas proteínas da membrana penetrar todo o caminho através da bicamada e servem para retransmitir sinais eventos individuais a partir do exterior para o interior da célula. A classe mais comum deste tipo de proteína é o receptor acoplado à proteína G- (GPCR). GPCRs são responsáveis por grande parte da célula a capacidade de perceber seus arredores e, por este importante papel, cerca de 40% de todos os medicamentos modernos são dirigidos a GPCRs.[29]
Além da proteína e mediada por processos de solução, também é possível para bicamadas lipídicas para participar diretamente na sinalização. Um exemplo clássico disto é fosfatidilserinaacionados por fagocitose. Normalmente, a fosfatidilserina é assimetricamente distribuídos na membrana celular e está presente apenas no lado interior. Durante a morte celular programada uma proteína denominada scramblase equilibra esta distribuição, exibição de fosfatidilserina na face bicamada extracelular. A presença de fosfatidilserina em seguida aciona a fagocitose para remover as células mortas ou morrendo.
[editar]Métodos de Caracterização
Os glóbulos vermelhos humanos visto através de um microscópio de fluorescência. A membrana celular tem sido marcadas com um corante fluorescente. Barra de escala é 20μm.
Mais informações: caracterização bicamada lipídica
Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET) a imagem de uma vesícula de lipídios. As duas faixas escuras ao redor da borda são os dois folhetos da bicamada. Historicamente, imagens semelhantes confirmou que a membrana celular é uma bicamada
A bicamada lipídica é uma estrutura muito difícil de estudar porque é tão fina e frágil. Apesar dessas limitações dezenas de técnicas foram desenvolvidas ao longo dos últimos setenta anos para permitir que as investigações de sua estrutura e função.
medições elétricas são uma forma simples de caracterizar uma importante função de uma bicamada: sua capacidade de separar e impedir o fluxo de íons em solução. Ao aplicar uma tensão entre a bicamada e medir a corrente resultante, a resistência da bicamada é determinado. Esta resistência é geralmente bastante elevada desde o núcleo hidrofóbico é impermeável às espécies carregadas. A presença de até mesmo alguns buracos escala nanométrica resultados em um aumento dramático na corrente.[30] A sensibilidade do sistema é tal que até mesmo a atividade de um único canais iônicos podem ser resolvidos.[31]
Medições eléctricas não fornecem uma imagem real como de imagem com um microscópio pode. bicamadas lipídicas não pode ser visto em um microscópio tradicional, porque são muito finos. Para ver bicamadas, os pesquisadores freqüentemente usam a microscopia de fluorescência. Uma amostra é animado com um comprimento de onda de luz e observadas em diferentes comprimentos de onda, de modo que somente as moléculas fluorescentes, com uma excitação correspondente e do perfil de emissão será visto. bicamadas lipídicas naturais não são fluorescentes, um corante que é usado atribui às moléculas desejadas na bicamada. A resolução é limitada a algumas centenas de nanômetros, muito menor que um celular comum, mas muito maior do que a espessura de uma bicamada lipídica.
3d-Adaptado AFM imagens que mostram a formação de poros transmembranares (buracos) na bicamada lipídica suporte [32]
Ilustração de um típico AFM digitalização de uma bicamada lipídica com suporte. Os poços são defeitos na bicamada, expondo a superfície lisa do substrato por baixo.
A microscopia eletrônica oferece uma resolução de imagem superior. Em um microscópio eletrônico, um feixe de foco elétrons interage com a amostra ao invés de um feixe de luz como em microscopia tradicional. Em conjunto com as técnicas de congelação rápida, microscopia eletrônica também foi utilizada para estudar os mecanismos de inter-transporte intracelular e, por exemplo, demonstrando que exocitótica vesículas são os meios de liberação química em sinapses.[33]
31P-RMN (ressonância magnética nuclear), espectroscopia é amplamente utilizado para estudos de bicamadas de fosfolipídios e membranas biológicas. A análise[34] de 31espectros de RMN-P de lipídios pode fornecer uma ampla gama de informações sobre embalagem bicamada lipídica, as transições de fase (fase de gel, cristais fase líquida fisiológicas, as fases de ondas, não as fases bicamada), chefe de orientação do grupo de lipídios / dinâmica e as propriedades elásticas da bicamada lipídica pura e como resultado da ligação de proteínas e outras biomoléculas.
