معلومة

انتشار الدهون

انتشار الدهون


We are searching data for your request:

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

تمتص الخلايا الظهارية في الأمعاء الدقيقة الدهون من خلال الانتشار البسيط ولكن كيف يحدث انتشار الدهون في المقام الأول إذا كانت غير قابلة للذوبان في الماء؟ اعتقدت أنه يجب إذابة المواد من أجل الحصول على تركيز وبالتالي تدرج تركيز؟


الشكل 1. هيكل الفوسفوليبيد. يتكون جزيء الفسفوليبيد من "رأس" فوسفات قطبي ، وهو محب للماء و "ذيل" غير قطبي دهن ، وهو كاره للماء. تؤدي الأحماض الدهنية غير المشبعة إلى حدوث التواءات في ذيول الكارهة للماء.

ال غشاء الخلية هي بنية مرنة للغاية تتكون أساسًا من الدهون الفوسفورية المتتالية ("طبقة ثنائية"). الكوليسترول موجود أيضًا ، مما يساهم في سيولة الغشاء ، وهناك العديد من البروتينات المضمنة داخل الغشاء والتي لها وظائف متنوعة. يحتوي جزيء فوسفوليبيد واحد على مجموعة فوسفات في أحد طرفيه ، تسمى "الرأس" ، وسلسلتان متجاورتان من الأحماض الدهنية التي تشكل ذيول الدهون (الشكل 1). مجموعة الفوسفات مشحونة سالبة ، مما يجعل الرأس قطبية ومحبة للماء - أو "محبة للماء".

أ محبة للماء الجزيء (أو منطقة الجزيء) هو الذي ينجذب إلى الماء. وهكذا تنجذب رؤوس الفوسفات إلى جزيئات الماء في كل من البيئات خارج الخلية وداخل الخلايا. ذيول الدهون ، من ناحية أخرى ، غير مشحونة ، أو غير قطبية ، وهي كارهة للماء - أو "تخشى الماء".

أ نافرة من الماء الجزيء (أو منطقة الجزيء) يتنافر ويطرده الماء. تتكون بعض ذيول الدهون من أحماض دهنية مشبعة وبعضها يحتوي على أحماض دهنية غير مشبعة. يضيف هذا المزيج إلى سيولة التيول التي تتحرك باستمرار. وبالتالي فإن الفسفوليبيدات هي جزيئات أمفيباثيك.

ان برمائي الجزيء يحتوي على منطقة محبة للماء ومنطقة كارهة للماء. في الواقع ، يعمل الصابون على إزالة بقع الزيوت والشحوم لما له من خصائص أمفيباثيك. يمكن أن يذوب الجزء المحب للماء في الماء بينما يمكن للجزء المقاوم للماء أن يحبس الشحوم في المذيلات التي يمكن بعد ذلك غسلها بعيدًا.

الشكل 2. طبقة ثنائية الفوسبوليبيد. تتكون طبقة الفسفوليبيد الثنائية من صفحتين متجاورتين من الدهون الفوسفورية ، مرتبة من الذيل إلى الذيل. تترابط الذيل الكارهة للماء مع بعضها البعض ، وتشكل الجزء الداخلي من الغشاء. تتلامس الرؤوس القطبية مع السائل داخل وخارج الخلية.

يتكون غشاء الخلية من طبقتين متجاورتين من الدهون الفوسفورية. تواجه ذيول الدهون في إحدى الطبقات ذيول الدهون للطبقة الأخرى ، وتلتقي عند واجهة الطبقتين. تواجه رؤوس الفسفوليبيد إلى الخارج ، طبقة واحدة مكشوفة للخلية الداخلية وطبقة واحدة معرضة للخارج (الشكل 2).

نظرًا لأن مجموعات الفوسفات قطبية ومحبة للماء ، فإنها تنجذب إلى الماء في السائل داخل الخلايا. السائل داخل الخلايا (ICF) هو السائل الداخلي للخلية. تنجذب مجموعات الفوسفات أيضًا إلى السائل خارج الخلية. السائل خارج الخلوي (ECF) هي البيئة السائلة خارج حاوية غشاء الخلية. السائل الخلالي (إذا) هو المصطلح الذي يطلق على السائل خارج الخلية غير الموجود داخل الأوعية الدموية. نظرًا لأن ذيول الدهون كارهة للماء ، فإنها تلتقي في المنطقة الداخلية من الغشاء ، باستثناء السائل المائي داخل الخلايا وخارج الخلية من هذا الفضاء. يحتوي غشاء الخلية على العديد من البروتينات ، بالإضافة إلى الدهون الأخرى (مثل الكوليسترول) ، المرتبطة بطبقة الفوسفوليبيد الثنائية. من السمات المهمة للغشاء أنه يظل سائلاً ، حيث لا يتم تثبيت الدهون والبروتينات في غشاء الخلية بشكل صارم في مكانها.

بروتينات الغشاء

تشكل الطبقة الدهنية الثنائية أساس غشاء الخلية ، لكنها تتخللها بروتينات مختلفة. نوعان مختلفان من البروتينات التي ترتبط عادة بغشاء الخلية هي البروتينات المتكاملة والبروتين المحيطي (الشكل 3). كما يوحي اسمها ، فإن ملف البروتين لا يتجزأ هو بروتين مضمن في الغشاء. أ قناة البروتين هو مثال على بروتين متكامل يسمح بشكل انتقائي لمواد معينة ، مثل أيونات معينة ، بالمرور إلى الخلية أو الخروج منها.

الشكل 3. غشاء الخلية. غشاء الخلية عبارة عن طبقة ثنائية فسفوليبيد تحتوي على العديد من المكونات الجزيئية المختلفة ، بما في ذلك البروتينات والكوليسترول ، وبعضها يحتوي على مجموعات كربوهيدراتية مرتبطة.

مجموعة أخرى مهمة من البروتينات المتكاملة هي بروتينات التعرف على الخلايا ، والتي تعمل على تحديد هوية الخلية بحيث يمكن التعرف عليها من قبل الخلايا الأخرى. أ مستقبل هو نوع من بروتين التعرف الذي يمكنه ربط جزيء معين بشكل انتقائي خارج الخلية ، وهذا الارتباط يؤدي إلى تفاعل كيميائي داخل الخلية. أ يجند هو الجزيء المحدد الذي يرتبط بالمستقبل وينشطه. تؤدي بعض البروتينات المتكاملة أدوارًا مزدوجة كمستقبل وقناة أيونية. أحد الأمثلة على تفاعل مستقبلات ليجند هو المستقبلات الموجودة على الخلايا العصبية التي تربط الناقلات العصبية ، مثل الدوبامين. عندما يرتبط جزيء الدوبامين ببروتين مستقبل الدوبامين ، يتم فتح قناة داخل بروتين الغشاء للسماح بتدفق أيونات معينة إلى الخلية.

بعض بروتينات الغشاء المتكاملة هي بروتينات سكرية. أ بروتين سكري هو بروتين يحتوي على جزيئات كربوهيدرات متصلة ، والتي تمتد إلى المصفوفة خارج الخلية. تساعد علامات الكربوهيدرات المرفقة الموجودة على البروتينات السكرية في التعرف على الخلايا. الكربوهيدرات التي تمتد من بروتينات الغشاء وحتى من بعض الدهون الغشائية تشكل مجتمعة الكاليكس.

ال مركب السكر عبارة عن طبقة ضبابية المظهر حول الخلية تتكون من البروتينات السكرية والكربوهيدرات الأخرى المرتبطة بغشاء الخلية. يمكن أن يكون لل glycocalyx أدوار مختلفة. على سبيل المثال ، قد تحتوي على جزيئات تسمح للخلية بالارتباط بخلية أخرى ، وقد تحتوي على مستقبلات للهرمونات ، أو قد تحتوي على إنزيمات لتفكيك العناصر الغذائية. الجلايكولات الموجودة في جسم الشخص هي نتاج التركيب الجيني لذلك الشخص. إنهم يمنحون تريليونات الخلايا لكل فرد "هوية" الانتماء إلى جسد الشخص. هذه الهوية هي الطريقة الأساسية التي "تعرف" بها خلايا الدفاع المناعي للشخص عدم مهاجمة خلايا جسم الشخص نفسه ، ولكنها أيضًا السبب في رفض الأعضاء التي تبرع بها شخص آخر.

البروتينات المحيطية توجد عادة على السطح الداخلي أو الخارجي للطبقة الدهنية الثنائية ولكن يمكن أيضًا ربطها بالسطح الداخلي أو الخارجي لبروتين متكامل. تؤدي هذه البروتينات عادةً وظيفة محددة للخلية. على سبيل المثال ، تعمل بعض البروتينات المحيطية الموجودة على سطح الخلايا المعوية كأنزيمات هضمية لتفكيك العناصر الغذائية إلى أحجام يمكن أن تمر عبر الخلايا إلى مجرى الدم.

النقل عبر غشاء الخلية

من أعظم عجائب غشاء الخلية قدرته على تنظيم تركيز المواد داخل الخلية. تشمل هذه المواد أيونات مثل Ca 2+ و Na + و K + و Cl - العناصر الغذائية بما في ذلك السكريات والأحماض الدهنية والأحماض الأمينية ومنتجات النفايات ، وخاصة ثاني أكسيد الكربون (CO)2) ، والتي يجب أن تغادر الخلية. يوفر هيكل طبقة الدهون ثنائية الغشاء المستوى الأول من التحكم. يتم حزم الدهون الفسفورية بإحكام معًا ، والغشاء به جزء داخلي مسعور. يتسبب هذا الهيكل في أن يكون الغشاء قابلاً للاختراق بشكل انتقائي.

النفاذية الاختيارية

غشاء له النفاذية الاختيارية يسمح فقط للمواد التي تلبي معايير معينة بالمرور من خلالها دون مساعدة. في حالة غشاء الخلية ، يمكن فقط للمواد غير القطبية الصغيرة نسبيًا أن تتحرك عبر طبقة ثنائية الدهون (تذكر أن ذيول الغشاء الدهنية غير قطبية). بعض الأمثلة على ذلك هي الدهون الأخرى والأكسجين وغازات ثاني أكسيد الكربون والكحول. ومع ذلك ، فإن المواد القابلة للذوبان في الماء - مثل الجلوكوز والأحماض الأمينية والإلكتروليتات - تحتاج إلى بعض المساعدة لعبور الغشاء لأنها تنفر من ذيول كارهة للماء لطبقة الفوسفوليبيد الثنائية. جميع المواد التي تتحرك عبر الغشاء تفعل ذلك بإحدى طريقتين عامتين ، يتم تصنيفهما بناءً على ما إذا كانت الطاقة مطلوبة أم لا.

الممر السلبي والنشط عبر غشاء الخلية

النقل السلبي هي حركة المواد عبر الغشاء دون إنفاق الطاقة الخلوية. فى المقابل، النقل النشط هي حركة المواد عبر الغشاء باستخدام الطاقة من ثلاثي فوسفات الأدينوزين (ATP).

النقل السلبي

لا تستخدم العمليات السلبية ATP ولكنها تحتاج إلى نوع من القوة الدافعة. عادة ما يكون من الطاقة الحركية في شكل تدرج تركيز. سوف تميل الجزيئات إلى الانتقال من التركيزات العالية إلى المنخفضة عن طريق الحركة العشوائية للجزيئات. هناك 3 أنواع رئيسية من العمليات السلبية.