Um novo método para estudar bicamadas lipídicas é a microscopia de força atômica (AFM). Ao invés de usar um feixe de luz ou partículas, uma pequena afiada ponta varre a superfície, fazendo contato físico com a bicamada e movendo-se através dele, como uma agulha de vitrola. AFM é uma técnica promissora, pois tem o potencial de imagem com resolução nanométrica, à temperatura ambiente e até mesmo sob a água ou solução fisiológica, as condições necessárias para o comportamento bicamada natural. Utilizando este recurso, AFM tem sido utilizado para examinar o comportamento dinâmico bicamada incluindo a formação de poros transmembranares (buracos)[32] e transições de fase em bicamadas suporte.[35] Outra vantagem é que AFM não requerem fluorescentes ou isotópica rotulagem dos lipídios, desde a ponta da sonda interage mecanicamente com a superfície da bicamada. Devido a isso, a mesma imagem pode digitalizar os lipídeos e proteínas associadas, por vezes mesmo com a resolução de moléculas individuais.[32][36] AFM também pode sondar a natureza mecânica do bicamadas lipídicas.[37]
bicamadas lipídicas apresentam altos níveis de birrefringência , onde o índice de refracção no plano da bicamada difere do que perpendicular em até 0,1 de índice de refração unidades. Isso tem sido usado para caracterizar o grau de perturbação da ordem e em bicamadas usando interferometria de dupla polarização compreender os mecanismos de interação de proteínas.
[editar]Transporte através da bicamada
[editar]A difusão passiva
A maioria polar moléculas têm baixa solubilidade em hidrocarbonetos núcleo de uma bicamada lipídica e, conseqüentemente, têm coeficientes de baixa permeabilidade através da bicamada. Este efeito é particularmente pronunciado de espécies carregadas, que têm os menores coeficientes de permeabilidade, mesmo que neutro moléculas polares.[38] Os ânions geralmente têm uma maior taxa de difusão através de bicamadas de cátions.[39][40] Em relação aos íons, moléculas de água têm realmente uma grande permeabilidade relativamente através da bicamada, como evidenciado por inchamento osmótico. Quando uma célula ou vesícula com uma alta concentração de sais do interior é colocado em uma solução com uma concentração de sal vai inchar e, eventualmente, explodir. Tal resultado não seria observado caso a água não foi capaz de atravessar a bicamada com relativa facilidade. A grande permeabilidade anômala da água através de bicamadas ainda não está completamente elucidada e continua a ser objecto de intenso debate.[41] Uncharged moléculas apolares difundir através bicamadas lipídicas muitas ordens de grandeza mais rápido do que os íons ou água. Isso se aplica tanto para as gorduras e solventes orgânicos como clorofórmio e éter. Independentemente de seu caráter polar moléculas maiores difusa mais lentamente bicamadas lipídicas que pequenas moléculas.[42]
Estrutura de um canal iônico de potássio. As hélices alfa penetram na bicamada (limites indicados por linhas azul e vermelha), abrindo um buraco através do qual os íons de potássio pode fluir
[editar]Bombas de Íon e canaletas
Duas classes especiais de lidar com a proteína encontrada em gradientes iônicos e sub-celular das membranas celulares por natureza, canais iônicos e bombas de íons. Ambas as bombas e canais são proteínas integrais da membrana que atravessam a bicamada, mas seus papéis são completamente diferentes. Bombas de Íon são as proteínas que constroem e mantêm os gradientes químicos, utilizando uma fonte de energia externa para movimentar os iões contra o gradiente de concentração para uma área de maior potencial químico. A fonte de energia pode ser ATP, como é o caso do Na+-K+ ATPase. Alternativamente, a fonte de energia pode ser outro gradiente químico já em vigor, como é o Ca2 +/ Na+ antiporte. É através da ação de bombas iônicas que as células são capazes de regular o pH através do bombeamento de prótons.
Em contraste com as bombas iônicas, canais iônicos não construir gradientes químicos, mas dissipá-las, a fim de realizar um trabalho ou enviar um sinal. Provavelmente, o familiar e mais bem estudado é o exemplo mais dependentes da voltagem Na+ canal, que permite a realização de um potencial de ação ao longo dos neurônios. Todas as bombas de íons têm algum tipo de gatilho ou "gating" mecanismo. No exemplo anterior foi polarização elétrica, mas outros canais podem ser ativados por um agonista de ligação molecular ou através de uma mudança conformacional na outra proteína nas proximidades.[43]
Ilustração esquemática de pinocitose, um tipo de endocitose
[editar]Endocitose e exocitose
Veja também: Endocitose e Exocitose
Algumas moléculas ou partículas são demasiado grandes ou demasiado hidrofílicas para efetivamente passar por uma bicamada lipídica. Outras moléculas poderiam passar através da bicamada, mas deve ser transportado rapidamente em tão grande número desse tipo de transporte do canal é impraticável. Em ambos os casos, esses tipos de carga pode ser movido através da membrana celular por meio de fusão ou nascente de vesículas. Quando a vesícula é produzido dentro da célula e se funde com a membrana plasmática para liberar seu conteúdo no espaço extracelular, esse processo é conhecido como exocitose. No processo inverso de uma região da membrana da célula será covinha para dentro e, eventualmente, belisque, abrangendo uma parte do líquido extracelular para transportá-lo para dentro da célula. Endocitose e exocitose dependem muito diferente maquinaria molecular para funcionar, mas os dois processos estão intimamente ligados e não poderiam funcionar sem o outro. O mecanismo primário dessa interdependência é o grande volume de material lipídico envolvidos.[44] Em uma célula típica, uma área equivalente bicamada para a membrana plasmática irá percorrer toda a endocitose / ciclo de exocitose em cerca de meia hora.[45] Se estes dois processos não foram equilibrando o outro a célula seria ou balão para fora, para um número inviável ou completamente empobrecem sua membrana plasmática dentro de uma questão de minutos.
[editar]Electroporation
Mais informações: Electroporation
Eletroporação é o rápido aumento da permeabilidade da bicamada induzida pela aplicação de um campo elétrico artificial grandes através da membrana. Experimentalmente, eletroporação é usada para introduzir moléculas hidrofílicas em células. É uma técnica particularmente útil para grandes moléculas altamente carregadas tais como o DNA , que nunca passivamente se difundem através da bicamada núcleo hidrofóbico.[46] Por isso, eletroporação é um dos principais métodos de transfecção , bem como bactérias transformação. Tem mesmo sido proposto que a eletroporação resultantes de um raio atinge poderia ser um mecanismo natural de transferência horizontal de genes.[47]
Este aumento da permeabilidade afeta principalmente o transporte de íons e outras espécies hidratado, indicando que o mecanismo é a criação de nm escala cheia furos de água na membrana. Apesar de eletroporação e rigidez dielétrica tanto o resultado da aplicação de um campo elétrico, os mecanismos envolvidos são fundamentalmente diferentes. De rigidez dielétrica do material de barreira é ionizado, criando um caminho condutivo. A alteração material é, portanto, de natureza química. Em contraste, durante a eletroporação as moléculas de lipídios não são quimicamente alteradas, mas simplesmente mudar de posição, a abertura de um poro, que age como a via condutora através da bicamada como ele é preenchido com água.