لكي نفهم كيف تتحرك المواد بشكل سلبي عبر غشاء الخلية ، فمن الضروري فهم تدرجات التركيز والانتشار. أ تدرج التركيز هو الاختلاف في تركيز مادة عبر الفضاء. سوف تنتشر الجزيئات (أو الأيونات) من حيث تكون أكثر تركيزًا إلى حيث تكون أقل تركيزًا حتى يتم توزيعها بالتساوي في تلك المساحة. (عندما تتحرك الجزيئات بهذه الطريقة ، يقال إنها تتحرك تحت تدرج تركيزهم.) تعريف هي حركة الجسيمات من منطقة ذات تركيز أعلى إلى منطقة ذات تركيز أقل. سيساعد زوجان من الأمثلة الشائعة في توضيح هذا المفهوم. تخيل أنك داخل حمام مغلق. إذا تم رش زجاجة عطر ، فستنتشر جزيئات الرائحة بشكل طبيعي من المكان الذي تركت فيه الزجاجة إلى جميع زوايا الحمام ، وسيستمر هذا الانتشار حتى لا يتبقى مزيد من التدرج في التركيز. مثال آخر هو وضع ملعقة من السكر في كوب من الشاي. في النهاية سينتشر السكر في جميع أنحاء الشاي حتى لا يتبقى تدرج تركيز. في كلتا الحالتين ، إذا كانت الغرفة أكثر دفئًا أو الشاي أكثر سخونة ، يحدث الانتشار بشكل أسرع حيث تصطدم الجزيئات ببعضها البعض وتنتشر بشكل أسرع من درجات الحرارة المنخفضة. إن الحصول على درجة حرارة داخلية للجسم حوالي 98.6 درجة فهرنهايت يساعد أيضًا في انتشار الجزيئات داخل الجسم.

عندما توجد مادة بتركيز أكبر على جانب واحد من غشاء شبه نافذ ، مثل أغشية الخلايا ، فإن أي مادة يمكن أن تتحرك أسفل تدرج تركيزها عبر الغشاء ستفعل ذلك. ضع في اعتبارك المواد التي يمكن أن تنتشر بسهولة من خلال طبقة ثنائية الدهون في غشاء الخلية ، مثل غازات الأكسجين (O2) وشارك2. ا2 ينتشر بشكل عام في الخلايا لأنه أكثر تركيزًا خارجها ، وثاني أكسيد الكربون2 عادة ما ينتشر خارج الخلايا لأنه أكثر تركيزًا بداخلها. لا يتطلب أي من هذين المثالين أي طاقة من جانب الخلية ، وبالتالي يستخدمان النقل السلبي للتنقل عبر الغشاء. قبل الانتقال ، تحتاج إلى مراجعة الغازات التي يمكن أن تنتشر عبر غشاء الخلية. نظرًا لأن الخلايا تستهلك الأكسجين بسرعة أثناء عملية التمثيل الغذائي ، فعادة ما يكون هناك تركيز أقل من O2 داخل الزنزانة من الخارج. نتيجة لذلك ، سينتشر الأكسجين من السائل الخلالي مباشرة عبر الطبقة الدهنية الثنائية للغشاء وإلى السيتوبلازم داخل الخلية. من ناحية أخرى ، لأن الخلايا تنتج ثاني أكسيد الكربون2 كمنتج ثانوي لعملية التمثيل الغذائي ، CO2 ترتفع التركيزات داخل السيتوبلازم لذلك ، CO2 ستنتقل من الخلية عبر طبقة ثنائية الدهون إلى السائل الخلالي ، حيث يكون تركيزها أقل. آلية انتشار الجزيئات من حيث تكون أكثر تركيزًا إلى حيث يكون تركيزها أقل هو شكل من أشكال النقل السلبي يسمى الانتشار البسيط (الشكل 4).

الشكل 4. انتشار بسيط عبر غشاء الخلية (البلازما). يسمح هيكل الطبقة الدهنية الثنائية للمواد الصغيرة غير القطبية مثل الأكسجين وثاني أكسيد الكربون بالمرور عبر غشاء الخلية ، أسفل تدرج تركيزها ، عن طريق الانتشار البسيط.

تميل المواد المذابة المذابة في الماء على جانبي غشاء الخلية إلى الانتشار أسفل تدرجات تركيزها ، ولكن نظرًا لأن معظم المواد لا يمكنها المرور بحرية عبر الطبقة الدهنية الثنائية لغشاء الخلية ، فإن حركتها تقتصر على قنوات البروتين وآليات النقل المتخصصة في الغشاء . نشر الميسر هي عملية الانتشار المستخدمة لتلك المواد التي لا يمكنها عبور طبقة الدهون الثنائية بسبب حجمها و / أو قطبيتها (الشكل 5). من الأمثلة الشائعة على الانتشار الميسر حركة الجلوكوز في الخلية ، حيث يتم استخدامه لصنع ATP. على الرغم من أن الجلوكوز يمكن أن يكون أكثر تركيزًا خارج الخلية ، إلا أنه لا يمكنه عبور طبقة ثنائية الدهون عن طريق الانتشار البسيط لأنها كبيرة وقطبية. لحل هذه المشكلة ، يقوم بروتين ناقل متخصص يسمى ناقل الجلوكوز بنقل جزيئات الجلوكوز إلى الخلية لتسهيل انتشارها إلى الداخل.

الشكل 5. الانتشار الميسر. (أ) يحدث الانتشار الميسر للمواد التي تعبر غشاء الخلية (البلازما) بمساعدة البروتينات مثل بروتينات القناة والبروتينات الحاملة. تعتبر بروتينات القناة أقل انتقائية من البروتينات الحاملة ، وعادة ما تميز بشكل معتدل بين حمولتها بناءً على الحجم والشحنة. (ب) تكون البروتينات الحاملة أكثر انتقائية ، وغالبًا ما تسمح فقط لنوع معين من الجزيء بالعبور.

على الرغم من أن أيونات الصوديوم (Na +) تتركز بشكل كبير خارج الخلايا ، إلا أن هذه الإلكتروليتات مستقطبة ولا يمكنها المرور عبر طبقة الدهون غير القطبية ثنائية الغشاء. يتم تسهيل انتشارها عن طريق بروتينات الغشاء التي تشكل قنوات الصوديوم (أو "المسام") ، بحيث يمكن لأيونات الصوديوم أن تتحرك أسفل تدرج تركيزها من خارج الخلايا إلى داخل الخلايا. هناك العديد من المواد المذابة الأخرى التي يجب أن تخضع للانتشار الميسر للانتقال إلى الخلية ، مثل الأحماض الأمينية ، أو للانتقال خارج الخلية ، مثل النفايات. لأن الانتشار الميسر هو عملية سلبية ، فإنه لا يتطلب إنفاق الطاقة من قبل الخلية. يمكن للماء أيضًا أن يتحرك بحرية عبر غشاء الخلية لجميع الخلايا ، إما من خلال قنوات البروتين أو عن طريق الانزلاق بين ذيول الدهون في الغشاء نفسه.

عثموسيسهو انتشار الماء من خلال غشاء نصف نافذ (الشكل 6).

الشكل 6. التناضح. التناضح هو انتشار الماء من خلال غشاء نصف نافذ أسفل تدرج تركيزه. إذا كان الغشاء منفذاً للماء ، وإن لم يكن مذابًا ، فإن الماء سيعادل تركيزه عن طريق الانتشار إلى جانب تركيز الماء المنخفض (وبالتالي جانب تركيز الذائبة الأعلى). في الدورق الموجود على اليسار ، يكون المحلول الموجود على الجانب الأيمن من الغشاء مفرط التوتر.

لا يتم تنظيم حركة جزيئات الماء نفسها بواسطة الخلايا ، لذلك من المهم أن تتعرض الخلايا لبيئة يكون فيها تركيز المواد المذابة خارج الخلايا (في السائل خارج الخلية) مساويًا لتركيز المواد المذابة داخل الخلايا ( في السيتوبلازم). يُقال أن هناك حلين لهما نفس تركيز المذابات مساوي التوتر (توتر متساوي). عندما تكون الخلايا وبيئاتها خارج الخلية متساوية التوتر ، يكون تركيز جزيئات الماء هو نفسه خارج الخلايا وداخلها ، وتحافظ الخلايا على شكلها الطبيعي (ووظيفتها). يحدث التناضح عندما يكون هناك خلل في المواد المذابة خارج الخلية مقابل داخل الخلية. يُقال أن المحلول الذي يحتوي على تركيز أعلى من المواد المذابة مقارنة بمحلول آخر مفرط التوتر، وتميل جزيئات الماء إلى الانتشار في محلول مفرط التوتر (الشكل 7). سوف تذبل الخلايا في محلول مفرط التوتر حيث يترك الماء الخلية عن طريق التناضح. في المقابل ، يُقال أن المحلول الذي يحتوي على تركيز أقل من المواد المذابة من محلول آخر نقص الضغط، وتميل جزيئات الماء إلى الانتشار خارج محلول ناقص التوتر. ستستهلك الخلايا الموجودة في محلول ناقص التوتر الكثير من الماء وتنتفخ ، مع خطر الانفجار في النهاية. يتمثل أحد الجوانب المهمة للتوازن في الكائنات الحية في خلق بيئة داخلية تكون فيها جميع خلايا الجسم في محلول متساوي التوتر. تعمل أنظمة الأعضاء المختلفة ، وخاصة الكلى ، على الحفاظ على هذا التوازن.

الشكل 7. تركيز الحلول. يحتوي المحلول مفرط التوتر على تركيز مذاب أعلى من محلول آخر. يحتوي المحلول متساوي التوتر على تركيز ذائب مساوٍ لمحلول آخر. يحتوي المحلول منخفض التوتر على تركيز مذاب أقل من محلول آخر.

هناك آلية أخرى إلى جانب الانتشار لنقل المواد بشكل سلبي بين الأجزاء وهي الترشيح. على عكس انتشار مادة من حيث تكون أكثر تركيزًا إلى أقل تركيزًا ، يستخدم الترشيح تدرج ضغط هيدروستاتيكي يدفع السائل - والمواد المذابة بداخله - من منطقة ضغط أعلى إلى منطقة ضغط أقل. الترشيح عملية بالغة الأهمية في الجسم. على سبيل المثال ، يستخدم الجهاز الدوري الترشيح لتحريك البلازما والمواد عبر البطانة البطانية للشعيرات الدموية والأنسجة المحيطة ، مما يمد الخلايا بالمغذيات. يوفر ضغط الترشيح في الكلى آلية لإزالة الفضلات من مجرى الدم.

النقل النشط

لقد انتهيت للتو من التحقيق في طرق النقل السلبية ، فلنلقِ نظرة الآن على الطرق النشطة. في الأساليب النشطة ، يجب أن تستهلك الخلية الطاقة (ATP) للقيام بعمل تحريك الجزيئات. غالبًا ما يحدث النقل النشط عندما يتم تحريك الجزيء عكس تدرج تركيزه أو عند نقل جزيئات كبيرة جدًا إلى خارج الخلية. هناك 3 أنواع رئيسية من العمليات النشطة.