[editar]Mecânica
Mais informações: bicamada lipídica mecânica
Esquemático mostrando duas conformações possíveis dos lipídios na borda de um poro. Na imagem de cima os lipídios não reorganizados, de forma a parede dos poros é hidrofóbico. Na imagem de fundo alguns dos chefes de lipídios têm curvado, então a parede dos poros é hidrofílica.
bicamadas lipídicas são estruturas grandes o suficiente para ter algumas das propriedades mecânicas dos líquidos ou sólidos. A compressão da área do módulo Kum, dobrando módulo Kbe energia borda Λ, pode ser usado para descrevê-los. bicamadas lipídicas sólidas também tem um módulo de cisalhamento, mas como qualquer outro líquido, o módulo de cisalhamento é zero para bicamadas fluido. Estas propriedades mecânicas afetam as funções da membrana. Kum e Kb afetar a capacidade de proteínas e moléculas pequenas para inserir na bicamada,[48][49] e bicamada propriedades mecânicas foram mostrados para alterar a função dos canais iônicos ativados mecanicamente.[50] propriedades mecânicas Bilayer também governam quais os tipos de stress de uma célula pode suportar sem rasgar. Apesar de bicamadas lipídicas pode facilmente dobrar, a maioria não pode esticar mais do que uns poucos por cento antes de se romper.[51]
Conforme discutido na seção Estrutura e organização, a repulsão entre as caudas hidrofóbicas lipídios e água é a força primária que bicamadas lipídicas juntos. Assim, o módulo de elasticidade da bicamada é determinada principalmente pela forma como fora da área muito exposta à água quando as moléculas de lipídios são esticadas.[52] Não é surpreendente, dada essa compreensão das forças envolvidas que os estudos têm mostrado que Kuma varia fortemente com as condições de solução[53] , mas apenas fracamente com o comprimento da cauda e insaturação.[7] Porque as forças envolvidas são tão pequenas, é difícil de determinar experimentalmente Kum. A maioria das técnicas de microscopia exigem sofisticados equipamentos de medição e muito sensível.[37][54]
Em contraste com Kuma, que é uma medida de quanta energia é necessária para esticar a bicamada, Kb é uma medida de quanta energia é necessária para curvar ou flexionar a bicamada. Formalmente, o módulo de flexão é definida como a energia necessária para deformar a membrana da sua curvatura intrínseca de alguma curvatura outros. curvatura intrínseca é definida pela razão entre o diâmetro da cabeça de grupo para que o grupo de cauda. Por cauda PC lipídios e dois anos, este rácio é quase um modo de curvatura intrínseca é quase zero. Se um lipídio em particular tem um desvio muito grande de zero curvatura intrínseca que não irá formar uma bicamada e passarão a formar outras fases, como micelas ou micelas invertidas. Normalmente, Kb não é medido experimentalmente, mas é calculado a partir de medições de Kuma e de duas camadas de espessura, uma vez que os três parâmetros estão relacionadas.
Λ é uma medida de quanta energia é necessária para expor uma vantagem de duas camadas de água, rasgando a bicamada ou criando um buraco. A origem dessa energia é o fato de que a criação dessa interface expõe algumas das caudas lipídica para a água, mas a orientação exata destes lipídios fronteira é desconhecida. Existem algumas evidências de que tanto hidrofóbica (caudas reta) e hidrofílico (cabeça curvada ao redor) poros podem coexistir.[55]
[editar]Fusão
Veja também: fusão bicamada lipídica e forças Interbilayer na fusão de membrana
Ilustração de vesículas lipídicas mostrando fundindo dois resultados possíveis: hemifusão e fusão completa. Em hemifusão apenas o exterior mix panfletos bicamada. Em ambos os folhetos da fusão completa, bem como a misturar o conteúdo interno.