أثناء النقل النشط ، يُطلب من ATP نقل مادة عبر الغشاء ، غالبًا بمساعدة ناقلات البروتين ، وعادةً ضد تدرج تركيزه. أحد أكثر أنواع النقل النشط شيوعًا يتضمن البروتينات التي تعمل كمضخات. ربما تستحضر كلمة "مضخة" أفكارًا لاستخدام الطاقة في ضخ إطار دراجة أو كرة سلة. وبالمثل ، فإن الطاقة من ATP مطلوبة لبروتينات الغشاء هذه لنقل المواد - الجزيئات أو الأيونات - عبر الغشاء ، عادةً مقابل تدرجات تركيزها (من منطقة ذات تركيز منخفض إلى منطقة تركيز عالٍ). ال مضخة الصوديوم والبوتاسيوم، والذي يسمى أيضًا N + / K + ATPase ، ينقل الصوديوم من الخلية أثناء نقل البوتاسيوم إلى الخلية. تعد مضخة Na + / K + مضخة أيونية مهمة توجد في أغشية العديد من أنواع الخلايا. هذه المضخات وفيرة بشكل خاص في الخلايا العصبية ، التي تضخ باستمرار أيونات الصوديوم وتسحب أيونات البوتاسيوم للحفاظ على التدرج الكهربائي عبر أغشية الخلايا. ان التدرج الكهربائي هو اختلاف في الشحنة الكهربائية عبر الفضاء. في حالة الخلايا العصبية ، على سبيل المثال ، يوجد التدرج الكهربائي بين داخل الخلية وخارجها ، مع وجود شحنة سالبة من الداخل (عند حوالي -70 مللي فولت) بالنسبة للخارج. يتم الحفاظ على التدرج الكهربائي السالب لأن كل مضخة Na + / K + تحرك ثلاثة أيونات Na + خارج الخلية واثنين من أيونات K + في الخلية لكل جزيء ATP يتم استخدامه (الشكل 8). هذه العملية مهمة جدًا للخلايا العصبية لدرجة أنها تمثل غالبية استخدام ATP.

الشكل 8. مضخة الصوديوم والبوتاسيوم. تم العثور على مضخة الصوديوم والبوتاسيوم في العديد من أغشية الخلايا (البلازما). تعمل المضخة بواسطة ATP على تحريك أيونات الصوديوم والبوتاسيوم في اتجاهين متعاكسين ، كل منهما مقابل تدرج تركيزها. في دورة واحدة للمضخة ، يتم بثق ثلاثة أيونات الصوديوم من الخلية ويتم استيراد أيوني بوتاسيوم إلى داخل الخلية.

لا تتضمن أشكال النقل النشط الأخرى ناقلات الغشاء. الالتقام (إحضار "إلى الخلية") هي عملية ابتلاع مادة للخلية عن طريق تغليفها بجزء من غشاء الخلية ، ثم الضغط على هذا الجزء من الغشاء (الشكل 9). بمجرد الضغط عليه ، يصبح جزء الغشاء ومحتوياته حويصلة مستقلة داخل الخلايا. أ حويصلة هو كيس غشائي - عضية كروية مجوفة يحدها غشاء ثنائي الطبقة من الدهون. غالبًا ما يجلب الالتقام الخلوي المواد إلى الخلية التي يجب تفكيكها أو هضمها. البلعمة ("أكل الخلية") هو الالتقام الخلوي للجزيئات الكبيرة. تشارك العديد من الخلايا المناعية في البلعمة من مسببات الأمراض الغازية. مثل القليل من الرجال باك ، فإن وظيفتهم هي مراقبة أنسجة الجسم بحثًا عن المواد غير المرغوب فيها ، مثل غزو الخلايا البكتيرية ، وتبلعمها ، وهضمها. على عكس البلعمة ، كثرة الكريات ("شرب الخلية") يجلب سائلًا يحتوي على مواد مذابة إلى الخلية من خلال حويصلات الغشاء.

الشكل 9. ثلاثة أشكال من الالتقام الخلوي. الالتقام الخلوي هو شكل من أشكال النقل النشط حيث تغلف الخلية المواد خارج الخلية باستخدام غشاء الخلية. (أ) في البلعمة ، وهي غير انتقائية نسبيًا ، تأخذ الخلية جسيمًا كبيرًا. (ب) في كثرة الخلايا ، تأخذ الخلية جزيئات صغيرة في السائل. (ج) على النقيض من ذلك ، فإن الالتقام الخلوي بوساطة المستقبل انتقائي تمامًا. عندما ترتبط المستقبلات الخارجية برباط معين ، تستجيب الخلية عن طريق الالتحام بالرابط.

الشكل 10. خروج الخلايا. خروج الخلايا يشبه إلى حد كبير الالتقام الخلوي في الاتجاه المعاكس. يتم تغليف المواد المعدة للتصدير في حويصلة داخل الخلية. يندمج غشاء الحويصلة مع غشاء الخلية ، ويتم إطلاق المحتويات في الفضاء خارج الخلية.

تأخذ البلعمة والكريات الحبيبية أجزاء كبيرة من المواد خارج الخلية ، وعادة ما تكون غير انتقائية للغاية في المواد التي تجلبها. تنظم الخلايا عملية الالتقام الخلوي لمواد معينة عن طريق الالتقام الخلوي بوساطة مستقبلات. بوساطة مستقبلات الإلتقام هو الالتقام الخلوي عن طريق جزء من غشاء الخلية يحتوي على العديد من المستقبلات الخاصة بمادة معينة. بمجرد أن ترتبط المستقبلات السطحية بكميات كافية من المادة المحددة (رابط المستقبل) ، ستلتحم الخلية بجزء من غشاء الخلية الذي يحتوي على مجمعات مستقبلات ليجند. الحديد ، وهو مكون مطلوب من الهيموجلوبين ، يتم تحطيمه بواسطة خلايا الدم الحمراء بهذه الطريقة. يرتبط الحديد ببروتين يسمى الترانسفيرين في الدم. ترتبط مستقبلات الترانسفيرين المحددة على أسطح خلايا الدم الحمراء بجزيئات الحديد-ترانسفيرين ، وتلتحم الخلية بمجمعات مستقبلات ليجند. على النقيض من الالتقام الخلوي ، طرد خلوي (إخراج "خارج الخلية") هي عملية تصدير مادة خلية باستخدام النقل الحويصلي (الشكل 10).

تصنع العديد من الخلايا مواد يجب إفرازها ، مثل مصنع يصنع منتجًا للتصدير. عادة ما يتم تعبئة هذه المواد في حويصلات مرتبطة بالغشاء داخل الخلية. عندما يندمج غشاء الحويصلة مع غشاء الخلية ، تطلق الحويصلة محتوياتها في السائل الخلالي. ثم يصبح غشاء الحويصلة جزءًا من غشاء الخلية. تنتج خلايا المعدة والبنكرياس وتفرز إنزيمات الجهاز الهضمي من خلال إفراز الخلايا (الشكل 11). تنتج خلايا الغدد الصماء الهرمونات وتفرزها والتي يتم إرسالها في جميع أنحاء الجسم ، وتنتج خلايا مناعية معينة وتفرز كميات كبيرة من الهيستامين ، وهو مادة كيميائية مهمة للاستجابات المناعية.

الشكل 11. خلايا البنكرياس & # 8217 منتجات الإنزيم. تنتج خلايا البنكرياس أسينار وتفرز العديد من الإنزيمات التي تهضم الطعام. الحبيبات السوداء الدقيقة في هذه الصورة المجهرية الإلكترونية عبارة عن حويصلات إفرازية مملوءة بالأنزيمات التي سيتم تصديرها من الخلايا عبر طرد الخلايا. LM × 2900. (صورة مجهرية مقدمة من Regents of University of Michigan Medical School © 2012)

أمراض الخلية: التليف الكيسي

يؤثر التليف الكيسي (CF) على ما يقرب من 30000 شخص في الولايات المتحدة ، مع الإبلاغ عن حوالي 1000 حالة جديدة كل عام. يشتهر المرض الوراثي بأضراره التي تلحق بالرئتين ، مما يتسبب في صعوبات في التنفس والتهابات رئوية مزمنة ، ولكنه يؤثر أيضًا على الكبد والبنكرياس والأمعاء. منذ حوالي 50 عامًا فقط ، كان تشخيص الأطفال الذين ولدوا مصابين بالتليف الكيسي قاتمًا للغاية - نادرًا ما يتجاوز متوسط ​​العمر المتوقع 10 سنوات. اليوم ، مع التقدم في العلاج الطبي ، يعيش العديد من مرضى التليف الكيسي في الثلاثينيات من العمر.

تنجم أعراض التليف الكيسي عن خلل في قناة أيون غشائية تسمى منظم توصيل الغشاء عبر التليف الكيسي ، أو CFTR. في الأشخاص الأصحاء ، يعتبر بروتين CFTR عبارة عن بروتين غشائي متكامل ينقل Cl - أيونات خارج الخلية. في الشخص المصاب بالتليف الكيسي ، يتم تحور جين CFTR ، وبالتالي ، تصنع الخلية بروتين قناة معيب لا يتم دمجه عادةً في الغشاء ، ولكن بدلاً من ذلك تتحلل بواسطة الخلية. يتطلب CFTR ATP لكي يعمل ، مما يجعل Cl - النقل الخاص به شكلاً من أشكال النقل النشط. حيرت هذه الخاصية الباحثين لفترة طويلة لأن الأيونات الكلورية تتدفق بالفعل تحت تدرج تركيزهم عند نقلهم خارج الخلايا. النقل النشط بشكل عام يضخ الأيونات ضد تدرج تركيزهم ، لكن CFTR يقدم استثناء لهذه القاعدة. في أنسجة الرئة الطبيعية ، تحافظ حركة Cl خارج الخلية على بيئة سالبة الكلور غنية بالكلور خارج الخلية مباشرة. هذا مهم بشكل خاص في البطانة الظهارية للجهاز التنفسي.

تفرز الخلايا الظهارية التنفسية المخاط الذي يعمل على حبس الغبار والبكتيريا وغيرها من الحطام. أ الهدب (جمع = أهداب) أحد الزوائد الشبيهة بالشعر الموجودة في خلايا معينة. تعمل الأهداب الموجودة على الخلايا الظهارية على تحريك المخاط وجزيئاته المحتبسة عبر الممرات الهوائية بعيدًا عن الرئتين باتجاه الخارج. لكي يتم تحريكه بشكل فعال إلى أعلى ، لا يمكن أن يكون المخاط لزجًا للغاية ، بل يجب أن يكون له قوام رقيق ومائي. يؤدي نقل Cl - والحفاظ على بيئة كهربية خارج الخلية إلى جذب الأيونات الموجبة مثل Na + إلى الفضاء خارج الخلية. يؤدي تراكم أيونات Cl - و Na + في الفضاء خارج الخلية إلى تكوين مخاط غني بالسائل المذاب ، والذي يحتوي على تركيز منخفض من جزيئات الماء. نتيجة لذلك ، من خلال التناضح ، ينتقل الماء من الخلايا والمصفوفة خارج الخلية إلى المخاط ، مما يؤدي إلى "تخفيفه". هذه هي الطريقة ، في الجهاز التنفسي الطبيعي ، يتم الاحتفاظ بالمخاط مخففًا بدرجة كافية ليتم دفعه خارج الجهاز التنفسي.