Fusion é o processo pelo qual duas bicamadas lipídicas fundir, resultando em uma estrutura ligada. Se esta fusão procede completamente através de folhetos de ambos bicamadas, uma ponte cheia de água é formada e as soluções contidas pela bicamadas pode misturar. Alternativamente, se apenas um folíolo de cada bicamada está envolvido no processo de fusão, as bicamadas estão a ser dito hemifused. Fusion está envolvida em muitos processos celulares, especialmente em eucariotos desde a célula eucariótica é amplamente sub-dividido por membranas de bicamada lipídica. Exocitose, a fertilização de um óvulo pelo espermatozóide e transporte de resíduos para o lysozome são alguns dos muitos processos que eucarióticas dependem de algum tipo de fusão. Mesmo a entrada de patógenos pode ser regido pela fusão, como muitos bicamada revestido vírus têm dedicado proteínas de fusão para ganhar a entrada na célula hospedeira.
Existem quatro passos fundamentais no processo de fusão.[21] Em primeiro lugar, envolvidos devem agregar as membranas, aproximando-se uns aos outros dentro de alguns nanômetros. Em segundo lugar, as duas bicamadas devem entrar em contato muito próximo (dentro de alguns angstroms). Para atingir este contato próximo, as duas superfícies devem se tornar pelo menos parcialmente desidratados, como as águas de superfície ligada apresentam causas bicamadas normalmente repelem fortemente. A presença de íons, particularmente cátions divalentes, como magnésio e cálcio, afeta fortemente este passo.[56][57] Um dos papéis fundamentais do cálcio no organismo é a regulação de fusão da membrana. Em terceiro lugar, deve constituir uma desestabilização em um ponto entre as duas bicamadas, localmente distorcendo suas estruturas. A natureza exacta dessa distorção não é conhecido. Uma teoria é que uma grande curva "perseguir" deve formar entre as duas bicamadas.[58] Os defensores desta teoria acreditam que isso explica porque fosfatidiletanolamina, uma curva lipídico altamente, promove a fusão.[59] Finalmente, na última etapa da fusão , este defeito ponto cresce e os componentes da mistura de duas bicamadas e difuso de distância do local de contacto.
Ilustração esquemática do processo de fusão por meio da formação de colmos.
Diagrama da ação das proteínas SNARE encaixe uma vesícula de exocitose. versões complementares da proteína na vesícula e os ligam a membrana alvo e envolver em torno de si, puxando as duas bicamadas juntos no processo.
A situação é ainda mais complicada quando se considera a fusão in vivo desde a fusão biológica é quase sempre regulada pela ação de proteínas associadas a membrana. A primeira dessas proteínas a serem estudadas foram as proteínas de fusão viral, que permitem que um envelope de vírus para inserir seu material genético na célula hospedeira (vírus envelopados são aqueles rodeado por uma bicamada lipídica e alguns outros têm apenas uma camada de proteína).Eukaryotic células também usam proteínas de fusão, o mais bem estudado de que são os SNAREs. proteínas SNARE são usadas para direcionar todos os vesicular tráfico intracelular. Apesar de anos de estudo, muito ainda é desconhecido sobre a função dessa classe de proteínas. Na verdade, ainda há um intenso debate sobre se SNAREs estão ligados a ancoragem mais cedo ou mais tarde participar no processo de fusão por facilitando hemifusão.[60]
Em estudos de biologia molecular e celular geralmente é desejável para induzir artificialmente fusão. A adição de polietileno glicol (PEG) faz com que a fusão sem agregação significativa ou interrupção bioquímicos. Esse procedimento é amplamente utilizado, por exemplo, pela fusão de células B com melanoma células.[61] O resultado "hibridoma"a partir desta combinação expressa um desejado anticorpo , conforme determinado pela célula-B envolvidos, mas foi imortalizado devido ao componente melanoma . Fusion também pode ser induzido artificialmente por meio de eletroporação em um processo conhecido como eletrofusão. Acredita-se que este fenômeno é resultante da ativa energeticamente arestas formadas durante a eletroporação, que pode atuar como o ponto de defeito locais para núcleos crescimento do caule entre duas bicamadas.[62]
[editar]Modelo de sistemas
Mais informações: bicamadas lipídicas Modelo
bicamadas lipídicas podem ser criados artificialmente em laboratório para permitir que os pesquisadores realizam experiências que não pode ser feito com bicamadas natural. Estes sistemas são chamados de sintéticos bicamadas lipídicas modelo. Há muitos tipos diferentes de bicamadas modelo, cada uma tendo vantagens e desvantagens experimental. Elas podem ser feitas com qualquer lipídios sintéticos ou naturais. Alguns dos sistemas mais comuns são descritas abaixo.
Esquemático de uma bicamada pintada
[editar]membranas lipídicas Preto (BLM)
O primeiro modelo do sistema bicamada desenvolvido foi o pintado "bicamada", também conhecido como "membrana lipídica negro". O termo "pintado" refere-se ao processo pelo qual essas bicamadas são feitas. O termo negro "bicamada" refere-se ao fato de que elas são escuras na luz refletida porque a espessura da membrana é apenas alguns nanômetros, para que a luz refletida na face posterior destrutivamente interfere com a luz refletindo na face frontal. Para fazer uma BLM, uma pequena abertura é criado em um material hidrofóbico como o teflon. Uma solução de lipídios dissolvidos em um solvente orgânico é aplicado com um pincel ou uma seringa através da abertura.[63] membranas lipídicas Preto são bem adequados para medições elétricas como resistência (normalmente gigaOhms ou superior para bicamadas intacta) ea capacitância (~ 2μF / cm2). A caracterização elétrica tem sido particularmente importante no estudo da tensão bloqueadas do íon, que pode ser inserido em um BLM, revestindo-os com um detergente e misturá-los na solução em torno do BLM.
[editar]bicamadas lipídicas suporte (SLB)
Diagrama de uma bicamada de suporte
A bicamada suporte é uma folha que estabelece apartamento em um substrato sólido de forma que apenas a face superior da bicamada é exposta a uma solução livre. Uma vantagem deste esquema é a sua estabilidade. EBSL permanecerá intacta, mesmo quando sujeitas a altas taxas de fluxo ou vibração e, ao contrário de membranas lipídicas preto, a presença de buracos não irá destruir toda a bicamada. Devido a essa estabilidade, experimentos com duração semanas e até meses são possíveis com bicamadas suportado quando experimentos BLM são normalmente limitados a horas.[64]
Micrografia de fluorescência de uma bicamada apoiada sobre um substrato que foi modelado com um curral. Dois diferentes tipos de lipídios foram utilizadas: uma com um corante verde e um com um corante vermelho.
Outra vantagem da bicamada sustentada é de que, porque é sobre uma dura superfície plana, é passível de uma série de ferramentas de caracterização, que seria impossível ou oferecem baixa resolução, se realizada em uma amostra de flutuação livre. Um dos exemplos mais claros dessa vantagem é o uso de técnicas de sondagem mecânica, que exigem um físico interação direta com a amostra, tais como microscopia de força atômica (AFM). Muitos microscopia de fluorescência técnicas modernas, como a microscopia de fluorescência de reflexão interna total (TIRF) e ressonância plasmon de superfície (SPR) também necessitam de um suporte planar superfície rígida.
Diagrama de vesículas lipídicas mostrando uma solução de moléculas (pontos verdes) retido no interior da vesícula.