إذا كانت قناة CFTR غائبة ، لا يتم نقل أيونات الكلور خارج الخلية بأعداد كافية ، مما يمنعها من سحب أيونات موجبة. يؤدي عدم وجود أيونات في المخاط المفرز إلى عدم وجود تدرج طبيعي لتركيز الماء. وبالتالي ، لا يوجد ضغط تناضحي يسحب الماء إلى المخاط. يكون المخاط الناتج سميكًا ولزجًا ، ولا تستطيع الظهارة الهدبية إزالته بشكل فعال من الجهاز التنفسي. يتم حظر الممرات في الرئتين بالمخاط ، جنبًا إلى جنب مع الحطام الذي يحمله. تحدث الالتهابات البكتيرية بسهولة أكبر لأن الخلايا البكتيرية لا يتم نقلها بشكل فعال بعيدًا عن الرئتين.


C1. ديناميات الأغشية

الجزيئات ليست ثابتة ، بل ديناميكية. هذا ينطبق أيضًا على الركام الجزيئي. في الجزء الأول من القسم ، سنناقش الحركة الجامدة لجزيئات الدهون الكاملة في طبقة ثنائية ، داخل المنشور وبين المنشورات. في الجزء الثاني والملحق التالي ، سننظر في حركة الذرات داخل الجزيء. تتضمن الحركات حركات مثل ثني السندات ، وتمدد السندات وتغييرات زاوية الالتواء كما رأينا في قسم الفصل السابق حول مطابقة n- بيوتان. يمكن محاكاة موضع جميع الذرات داخل الجزيء كدالة للوقت - محاكاة الديناميكيات الجزيئية. تؤثر هذه الحركات على طاقة الجزيء ، والتي يمكن حسابها لمواضع ذرة معينة باستخدام الميكانيكا الجزيئية الكلاسيكية والكهرباء الساكنة.

يجب أن تكون الجسيمات الشحمية والطبقات الثنائية بشكل عام ديناميكيات إلى حد ما ، وإلا فإنها ستكون حواجز لا يمكن اختراقها ولا يمكن لأي شيء المرور عبرها. يجب أن تفصل أغشية الخلايا السطح الخارجي للخلية عن الداخل ، ولكن يجب أيضًا أن تسمح بمرور الجزيئات وحتى الأيونات عبر الغشاء. ما الدليل على أن الأغشية ديناميكية؟

أولاً ، يمكن أن تنتشر الدهون أفقياً في الغشاء. يمكن أن تظهر هذه على النحو التالي. اصنع جسيمًا شحميًا من فوسفاتيديليثانولامين ، PE ، الذي تم وصفه بـ TNBS (Trinitrobenzensulfonate). يمكن لـ NH2 الموجود على المجموعة الرئيسية لـ PE إرفاق TNBS الذي يخضع لاستبدال عطري محب للنيوكليوفيلي مع طرد SO3-2. تمتص مجموعة TNB المرتبطة بمجموعة رأس PE ضوء الأشعة فوق البنفسجية وتنبعث منها ضوءًا بطول موجي أعلى في عملية تسمى التألق. بعد ذلك ، باستخدام مجهر الفلورسنت ، يمكن تسجيل كثافة التألق لمنطقة من السطح. ثم يضيء الليزر على مساحة صغيرة من السطح ، والتي يمكن أن تبيض التوهج الضوئي في المنطقة. بمرور الوقت ، يمكن اكتشاف التألق من المنطقة مرة أخرى. المعدل الذي يعود به هو مقياس للانتشار الجانبي للدهون المسمى في المنطقة. يمكن أن تخضع الدهون للانتشار الجانبي بمعدل حوالي 2 مم / ثانية. هذا يعني أن الدهون يمكن أن تعبر سطح البكتيريا في 1 ثانية.

يجب أن يكون الانتشار المستعرض أو التقليب (حركة الفسفوليبيد من إحدى المنشورات إلى الأخرى ، وليس داخل نشرة معينة) أكثر صعوبة. تجريبيا ، يتم التحقيق في هذا كما هو موضح في الرسوم البيانية أدناه.

تجارب الجسيمات الشحمية: لاختبار انتشار flip-flop في غشاء اصطناعي ، يتم تصنيع الجسيمات الشحمية بمزيج من الكمبيوتر ومشتق الكمبيوتر الشخصي مع ملصق نيتروكسيد سبين (يحتوي على إلكترون واحد غير مزدوج). تحتوي كل من المنشورات الداخلية والخارجية للغشاء على جهاز الكمبيوتر المسمى. مثل البروتون في التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي ، يمتلك الإلكترون المفرد دورانًا يمكن أن يؤدي إلى ظهور إشارة رنين الإلكترون المغزلي (ESR) (حيث يؤدي البروتون إلى ظهور إشارة رنين مغناطيسي نووي) عند تشعيعه بالتردد المناسب للإشعاع الكهرومغناطيسي (الميكروويف) تردد ESR ، تردد الراديو لـ NMR) في وجود مجال مغناطيسي. يتم الاحتفاظ بالجسيمات الشحمية عند درجة حرارة 0 درجة مئوية ويتم تحديد إشارة ESR. حمض الأسكوربيك ، فيتامين قابل للذوبان في الماء ومضاد للأكسدة / عامل مختزل ، يضاف إلى الجسيمات الشحمية. هذا يقلل من جهاز الكمبيوتر المسمى بالدوران في النشرة الخارجية ، ولكن ليس المنشور الداخلي للطبقة الثنائية لأن حمض الأسكوربيك لا يمكن أن يدخل الجسيم الجسيمي أو يتفاعل معه بطريقة أخرى. هذا يقلل من إشارة ESR إلى قيمة أقل وثابتة. العينة مقسمة إلى قسمين. تُترك عينة واحدة عند 0 درجة مئوية ، ويتم رفع الأخرى إلى 30 درجة مئوية. يتم تسجيل إشارة ESR كدالة للوقت. لا يُظهر الإعداد 0 درجة مئوية أي تغيير في ESR مع مرور الوقت ، بينما تنخفض إشارة ESR الإعدادية عند 30 درجة مئوية مع مرور الوقت. ينتج هذا النقص من انتشار flip-flop للكمبيوتر الشخصي المسمى من النشرة الداخلية إلى الخارج ، والتخفيض اللاحق بواسطة حمض الأسكوربيك. تُظهر هذه التجارب في أنظمة الطبقة الثنائية التجريبية مثل الجسيمات الشحمية أن انتشار التقليب هو ترتيب من حيث الحجم أبطأ من الانتشار الجانبي.

الشكل: انتشار Flip / Flop في الجسيمات الشحمية أ: صنع الحويصلات باستخدام تناظري ESR للكمبيوتر النشط فقط في النشرة الخارجية

الشكل: انتشار الوجه / التقليب في الجسيمات ب: رفع درجة الحرارة لبدء الانقلاب / الانتشار

تجارب الخلايا: يمكن إجراء تجربة مماثلة مع البكتيريا. تتم إضافة 32 PO4 المشعة إلى الخلايا لمدة دقيقة واحدة ، مما يؤدي إلى وضع العلامات على الفوسفوليبيد المركب حديثًا (PL) والذي يقع في النشرة الداخلية. ثم يتم تقسيم الخلايا إلى عينتين. يتم تفاعل عينة واحدة على الفور مع TNBS ، والتي ستشير إلى PE فقط في النشرة الخارجية. يتم تحضين العينة الأخرى لمدة 3 دقائق (للسماح بتوليف PL) ثم تتفاعل مع TNBS. بعد فترة قصيرة من وضع العلامات ، يتم تدمير الخلايا عن طريق إضافة مذيبات عضوية تمنع التخليق الحيوي للدهون الجديدة. يتم استخلاص الدهون في المذيب ثم إخضاعها لـ TLC.

يمكن تصنيف الدهون بثلاث طرق. سيتم تصنيف البعض بـ 32 P وحده ، وبعضها مع TNBS وحدها ، والبعض الآخر مع كل من 32P و TNBS. يمكن لـ TLC (أو تقنيات أخرى مثل HPLC أو GC) بسهولة فصل أجهزة الكمبيوتر الشخصية وأجهزة الكمبيوتر التي تحمل علامة TNBS نظرًا لأن لها هياكل مختلفة وبالتالي ستنتقل إلى أماكن مختلفة على لوحة TLC. ومع ذلك ، لا يمكن لأي تقنية كروماتوغرافية فصل PC و 32 P-PC ، نظرًا لأن تركيبتها الجزيئية هي نفسها ، والفرق الوحيد هو في نوى P (عدد مختلف من النيوترونات).

يجب أن تكون تلك الدهون ذات الملصقات المزدوجة (TNB و 32 P) قد انقلبت من المنشور الداخلي إلى المنشور الخارجي حيث يمكن تسميتها بـ TNBS. الخلايا المحتضنة لمدة 3 دقائق قبل إضافة TNBS لديها مستوى أعلى بكثير من PL المسمى بشكل مضاعف. يُظهر قياس هذه البيانات كدالة لاختلاف وقت الحضانة في درجات حرارة مرتفعة أن معدل انتشار التقليب أعلى بكثير في الخلايا من الجسيمات الشحمية ، مما يشير إلى أن العملية محفزة ، على الأرجح بواسطة ناقل بروتين (flipase أو Transbilayer amphipath transporter - تات) في الخلايا.

الشكل: انتشار الوجه / التقليب في الخلايا البكتيرية أ: وسم النشرة الداخلية للدهون الفوسفورية بـ 32 ف

الشكل: انتشار Flip / Flop في الخلايا البكتيرية B: وضع العلامات على الخلايا في A باستخدام TNBS لاكتشاف Flip / Flop


هناك فئتان رئيسيتان من بروتينات النقل الغشائي: الناقلات والقنوات

مثل طبقات ثنائية الدهون الاصطناعية ، تسمح أغشية الخلايا للماء والجزيئات غير القطبية بالتخلل عن طريق الانتشار البسيط. ومع ذلك ، يجب أن تسمح أغشية الخلايا أيضًا بمرور الجزيئات القطبية المختلفة ، مثل الأيونات والسكريات والأحماض الأمينية والنيوكليوتيدات والعديد من مستقلبات الخلايا التي تعبر طبقات ثنائية الدهون الاصطناعية فقط ببطء شديد. بروتينات نقل الأغشية الخاصة هي المسؤولة عن نقل هذه المواد المذابة عبر أغشية الخلايا. توجد هذه البروتينات بأشكال عديدة وفي جميع أنواع الأغشية البيولوجية. ينقل كل بروتين فئة معينة من الجزيئات (مثل الأيونات أو السكريات أو الأحماض الأمينية) وغالبًا أنواع جزيئية معينة فقط من الفئة. تمت الإشارة إلى خصوصية بروتينات نقل الأغشية لأول مرة في منتصف الخمسينيات من القرن الماضي من خلال الدراسات التي وجدت فيها طفرات جينية واحدة تلغي قدرة البكتيريا على نقل سكريات معينة عبر غشاء البلازما. تم اكتشاف طفرات مماثلة الآن في البشر الذين يعانون من مجموعة متنوعة من الأمراض الوراثية التي تؤثر على نقل مذاب معين في الكلى أو الأمعاء أو العديد من أنواع الخلايا الأخرى. الأفراد المصابون بالمرض الوراثي بيلة سيستينية ، على سبيل المثال ، غير قادر على نقل بعض الأحماض الأمينية (بما في ذلك السيستين ، ثنائي الكبريتيد المرتبط بالسيستين) من البول أو الأمعاء إلى الدم ، يؤدي تراكم السيستين الناتج في البول إلى تكوين حصوات السيستين في الكلى .

تم العثور على جميع بروتينات نقل الغشاء التي تمت دراستها بالتفصيل على أنها بروتينات متعددة الكتلة عبر الغشاء - أي أن سلاسل البولي ببتيد الخاصة بها تعبر طبقة الدهون الثنائية عدة مرات. من خلال تشكيل مسار بروتيني مستمر عبر الغشاء ، تمكن هذه البروتينات مواد مذابة معينة من الماء من عبور الغشاء دون الاتصال المباشر بالجزء الداخلي الكارهة للماء للطبقة الدهنية الثنائية.

البروتينات الحاملة وبروتينات القناة هما الفئتان الرئيسيتان لبروتينات نقل الغشاء. البروتينات الحاملة (وتسمى أيضًا ناقلات, التصاريح، أو الناقلون) اربط المذاب المحدد الذي سيتم نقله وخضع لسلسلة من التغييرات التوافقية لنقل المذاب المرتبط عبر الغشاء (الشكل 11-3). في المقابل ، تتفاعل بروتينات القناة مع المذاب ليتم نقلها بشكل أضعف بكثير. إنها تشكل مسامًا مائية تمتد عبر طبقة الدهون الثنائية عندما تكون هذه المسام مفتوحة ، فهي تسمح لمذابات معينة (عادةً أيونات غير عضوية ذات حجم وشحنة مناسبة) بالمرور من خلالها وبالتالي عبور الغشاء (انظر الشكل 11-3). ليس من المستغرب أن يحدث النقل عبر بروتينات القناة بمعدل أسرع بكثير من النقل بوساطة البروتينات الحاملة.

الشكل 11-3

البروتينات الحاملة والبروتينات القناة. (أ) يتناوب البروتين الحامل بين تشكيلين ، بحيث يمكن الوصول إلى موقع ربط المذاب بالتسلسل على جانب واحد من الطبقة الثنائية ثم على الجانب الآخر. (ب) في المقابل ، يشكل بروتين القناة (المزيد).


علم الأحياء المستوى - الحركة عبر أغشية الخلايا

تُعد أغشية الخلايا حاجزًا أمام معظم المواد ، ويسمح هذا الحاجز باستبعاد المواد من الخلايا - مما يسمح بالحفاظ على البيئة داخل الخلايا منفصلة عن البيئة خارج الخلية. تسمح أغشية الخلايا أيضًا بتعبئة الأشياء داخل الخلايا - فكر في كل تلك العضيات الخلوية مثل الميتوكوندريا والريبوزومات والأحماض النووية مثل DNA و RNA.

يعد التقسيم الخلوي ضروريًا أيضًا للحياة ، لأنه يتيح حدوث كل تلك التفاعلات البيولوجية التي لا يمكن أن تحدث - تذكر أن سيتوبلازم الخلايا هو مكان مزدحم للغاية - ليس فقط توفير العصارة الخلوية لـ & # 39aceccommodate & # 39 العضيات ولكنه أيضًا المكان الذي يحدث فيه الكثير من الكيمياء الحيوية الخلوية! ولا تنسى أن الخلايا حقيقية النواة يمكنها أيضًا تقسيم المواد داخل العضيات أيضًا (مثل الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء).

لذلك ، الخلايا لديها هذا الحاجز. هذا الغشاء الخلوي ، ولكن من الواضح أن الأشياء تحتاج إلى أن تكون قادرة على الدخول والخروج من الخلايا ، وهناك عدد من الطرق التي يمكن للمواد من خلالها التحرك عبر غشاء الخلية.

انتشار الدهون (ويعرف أيضا باسم الانتشار البسيط / السلبي).

الحويصلات (مثل إفراز الخلايا وندرة الخلايا).

مستوى بيولوجيا - انتشار بسيط / سلبي

تحقق من المكان الذي يتناسب فيه هذا الدرس مع مواصفات الاختبار الخاصة بك!

في هذا الدرس تعلمنا عن الانتشار السلبي (قد تعرف هذا أيضًا باسم انتشار الدهون - حيث تنتشر المواد مباشرة من خلال طبقة ثنائية الفوسفوليبيد ، أو قد تعرفها على أنها انتشار بسيط قديم. وفي كلتا الحالتين ، يمكن فقط لمواد قليلة الانتشار مباشرة من خلال جزء ثنائي الطبقة الدهنية من غشاء الخلية.

المواد الوحيدة التي يمكنها القيام بذلك هي الجزيئات القابلة للذوبان في الدهون مثل المنشطات ، أو الجزيئات الصغيرة جدًا ، مثل الماء والأكسجين وثاني أكسيد الكربون.

mv2.png / v1 / fill / w_142، h_170، al_c، usm_0.66_1.00_0.01، blur_2 / Passive٪ 20Diffusion٪ 20Image٪ 201.png "/>

بالنسبة لهذه الجزيئات ، فإن غشاء الخلية ليس كثيرًا من الحاجز & # 39 & # 39 على الإطلاق. نظرًا لأن انتشار الدهون هو (من الواضح) عملية انتشار سلبية ، أي لا توجد طاقة ولا يمكن للمواد إلا أن تتحرك إلى أسفل تدرج تركيزها.

لا يمكن للخلية التحكم في الانتشار السلبي (الدهني) ، بمعنى أنه يتم تشغيله أو إيقاف تشغيله (خاضع للتنظيم) ، على سبيل المثال ، يمكن تنظيم النقل النشط بواسطة الخلية.

يجب أيضًا أن تبدأ في التفكير في الانتشار من حيث تأثير مساحة السطح والمسافة على معدل الانتشار.

العلاقة بين حجم الكائن الحي (أو الهيكل) والمساحة السطحية: نسبة الحجم - أهمية ذلك بالنسبة لتبادل المواد والحرارة مهمة لفهم وتطبيق العديد من مجالات علم الأحياء. لنبدأ بالتفكير في خلايا الكائنات متعددة الخلايا التي قد تتمايز وتتكيف مع وظائف محددة. الأنسجة عبارة عن تجمعات من الخلايا المتشابهة ، والأعضاء عبارة عن هياكل تؤدي وظائف فسيولوجية محددة. تعد تكيفات أشكال الجسم في الكائنات الحية وتطور الأنظمة متعددة الخلايا في الكائنات الأكبر حجمًا تكيفات تسهل التبادل نظرًا لأن المساحة السطحية: تقل نسبة الحجم.

مساحة السطح: من المهم أن تضع في اعتبارك نسبة الحجم (SA: V) عندما تتعرف على الطرق العديدة التي تتحرك بها المواد عبر أغشية الخلايا ، وعلى وجه الخصوص هي السبب الحقيقي وراء تطور أنظمة تبادل الغازات في كائنات أكبر متعددة الخلايا.

تطور تطوير أسطح تبادل الغازات الداخلية في الكائنات الحية الأكبر حجمًا للحفاظ على معدلات التبادل المناسبة.

تحتاج الكائنات الحية ذات الأسطح الداخلية لتبادل الغازات إلى أنظمة لنقل الغازات بين البيئة وهذه الأسطح. من المهم أن تكون قادرًا على النظر في هذه الهياكل والتكيفات من حيث الوظيفة (لأسطح / أنظمة تبادل الغازات) فيما يتعلق بالبيئة التي تكيفت الكائنات الحية لتعيش فيها.

على سبيل المثال ، ضع في اعتبارك مقارنة وتباين أنظمة تبادل الغازات في الثدييات (الحويصلات الهوائية ، والقصبات الهوائية ، والشعب الهوائية ، والقصبة الهوائية ، والرئتين) مع نظام التهوية للأسماك العظمية (الصفائح الخيشومية والشعيرات الخيشومية - ومبدأ التيار المضاد). قارن كيف تتبادل الحشرات الأرضية بأنظمتها الرغامية غازات الجهاز التنفسي مع بيئتها. لا تنسى الطرق التي بها أوراق النبات ثنائية الفلقة (الميزوفيل والثغور) ، تتبادل الغازات أيضًا - كيف تقارن هذه التكيفات وتتناقض مع بعضها البعض (لماذا لا تنشئ جدولًا لطيفًا لإظهار أوجه التشابه والاختلاف؟)

الآن بينما تتعرف على العديد من الموضوعات في بيولوجيا المستوى A الخاص بك ، يجب أن تدرك نطاق وعمق هذا الموضوع الواسع والمترابط ، وهي فكرة جيدة أن تبدأ بالتفكير مبكرًا حول الموضوع بشكل كلي - أو & quotsynoptically & quot. قم بعمل الروابط والخرائط الذهنية والجداول للمقارنة والتباين وأدرج الأفكار لكتابة المقالات السينوبتيكية. (بناءً على ما تعلمته حتى الآن - يمكنك البدء في إضافة & # 39 المزيد & # 39 مع زيادة فهمك وتغطيتك للموضوعات).

بيولوجيا المستوى - الانتشار الميسر

تحقق من المكان الذي يتناسب فيه هذا الدرس مع مواصفات الاختبار الخاصة بك!

في هذا الدرس تعلمنا عن الانتشار السهل. تعلمنا ذلك

الانتشار الميسر هو عملية سلبية يتم فيها مساعدة نقل المواد عبر الغشاء (أي تسهيل) بواسطة بروتين عبر الغشاء.

الانتشار الميسر هو عملية الانتشار السلبي.

تذكر! فقط لأن بروتينات الغشاء متورطة في انتشار الجزيئات عبر غشاء الخلية لا يعني أن هناك حاجة للطاقة.

في الانتشار الميسر ، لا يلزم وجود طاقة وانتشار المواد عبر غشاء الخلية بمساعدة بروتينات الغشاء - ولكن ، يمكن للجزيئات أن تتحرك فقط إلى أسفل تدرج تركيزها.

هناك نوعان من بروتين النقل:

تشكل بروتينات القناة مسامًا مملوءة بالماء أو قناة في الغشاء.

هذا يسمح للمواد المشحونة ، عادة الأيونات بالانتشار عبر أغشية الخلايا.

يمكن أن تكون معظم القنوات مغلقة (مفتوحة أو مغلقة) ، مما يسمح للخلية بالتحكم في دخول وخروج الأيونات.

تحتوي البروتينات الحاملة على موقع ارتباط لجزيء معين ، البروتينات الحاملة & # 39 flip & # 39 بين حالتين بحيث يكون موقع الارتباط مفتوحًا بالتناوب على جوانب متقابلة من الغشاء. ترتبط المواد بالبروتين الحامل على جانب غشاء الخلية حيث يكون بتركيز عالٍ ويتم إطلاقه على جانب غشاء الخلية حيث يكون التركيز منخفضًا.

العوامل المؤثرة في معدل الانتشار السلبي والميسر

تحقق من المكان الذي يتناسب فيه هذا الدرس مع مواصفات الاختبار الخاصة بك!

تحقق من مواصفات الامتحان الخاص بك

★ مرجع مواصفات AQA: - 3.2.3 النقل عبر أغشية الخلايا. تحدث الحركة عبر الأغشية عن طريق: الانتشار البسيط (الذي يتضمن قيودًا تفرضها طبيعة طبقة ثنائية الفوسفوليبيد). يمكن تكييف الخلايا للنقل السريع عبر أغشيتها الداخلية أو الخارجية عن طريق زيادة مساحة السطح أو عن طريق زيادة عدد قنوات البروتين والجزيئات الحاملة في أغشيتها.

★ مرجع مواصفات CIE: - 4 أغشية الخلايا والنقل. 4.2 حركة المواد داخل وخارج الخلايا: أ) وصف وشرح عمليات الانتشار.