Uma das principais limitações dos bicamadas suporte é a possibilidade de interações indesejáveis com o substrato. Embora bicamadas apoiada geralmente não tocam diretamente a superfície do substrato, eles são separados apenas por fina água uma lacuna muito. O tamanho ea natureza dessa diferença depende do material de substrato[65] e lipídios espécies, mas é geralmente de cerca de 1 nm.[66][67] Como esta camada é muito fina, muitas vezes há problema ao incorporar proteínas integrais da membrana, que pode se desnaturar na superfície do substrato.[68] Uma abordagem para contornar este problema é apoiar a bicamada em uma rede frouxa de polímeros hidratados ou um hidrogel que atua como um espaçador entre lipídios e substrato.[69]
[editar]Vesículas
A vesícula é uma bicamada lipídica enrolado em uma casca esférica, juntando uma pequena quantidade de água e separando-a da água fora da vesícula. Vesículas são relativamente fáceis de fazer, se uma amostra de lipídios desidratado é exposto à água que vai espontaneamente vesículas.[70] Desde vesículas artificiais podem ser feitas em grandes quantidades, eles são adequados para estudos de materiais a granel, tais como difração de raios-x para determinar afastamento da estrutura[71] e calorimetria diferencial de varredura para determinar as transições de fase.[8] Apesar desta fluorescência é muitas vezes difícil de realizar imagens detalhadas sobre SUVs simplesmente porque eles são tão pequenos. Para combater este problema os pesquisadores desenvolveram o vesículas unilamelares gigantes (GUV). GUVs são suficientemente grandes (várias dezenas de micrômetros) para o estudo com microscopia de fluorescência tradicional. Comparado com bicamadas suportado, GUVs apresentar uma forma mais natural "meio ambiente", pois não há superfície sólida nas proximidades de induzir defeitos ou desnaturar proteínas. No entanto, GUVs são relativamente frágeis, demorado para fazer e só pode ser produzida na produção limitada em comparação com os SUVs.
[editar]As aplicações comerciais
Até agora, o sucesso comercial de aplicação mais bicamadas lipídicas tem sido a utilização de lipossomas para administração de medicamentos, especialmente para o tratamento do câncer. (Note o termo "lipossomos" é essencialmente sinônimo de "vesícula", exceto que vesícula é um termo geral para a estrutura enquanto lipossomas se refere apenas ao artificial, não natural vesículas) A idéia básica da entrega da droga lipossomal é que o fármaco é encapsulado em solução no interior do lipossoma então injetada no paciente. Esses lipossomos carregados de drogas viajar através do sistema até que eles se ligam no local de destino e de ruptura, liberando a droga. Em teoria, os lipossomas devem fazer um sistema de entrega de droga ideal, uma vez que pode isolar quase hidrofílico qualquer droga, pode ser enxertada com moléculas para alvejar tecidos específicos e podem ser relativamente não-tóxico já que o corpo possui mecanismos bioquímicos de degradação de lipídios.[72]
A primeira geração de Lipossomas de entrega da droga tinha uma composição de lipídios simples e sofria de várias limitações. A circulação na corrente sangüínea era extremamente limitada devido tanto renal de compensação e de fagocitose. Refinamento da composição lipídica à fluidez sintonizar, densidade de carga superficial e hidratação da superfície resultou em vesículas que adsorvem menos proteínas do soro e, portanto, são menos facilmente reconhecidos pelo sistema imunológico.[73] O avanço mais significativo nesta área foi a enxertia de polietileno glicol (PEG) sobre a superfície de lipossomas para a produção de "stealth" vesículas que circulam durante tempos longos, sem compensação ou renal imunológico.[74]
Os lipossomas stealth primeiros foram dirigidos a passivamente tumor tecidos. Como os tumores induzir rápida e descontrolada angiogênese são especialmente "permeáveis" e permitir que os lipossomas para sair da corrente sangüínea a uma taxa muito maior do que o tecido normal faria.[75] Mais recentemente, o trabalho foi realizado com enxerto de anticorpos ou de outros marcadores moleculares para o lipossoma superfície, na esperança de que as vinculam ativamente a célula específica ou um tipo de tecido.[76] Alguns exemplos dessa abordagem já estão em testes clínicos.[77]
Outro potencial de aplicação de bicamadas lipídicas é o campo de biossensores. Desde a bicamada lipídica é a barreira entre o interior eo exterior da célula, é também o local de transdução de sinal extensiva. Pesquisadores ao longo dos anos tenho tentado aproveitar este potencial para desenvolver um dispositivo baseado em bicamada para o diagnóstico clínico ou a detecção de bioterrorismo. O progresso tem sido lento nesta área e, embora algumas empresas têm desenvolvido sistemas de detecção automatizado baseado-lipídico, eles ainda são orientados para a comunidade de pesquisa. Estes incluem Biacore Ciências da Vida, que oferece um chip descartável para utilizar bicamadas lipídicas em estudos da cinética de ligação[78] e Nanion Inc, que desenvolveu um patch automatizado de fixação do sistema.[79] Outras aplicações mais exóticas também estão sendo perseguidos, como o uso de membrana de bicamada lipídica poros para seqüenciamento de DNA pela Oxford Nanolabs. Até à data, esta tecnologia não foi comprovada comercialmente viável.