★ Edexcel (علم الأحياء A & ndash Salters-Nuffield) مرجع المواصفات: - الموضوع 2: الجينات والصحة: ​​2.4 i) فهم المقصود بالنقل السلبي (الانتشار).

★ Edexcel (علم الأحياء ب) مرجع المواصفات: - الموضوع 4: التبادل والنقل. 2.4 آليات النقل الخلوي: ii فهم كيفية إحداث النقل السلبي عن طريق الانتشار.

★ OCR (علم الأحياء أ) مرجع المواصفات: - الوحدة 2: أسس في علم الأحياء: 2.1.5 الأغشية البيولوجية. (د) (1) حركة الجزيئات عبر الأغشية: لتشمل الانتشار والانتشار الميسر كطرق سلبية.

★ OCR (علم الأحياء ب) مرجع المواصفات: - الوحدة 2: الخلايا والمواد الكيميائية للحياة والنقل وتبادل الغازات. (ط) حركة الجزيئات عبر أغشية البلازما. لتشمل الانتشار والانتشار الميسر كطرق سلبية للنقل عبر الأغشية.

★ مرجع مواصفات WJEC: - المفاهيم الأساسية: 3. أغشية الخلايا والنقل. نظرة عامة: أغشية الخلايا ضرورية للتحكم في حركة المواد داخل وخارج الخلية. كما أنها تلعب دورًا حيويًا في التعرف على الخلايا. (ج) آليات النقل التالية: الانتشار والعوامل التي تؤثر على معدل الانتشار.

★ مرجع مواصفات AQA: - 3.2.3 النقل عبر أغشية الخلايا. تحدث الحركة عبر الأغشية من خلال: الانتشار الميسر (بما في ذلك القيود التي تفرضها طبيعة طبقة ثنائية الفوسفوليبيد). يمكن تكييف الخلايا للنقل السريع عبر أغشيتها الداخلية أو الخارجية عن طريق زيادة مساحة السطح أو عن طريق زيادة عدد قنوات البروتين والجزيئات الحاملة في أغشيتها.

★ مرجع مواصفات CIE: - 4 أغشية الخلايا والنقل. 4.2 حركة المواد داخل وخارج الخلايا: أ) وصف وشرح عمليات الانتشار الميسر.

★ Edexcel (علم الأحياء A & ndash Salters-Nuffield) مرجع المواصفات: - الموضوع 2: الجينات والصحة: ​​2.4 i) فهم المقصود بالنقل السلبي (الانتشار والانتشار الميسر.).

★ Edexcel (علم الأحياء ب) مرجع المواصفات: - الموضوع 4: التبادل والنقل. 4.2 آليات نقل الخلايا: ii فهم كيفية إحداث النقل السلبي عن طريق الانتشار والانتشار الميسر.

★ OCR (علم الأحياء أ) مرجع المواصفات: - الوحدة 2: أسس في علم الأحياء: 2.1.5 الأغشية البيولوجية. (د) (1) حركة الجزيئات عبر الأغشية: لتشمل الانتشار والانتشار الميسر كطرق سلبية.

★ OCR (علم الأحياء ب) مرجع المواصفات: - الوحدة 2: الخلايا والمواد الكيميائية للحياة والنقل وتبادل الغازات. (ط) حركة الجزيئات عبر أغشية البلازما. لتشمل الانتشار والانتشار الميسر كطرق سلبية للنقل عبر الأغشية.

★ مرجع مواصفات WJEC: - المفاهيم الأساسية: 3. أغشية الخلايا والنقل. نظرة عامة: أغشية الخلايا ضرورية للتحكم في حركة المواد داخل وخارج الخلية. كما أنها تلعب دورًا حيويًا في التعرف على الخلايا. (ج) آليات النقل التالية: الانتشار ، والانتشار الميسر ، والعوامل التي تؤثر على معدل الانتشار.


المواد والأساليب

زراعة الأنسجة

نمت خلايا PtK2 في DMEM (Sigma-Aldrich) مكملًا بنسبة 15 ٪ من مصل بقري جنيني (FBS Sigma-Aldrich) و 1 ٪ l -glutamine (Sigma-Aldrich). تمت زراعة خلايا CHO في DMEM / F12 (Lonza) مع إضافة 10٪ FBS و 1٪ l -glutamine. نمت خلايا Jurkat T في RPMI 1640 (Sigma-Aldrich) التي تحتوي على 10٪ FBS ، 1٪ l -glutamine ، و 10 ملي مولار 4- (2-هيدروكسي إيثيل) -1-بيبرازين إيثان سلفونيك أسيد (HEPES). تمت زراعة خلايا RBL في DMEM (Sigma-Aldrich) مع إضافة 10٪ FBS و 1٪ l -glutamine. لإنتاج GPMV ، نمت الخلايا على أطباق بتري 30 مم ، ولقياسات الانتشار في الخلايا الحية ، تم زراعتها على أغطية دائرية 18 أو 25 مم (# 1.5). عادة ، وصلت الخلايا إلى نقطة التقاء 50-70٪ قبل إجراء القياس.

وسم الخلية

تم تصنيف الخلايا في وسط L15 خالي من الفينول الأحمر (Sigma-Aldrich) بتركيز دهني قدره 1 ميكروغرام / مل (Atto647N-DPPE ، -SM ، -DOPE) لمدة 15 دقيقة عند درجة حرارة الغرفة. بعد غسل مرتين باستخدام L15 ، تم إجراء القياسات على الفور. تم إجراء وضع العلامات باستخدام Atto647N-H-GM1 في وسط كامل (2 ميكروغرام / مل) لمدة 15 دقيقة عند درجة حرارة الغرفة. لم تكن نظائرها الدهنية مقترنة بألبومين المصل البقري (BSA).

تم شراء نظائرها الدهنية Atto647N-DOPE و Atto647N-DPPE و Atto647N-SM من Atto-Tec. تم تصنيع Atto647N-GM1 (C18: 1 ، C18: 0) بواسطة Guenter Schwartzmann (جامعة بون ، بون ، ألمانيا Eggeling وآخرون.، 2009). تم شراء TF-Chol من Avanti Polar Lipids. تم إجراء عمليات التحويل لخلايا PtK2 باستخدام Lipofectamine 3000 (Thermo Fisher) ، وتم إجراء عمليات نقل لخلايا CHO باستخدام Turbofect (Thermo Fisher) ، وفقًا لبروتوكولات الشركة المصنعة. انظر Ozhan وآخرون. (2013) لـ Lypd6-GFP و Lypd-RFP. كان GPI-SNAP هدية من مختبر ستيفان هيل (معهد ماكس بلانك للكيمياء الفيزيائية الحيوية ، جوتنجن ، ألمانيا) ، تم الحصول على VAMP7 من مركز ولفسون للتصوير (أكسفورد ، المملكة المتحدة) ، وتم الحصول على GPI-GFP و GPI-RFP من مختبر كاي سيمونز (معهد ماكس بلانك لبيولوجيا الخلايا الجزيئية وعلم الوراثة ، دريسدن ، ألمانيا).

تم إجراء تسمية GPI-RFP أو Lypd6-RFP باستخدام جسم نانوي مرتبط بـ RFP مُسمى Atto647N (ChromoTek). تم تخفيف الجسم النانوي إلى 100 ميكروغرام / مل في 4 ٪ من مساحة سطح الجسم في محلول ملحي مخزّن بالفوسفات (PBS) وتخزينه عند 4 درجات مئوية. تم وضع العلامات بتركيز نهائي قدره 1 ميكروغرام / مل.

تم إجراء وسم SNAP باستخدام Abberior Star Red (Abberior) عند 2 ميكروغرام / مل في وسط كامل عند 37 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة. بعد خطوتين غسيل بمتوسط ​​كامل عند 37 درجة مئوية (30 دقيقة لكل منهما) ، تم إجراء قياسات وتصوير STED-FCS في L15.

تم وضع العلامات على قناع الخلية عن طريق إضافة 0.5 ميكرومتر (التركيز النهائي) CellMask Deep Red (Thermo Fisher) في وسط كامل. تم تحضينها لمدة 15 دقيقة عند درجة حرارة الغرفة وغسلها مرتين باستخدام L15 بعد ذلك.

GPMVs

تم تحضير GPMVs المشتقة من الخلايا وفقًا لـ Sezgin وآخرون. (2012 أ). لفترة وجيزة ، نمت الخلايا إلى التقاء 70 ٪ ، وغسلها بمخزن مؤقت GPMV (يحتوي على 10 ملي مولار HEPES ، 150 ملي كلوريد الصوديوم ، 2 ملي كلوريد الصوديوم2، الرقم الهيدروجيني 7.4) ، وبعد إضافة 2 ملي مولار DTT و 25 ملي مولار من PFA ، تم تحضين الخلايا لمدة 4 ساعات على الأقل (خلايا PtK2) أو ساعتين (خلايا CHO / RBL) عند 37 درجة مئوية للسماح للخلايا بإنتاج كمية كافية كمية GPMVs. في حالة عامل الحويصلة NEM ، تم غسل الخلايا باستخدام المخزن المؤقت GPMV واحتضانها بـ 2 مم NEM في المخزن المؤقت لـ GPMV لمدة لا تزيد عن ساعتين. تم تحضير GPMVs من الخلايا التائية باستخدام NEM كما هو موضح سابقًا (Koller وآخرون., 2017).

وضع العلامات وتثبيت GPMVs

تم حصاد المادة الطافية المحتوية على GPMV. تمت إضافة DSPE-PEG-biotin (Avanti Polar Lipids) إلى تركيز نهائي قدره 0.2 ميكروغرام / مل في تعليق GPMV. بعد 1.5 ساعة ، تم تصنيف GPMVs باستخدام التناظرية الدهنية المذابة بالإيثانول Atto647N-DPPE أو Atto647N-SM أو Atto647N-DOPE. تمت إضافتهم إلى محلول GPMV لتركيز نهائي قدره 0.1 و 0.2 و 0.14 ميكروغرام / مل على التوالي. تمت إذابة Atto647N-GM1 في ثنائي ميثيل سلفوكسيد وتمت إضافته إلى تركيز نهائي قدره 4 ميكروغرام / مل. بعد 15 دقيقة أخرى من الحضانة ، تم تدوير GPMVs عند 10000 دورة في الدقيقة لمدة 15 دقيقة ، وتم استبدال المادة الطافية بمخزن مؤقت جديد. كانت الخطوة الأخيرة حاسمة لإزالة الدهون الحرة بيوتينيلاتيد. بالنسبة لقياسات GPI-RFP أو Lypd6-RFP ، تمت إضافة جسم نانوي مرتبط بـ RFP المسمى Atto647N إلى تركيز نهائي قدره 2 ميكروغرام / مل قبل تدوير GPMVs لأسفل.

تم تجميد GPMVs باستخدام البيوتين والستربتافيدين. تم طلاء الأغطية الزجاجية بمزيج 5: 1 من BSA / BSA (Sigma-Aldrich) لمدة 1.5 ساعة ، وغسلها على نطاق واسع ، واحتضانها بمحلول 200 نانوغرام / مل ستربتافيدين (تقنيات الحياة) في برنامج تلفزيوني. بعد الغسل باستخدام المخزن المؤقت GPMV ، تمت إضافة GPMVs biotinylated. تم إجراء القياسات بعد 20 دقيقة. كانت GPMVs المجمدة مستقرة لعدة ساعات.

كان تكوين GPMVs من خطوط الخلايا الأخرى (CHO أو Jurkat) أسرع بكثير من PtK2 (خلال ساعتين). خلاف ذلك ، تم تشكيل هذه GPMVs ومعالجتها بنفس الطريقة. تم اختبار GPMVs لفصل الطور من قبل للتأكد من عدم فصلها في درجة حرارة الغرفة. تم العثور على GPMVs من خلايا PtK2 على مراحل منفصلة عن 10 درجات مئوية ، وبالتالي لم يتم فصلها طورًا في درجة حرارة الغرفة (الشكل التكميلي S4). تمت إضافة Fast-DiO (Sigma Aldrich) و Abberior Star Red-PEG-DSPE إلى GPMV بتركيز نهائي 100 نانوغرام / مل لتسمية المراحل المضطربة والمرتبة ، على التوالي.

تم تحضير GUVs عن طريق التشكيل الكهربائي (Garcia-Saez وآخرون.، 2010). تم نشر محلول DOPC (Avanti Polar Lipids) بتركيز 1 مجم / مل في الكلوروفورم على أسلاك بلاتينية. بعد تبخر المذيب ، تم غمس الأقطاب الكهربائية في 300 ملي مولار من السكروز. تم تطبيق مجال كهربائي بتردد 10 هرتز وإمكانية 2 فولت لمدة ساعة واحدة ، متبوعًا بتردد 2 هرتز. تم التعامل مع GUVs بنصائح وقياسات مقطوعة تم إجراؤها في PBS. تم طلاء Coverslips بـ BSA. تم تصنيف GUVs عن طريق إضافة نظائرها الدهنية TopFluor-Cholesterol (Avanti Polar Lipids) أو Atto47N-DOPE أو Atto647N-SM أو Atto647N-DPPE إلى تركيز نهائي قدره 0.05 ميكروغرام / مل. تم استخدام Atto647N-GM1 بتركيز نهائي 0.005 ميكروغرام / مل.

طبقات ثنائية الدهون المدعومة

تم تحضير طبقات ثنائية الدهون المدعمة بواسطة طلاء الدوران (Clausen وآخرون.، 2015). تم تنظيف الأغطية سابقًا وتحريكها بواسطة حمض البيرانا (3: 1 حامض الكبريتيك وبيروكسيد الهيدروجين). تم تخزين الأغطية في الماء لمدة لا تزيد عن أسبوع واحد.

تم تدوير محلول من 1 مجم / مل DOPC في كلوروفورم / ميثانول على غطاء عند 3200 دورة في الدقيقة لمدة 45 ثانية. تتكون الطبقة الدهنية الثنائية من إعادة التميؤ باستخدام محلول SLB يحتوي على 10 ملي مولار HEPES و 150 ملي مول كلوريد الصوديوم pH 7.4. تم تصنيف SLB باستخدام AbberiorStar Red-DPPE (∼1: 2000 M نسبة Abberior) الواردة في حل DOPC الأولي.

الحصول على البيانات وتقييمها

تم أخذ قياسات التصوير المتحد البؤر ، و FCS ، و FCCS على مجهر متحد البؤر مقلوب Zeiss780 LSM مجهز بهدف 40 × C-Apochromat NA 1.2 W Corr FCS (زايس). استخدمنا جزيئات البروتين الدهني عالية الكثافة المسمى (هدية من Herbert Stangl ، MedUni Wien ، فيينا ، النمسا) كعنصر تحكم إيجابي FCCS ومزيج من Alexa 488 و Alexa 647 كعنصر تحكم سلبي لضمان محاذاة المجهر والترابط المتبادل الكامل يمكن الحصول عليها. بصرف النظر عن التحكم في Atto647N-GM1 في GPMVs (37 درجة مئوية) ، تم إجراء جميع القياسات في درجة حرارة الغرفة.

تم التقاط جميع بيانات التصوير STED-FCS و STED على مجهر Abberior STED المخصص (Abberior Instruments) كما هو موضح سابقًا (Clausen وآخرون.، 2014 جالياني وآخرون.، 2016). تم تجهيز المجهر بجهاز ربط (Flex02-08D ، يتم تشغيله بواسطة برنامج الشركة المصنعة Correlator.com). تم تحفيز الأصباغ باستخدام ليزر الصمام الثنائي النبضي 640 نانومتر (معدل التكرار 80 ميجاهرتز PicoQuant) بمتوسط ​​قوة إثارة من 5-10 ميكرو وات عند الهدف (UPlanSApo 100 × / 1.4 oil Olympus). بالنسبة لتسجيلات STED ، تم منع انبعاث التألق باستخدام الليزر النبضي القابل للضبط Mai Tai عند 780 نانومتر (معدل التكرار 80 ميجاهرتز نيوبورت) بنمط كثافة بؤرية على شكل دونات تتشكل بواسطة لوحة طور داخل مسار الحزمة. تم تشغيل المجهر باستخدام برنامج Abberior’s Imspector.

استخدام برنامج تركيب نقطة FoCuS (انتظر وآخرون.، 2016) ، تم تركيب جميع بيانات FCS حول انتشار الغشاء في SLBs و GUVs و GPMVs بنموذج انتشار ثنائي الأبعاد (2D) بما في ذلك حركية الحالة الثلاثية (مع وقت استرخاء ثابت يبلغ 5 ميكرو ثانية). للقياسات في غشاء البلازما للخلايا الحية ، يجب افتراض حركيات الحالة المظلمة الإضافية (مع وقت استرخاء ثابت قدره 100 ميكرو ثانية) لبيانات جميع الدهون التي تحمل علامة Atto647N (كما هو مشار إليه في Mueller وآخرون.، 2013). تم تركيب البيانات الخاصة بـ GFP السيتوبلازمي المجاني و Lifeact-GFP باستخدام معادلة انتشار ثلاثية الأبعاد مع مكون أو مكونين بعد تحديد المعلمة الهيكلية عن طريق قياسات Alexa 488 في الماء.

في قياسات STED-FCS ، القطر ، د، من بقعة المراقبة يتم ضبطها بواسطة متوسط ​​القوة صSTED من ليزر STED. أجرينا قياسات STED-FCS لـ AbberiorStar Red-DPPE في SLBs و GUVs في مختلف صSTED لمعايرة ملف د(صSTED) الاعتماد بشكل أكثر تحديدًا ، أجرينا قياسات المعايرة هذه قبل كل تجارب على SLBs (100 ٪ DOPC) لتسجيلات STED-FCS على الخلايا الحية وعلى GUVs (100 ٪ DOPC) لتلك الموجودة على GPMVs. نظرًا لأن AbberiorStar Red-DPPE ينتشر بحرية في كلا أغشية النموذج ، يمكننا حساب د(صSTED) الاعتماد باستخدام المعادلة التالية: و هي أوقات عبور الجزيئات التي تم فحصها من خلال نقطة المراقبة في متحد البؤر وبطاقة ليزر STED معينة ، على التوالي. قطر بقعة متحد البؤر من د = 240 نانومتر تم تحديده من صور متحد البؤر لخرز قرمزي 20 نانومتر (تقنيات الحياة) منتشرة على غطاء زجاجي مطلي بالبوليليسين (سيغما الدريتش).

معامل الانتشار (الظاهر) ، د، من و بالنسبة الى

At least 5–10 different cells were measured for each probe within a single measurement session, resulting in multiple FCS measurements (5–15 s) at different spots across the cell for every STED power. All measurements were repeated at least three times to confirm the reproducibility. Each single set of measurement was carried out in the same region of the cell at different spot sizes (STED laser powers). Power gradient was applied in the reverse order as well to avoid any artifacts due to the increasing laser power (confocal to high STED power and vice versa). Each data point in the graphs show the average of the different days and different cells. Error bars are the SDs of the mean.

Simulations

We performed Monte Carlo simulations to generate molecular tracks that characterized the different diffusion modes in our investigation. We generated fluorescence traces by passing the generated tracks through Gaussian spots of varying diameter, representative of the effect that different STED powers would have on the detection volume. Simulations were performed in a 2D circular space of radius 2500 nm and iterated using a 0.02-ms time step for a 20-s total duration. One hundred molecules were randomly initiated within the simulation, each with a free diffusion rate of 0.8 µm 2 /s. Molecules that diffused across the simulation boundary were wrapped to the opposite edge of the simulation boundary.

Trap diffusion in the first instance was simulated using a stochastic trapping model in which free diffusion is hindered randomly by molecular complex formation (Ringemann وآخرون.، 2009). In this mode, at each time step, we evaluate a probability for switching from the free diffusion state to the hindered state (د = 0.1 × 10 −9 µm 2 /s) and vice versa (in this case, with a probability of ص = 0.002 in both directions) corresponding to rates كتشغيل = كإيقاف = 8 × 10 5 for binding and release. For the simulation of hop diffusion, we first generated a mesh by randomly dispersing points on a grid and then applying a Voronoi transform on these points. Enough points were added to yield an average Voronoi region size of 100 nm in diameter (diameter calculated as ). Molecules in the hop diffusion simulation that randomly walked into new regions were only allowed to pass into that region based on probability صقفز = 0.25. If, upon evaluation, the molecule failed صقفز, it would move randomly in its existing region for that time step, whereas otherwise it would transition into the new region.

The spatial domain trapping simulation—an alternative to trapping through molecular complex formation—was performed by distributing circular domains of diameter 20 nm across the simulation area. Enough domains were distributed to cover 50% of the simulation space, and the positions were randomly perturbed over many iterations to ensure that the distribution of domains was random. Furthermore, during the random perturbation process, the domains were prevented from overlapping through a hard constraint. During the simulation, particles that crossed into or out of the domains would only be allowed to do so after evaluation of a probability test with a probability less than the صقفز القيمة (ص = 0.002), corresponding to the same rate constant as in the stochastic trapping model. During the simulation, particles that crossed into or out of the domains would only do so if, upon evaluation of a probability, the test was less than the صقفز القيمة (ص = 0.002), corresponding to the same rate constant as in the stochastic trapping model. Diffusion inside the circular domains was reduced to دفي = د/3.0, one-third of 0.8 µm 2 /s.

For each simulation, 10 random locations for focal spots were chosen, and in each location, nine different focal spots sizes (40–300 nm) were applied each simulation was repeated five times, generating 50 replicates for each focal spot size. Intensity traces were correlated using a multiple-tau correlation algorithm (Wahl وآخرون., 2003) and fitted using the foregoing procedure.


مناقشة

The most plausible interpretation of the influence of polymer molar mass and the coexistence of fast and slow diffusion in the same system is that polymer adsorption created nanodomains of lipid whose mobility was determined by the occluded area of the adsorbed polymer. The multivalency of these nanodomains, the multiple potential adsorption sites to which the lipid can bind, localizes lipids because the tendency to adsorb at any individual spot is amplified by the large number of potential binding sites. The data in Fig. 4 show that as ن → 150, د extrapolates to that characteristic of the naked lipid, implying that the slow mode disappears below a critical adsorbate size, the projected area of � lipid head groups. This result also explains why the slow mode disappears at saturated surface coverage: then there no longer exist localized multivalent binding sites. When surface coverage by the adsorbed polymers saturated, the multivalency of the discrete nanodomain situation disappeared. The ensuing homogeneous environment possessed a local binding energy only negligibly different from that of the naked bilayer.