[editar]História
Mais informações: História da teoria da membrana celular
Por volta do início do século XX os cientistas chegaram a acreditar que as células estão rodeadas por um óleo do tipo barreira fina,[80] , mas a natureza estrutural da membrana não foi conhecido. Dois experimentos em 1925 lançou as bases para preencher esta lacuna. Ao medir a capacitância do eritrócito soluções, Hugo Fricke determinou que a membrana da célula foi de 3,3 nm de espessura.[81] Embora os resultados deste experimento foram precisos, Fricke interpretação incorrecta dos dados no sentido de que a membrana celular é uma única camada molecular. Dr. Evert Gorter[82] (1.881-1.954) e F. Grendel da Universidade de Leiden abordou o problema de uma perspectiva diferente, espalhando os lipídios eritrocitária como uma monocamada em uma calha de Langmuir-Blodgett. Quando comparados à área da monocamada para a área de superfície das células, eles encontraram uma proporção de 00:58.[83] Análises posteriores mostraram vários erros e suposições incorretas com este experimento, mas, por acaso, esses erros cancelado ea partir deste falhos os dados Gorter e Grendel chamou a correta conclusão que a membrana celular é uma bicamada lipídica.[21]
Esta teoria foi confirmada através do uso de microscopia eletrônica na década de 1950. Embora ele não publica o estudo de microscopia eletrônica de primeira bicamadas lipídicas[84] J. David Rodrigues foi o primeiro a afirmar que as duas bandas escuras densas de elétrons foram os headgroups e proteínas associadas de duas monocamadas lipídicas apposed.[85][86] Neste conjunto de trabalhos, Robertson apresentou o conceito da membrana unitária ". "Esta foi a primeira vez que a estrutura de bicamada havia sido universalmente atribuído a todas as membranas celulares, bem como organela membranas.
Ao mesmo tempo o desenvolvimento de membranas modelo confirmou que a bicamada lipídica é uma estrutura estável que pode existir independentemente de proteínas. Por "pintura" de uma solução de lipídios em solventes orgânicos através de uma abertura, Mueller e Rudin foram capazes de criar uma bicamada artificiais e determinar que esta apresentou fluidez lateral, alta resistência elétrica e de auto-cura em resposta à punção,[63] todos os que são propriedades da membrana celular natural. Alguns anos mais tarde, Alec Bangham mostrou que bicamadas, na forma de vesículas lipídicas, também poderia ser formada apenas por expor uma amostra lipídica seca a água.[70] Isso foi um avanço importante, pois demonstrou que se formam espontaneamente bicamadas lipídicas através de auto montagem e não requerem uma estrutura de suporte padronizadas.
[editar]Veja também
da membrana celular
Lipid
membrana biológica
Vesícula
Lipossomas
Phospholipid
Categoria: surfactantes
Electroporation
proteína de membrana
bolha de sabão
[editar]Referências
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[edit]External links
Avanti Lipids One of the largest commercial suppliers of lipids. Technical information on lipid properties and handling and lipid bilayer preparation techniques.
LIPIDAT An extensive database of lipid physical properties
Structure of Fluid Lipid Bilayers Simulations and publication links related to the cross sectional structure of lipid bilayers.
Lipid Bilayers and the Gramicidin Channel (requires Java plugin) Pictures and movies showing the results of molecular dynamics simulations of lipid bilayers.
Structure of Fluid Lipid Bilayers, from the Stephen White laboratory at University of California, Irvine
Animations of lipid bilayer dynamics (requires Flash plugin)
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