Exploring this argument, we note that the size of these molecular-sized domains can tentatively be estimated from صز, the radius of gyration of the two-dimensional adsorbed polymer. For adsorbed QPVP chains, the persistence length can be estimated as 1.4 nm and the monomer length can be set as 0.26 nm. This estimate implies صز ≈ 4 and 9 nm for the molar masses 18,100 and 81,500 g·mol -1 , respectively, in turn implying surface areas أ ≈ 50 and 250 nm 2 , respectively. To put these results into perspective, for those lipids trapped in such nanodomains, these arguments suggest that collective diffusion as a unit replaced the independent diffusion of individual lipid molecules. The translational mobility of a particle embedded in biological membranes has been considered theoretically (22). These experiments show that lipid mobility is itself modified.

In summary, these measurements show how adsorption of objects of variable size modifies the mobility of lipids underneath the adsorbed object. The dependence on molar mass of the adsorbed molecule displays the same phenomenology as the diffusion of that same adsorbed macromolecule diffusion of the lipid appears to be slaved to it. Much prior work has taken the approach of considering the area-average mobility in membranes, but we have shown here that this approach is not always a good one mobility may vary from spot to spot on the membrane surface, despite the lipid composition being the same.

This work offers a mechanism of domain formation in lipid membranes. Traditionally, one thinks of situations where the spatial composition differs in the case of multiple lipid components, owing either to limited miscibility or the presence of stiffness-altering components such as cholesterol (23). The role of ensuing “rafts” in particular sees extensive discussion (24). In the present simpler system, this work shows that the process of polymer adsorption accomplishes this same function. The mechanism is possibly related to the known fact that adsorption modifies the local bending rigidity and the local spontaneous radius of curvature (25). This finding provides a perspective from which to interpret the physical heterogeneity that has been observed repeatedly over the years in more complicated systems involving multiple lipid components (8). By rational extension, there are possible implications for understanding dynamical events that depend on lipid mobility. If this effect generalizes to cellular environments, adsorption of peripheral membrane proteins to the outside of a cell may affect not just the mobility of the lipids underneath but also of those on the other leaflet, on the cytosolic side (and conversely). Similarly, one can imagine that it may have bearing on protein distributions in the membrane and in this manner influence docking, formation of synapses, and other membrane-mediated functions.


PROTEIN TURNOVER AT THE INM: AN ENHANCER OF COMPARTMENTAL IDENTITY?

While membranes play a defining role for compartment identity, compartment-specific proteins carry out specific functions. This poses a key problem for the NE of eukaryotes with an open mitosis, as the repeated breakdown of the NE and nuclear lamina during every mitotic cycle leads to loss of compartment identity by mixing of integral proteins of the ER and INM (Ellenberg وآخرون., 1997). The detailed events underlying NE reformation were reviewed recently (Ungricht and Kutay, 2017). Here we review mechanisms that maintain the NE proteome in interphase after the NE has formed, which is critical for cellular homeostasis since INM proteins that became effectively diluted due to cell duplication or are constantly removed via proteolysis (the average half-life of INM proteins is ∼3–4 d Buchwalter وآخرون., 2019b) need to be replaced. Equally important, particular physiological situations may require tailored compositions of INM proteins, for example in the context of cellular differentiation or stress responses, requiring dynamic adjustments through synthesis, nuclear import, and degradation.

Once the NE has reformed and the permeability barrier of the NPC has been established, INM components replenish the INM protein pool. Those INM proteins that bind lamin can diffuse from the ER to the INM and the reformed nuclear lamina, where they are locally retained by specific interaction with lamins and chromatin (Boni وآخرون., 2015 Ungricht وآخرون.، 2015). Importantly, the NPC imposes a diffusion barrier effectively separating the ER and contiguous ONM from the INM by restricting the passage to membrane proteins with cytosolic domains of less than 40–60 kDa (Ohba وآخرون., 2004 Ungricht وآخرون.، 2015). The molecular basis accounting for this property of the NPC is currently unknown. Structural information on the NPC-membrane interface at higher resolution is needed to resolve this conundrum. While this diffusion barrier can effectively exclude sizable membrane proteins, membrane proteins with smaller cytosolic domains may also need to be excluded from the INM as their presence there could potentially interfere with INM function.

One possible mechanism to enhance INM identity is to selectively remove proteins that do not belong to the INM and have “breached” the first selectivity filter. Indeed, a specialized branch of the ubiquitin (Ub)/proteasome system (UPS) is operative at the INM in both lower (Deng and Hochstrasser, 2006 Foresti وآخرون., 2014 Khmelinskii وآخرون., 2014) and higher (Tsai وآخرون., 2016 Buchwalter وآخرون., 2019b) eukaryotes, where it performs functions analogous to the ER-associated degradation (ERAD) machinery (Smoyer and Jaspersen, 2019). In brief, a typically polytopic Ub E3 ligase recognizes the substrate destined for degradation and mediates its ubiquitylation in conjunction with an Ub-conjugating enzyme. The ubiquitylated substrate is then extracted from the membrane and delivered to the 26S proteasome for degradation (Vembar and Brodsky, 2008). In yeast, the Asi1/2/3 complex and Doa10 are the E3 ligases responsible for turnover of INM proteins (Deng and Hochstrasser, 2006 Foresti وآخرون., 2014 Khmelinskii وآخرون., 2014) while the AAA+ ATPase Cdc48 and its human orthologue p97 mobilize the polyubiquitylated substrate from the INM in yeast and human cells, respectively (Foresti وآخرون., 2014 Tsai وآخرون., 2016) (Figure 2). The E3 ligases responsible for INM turnover in mammalian cells remain to be identified, though recently developed methodology relying on LBR-based model substrates for INM turnover may aid in their identification through proteomics-based or genome-wide screening approaches (Tsai وآخرون., 2019). Intriguingly, proteasomes were directly observed in association with the NE and in juxtaposition to nuclear pores in كلاميدوموناس رينهاردتي via cryo-EM tomography (Albert وآخرون., 2017), suggesting important roles for proteolytic systems at these sites. In yeast, the Asi2 subunit specifically recognizes transmembrane domains of orphan subunits of mislocalized ER proteins, leading to their removal from the INM through ubiquitylation, extraction by Cdc48, and subsequent turnover by the 26S proteasome (Natarajan وآخرون., 2019). It will be interesting to test whether the concept of “proteolytic sharpening” of compartmental identity via removal of proteins that “leak” into INM territory extends to the NE of mammalian cells, or even to other compartments.

FIGURE 2: A fusion checkpoint for nuclear pore biogenesis. Nuclear pore assembly after nuclear envelope reformation proceeds through an inside-out protrusion mechanism starting from the nuclear side. Early assembly intermediates contain NPC constituents that deform the inner nuclear membrane (INM). This structure needs to expand to bring the INM and outer nuclear membrane (ONM) in close proximity for fusion. Either the integrity of the NPC assembly intermediate is sensed or the transport competence of a late assembly intermediate is required to initiate fusion. This hypothetical checkpoint mechanism would prevent a transient perturbation of NE integrity and can potentially explain why multiple, distinct NPC assembly defects lead to NE blebs resembling late assembly intermediates that got arrested before fusion (see the text).

The turnover of polytopic membrane proteins from the INM of mammalian cells can be very rapid. The half-life of truncated LBR variants is about ∼10–15 min (Tsai وآخرون., 2016), which is significantly faster than the turnover of unrelated polytopic ERAD substrates, typically in the range of hours (Cambridge وآخرون.، 2011). Thus, the INM-resident proteolytic system would be perfectly suited for rapid regulatory switches to initiate, for example, transcriptional responses following physiological stimuli. Given that regulatory proteolysis, such as the processing of transcription factors, plays key roles in mounting transcriptional responses to regulate lipid abundance (Goldstein and Brown, 2015) and phospholipid saturation (Rape وآخرون., 2001), it is tempting to speculate that additional roles of the UPS in lipid sensing or regulation will be identified at the INM. The close proximity to the transcriptional machinery would make the NE an ideal relay station to sense and amplify changes in membrane composition, through either alterations in lipid composition or membrane fluidity caused by packing defects. Similar functions linking mechanosensation to a transcriptional output can be envisioned.


Lipid Diffusion - Biology

Lipids make up the bulk of biological membranes, and it's reasonable to suppose their large numbers greatly influence membrane structure and function. Indeed, it's not too far-fetched to say membrane lipids and their interactions "create" biological membranes. How do such small molecules exert such a large role? To answer this question we need to examine the structure of lipids themselves.

Most cellular lipids are derived chemically from the three-carbon alcohol, glycerol, through covalent linkages with up to three fatty acids. Specifically, a fatty acid may form an ester with each of glycerol's three alcohol residues, and the resulting lipids are called glycerides All membrane glycerides have fatty acid (hydrocarbon or acyl) residues attached to two adjacent glycerol carbons and a polar, often charged, residue linked covalently with the third carbon, and are called diacyl glycerides أو ببساطة diglycerides. Diglycerides containing phosphate as part of the polar residue are called, not surprisingly, phospholipid. Another major plasma membrane lipid is cholesterol. Different structural representations of these two membrane lipids are presented on the facing page. Note in particular, that both types of molecules consist of regions that are hydrophilic, or water-loving, and hydrophobic, or water-hating.

This schizophrenic nature of membrane lipids seems to be no accident! Scroll through the Table of Membrane Lipids on the next page and note all of the more common forms share this important feature: all membrane lipids have a hydrophobic region as well as a hydrophilic one. The long hydrocarbon chains of the fatty acids (or the fatty-acid like residues) projecting to the left of each lipid will not spontaneously interact with dipolar water molecules (or readily dissolve in aqueous solutions). Conversely, the different residues projecting to the right of each lipid are all polar and will readily interact with water. More technically, membrane lipids are called برمائي molecules, because they possess distinct regions with such different affinities for oil and for water. Even the very hydrophobic and insoluble cholesterol is slightly amphipathic, by virtue of its single alcohol residue.

The amphipathic nature of membrane lipids contrasts strikingly with the neutral triglycerides and cholesterol esters which are more abundant in our bodies than their amphipathic relatives.

How do you think these amphipathic molecules would behave if their concentrations were increased in an aqueous environment? in an organic solvent? at the interface between an aqueous and an organic solvent? Go on to the next page to consider the formation of lipid structures called micelles.


الملخص

Fluorescence correlation spectroscopy (FCS) measurements are widely used for determination of diffusion coefficients of lipids and proteins in biological membranes. In recent years, several variants of FCS have been introduced. However, a comprehensive comparison of these methods on identical systems has so far been lacking. In addition, there exist no consistent values of already determined diffusion coefficients for well-known or widely used membrane systems. This study aims to contribute to a better comparability of FCS experiments on membranes by determining the absolute diffusion coefficient of the fluorescent lipid analog 1,1′-dioctadecyl-3,3,3′,3′-tetramethylindodicarbocyanine (DiD) in giant unilamellar vesicles (GUVs) made of dioleoylphosphatidylcholine (DOPC), which can in future studies be used as a reference value. For this purpose, five FCS variants, employing different calibration methods, were compared. Potential error sources for each particular FCS method and strategies to avoid them are discussed. The obtained absolute diffusion coefficients for DiD in DOPC were in good agreement for all investigated FCS variants. An average diffusion coefficient of د = 10.0 ± 0.4 μm 2 s –1 at 23.5 ± 1.5 °C was obtained. The independent confirmation with different methods indicates that this value can be safely used for calibration purposes. Moreover, the comparability of the methods also in the case of slow diffusion was verified by measuring diffusion coefficients of DiD in GUVs consisting of DOPC and cholesterol.