Чем клеточная мембрана отличается от оболочки: Каковы различия между клеточной стенкой и клеточной мембраной? — Наука и Техника — Каталог статей

Пятьдесят миллиграмм альгината натрия растворяли в 5 мл буфера MES (50 мМ, pH = 5). К этому раствору добавляли NHS (14 мг, 0,12 ммоль), EDC (116 мг, 0,60 ммоль) и NH ₂ -PEG ₆ -N ₃ (28 мг, 0.08 ммоль). После перемешивания в течение 30 минут при комнатной температуре добавляли 55 мкл 6 М NaOH, чтобы довести pH до 7,5–8,0. Реакция протекала в течение ночи при комнатной температуре. Очистка достигалась 3-дневным диализом против воды (мембрана 10000 MWCO). Для дальнейшего удаления любых непрореагировавших реагентов раствор альгината-N ₃ осаждали холодным ацетоном, фильтровали и сушили. Конечный продукт альгинат-N ₃ растворяли в d.i. H ₂ O, профильтрованный через фильтр 0.Мембрана 22 мкм и лиофилизированная. Альгинат-N ₃ анализировали с помощью ЯМР-спектроскопии.

Получение макромера альгинат-DM2

Альгинат-DM2 получали с использованием щелочной реакции, не содержащей меди, путем смешивания альгината-N ₃ и ДНК-DBCO. Вкратце, 100 мкл 1% раствора альгината-N ₃ 1% масс. / Об. Инкубировали с 30 мкл 1 мМ ДНК-DBCO в течение 4 ч при 37 ° C. После конъюгирования альгинат-DM2 собирали и очищали с использованием ультрацентробежного фильтра Amicon 100 кДа.Для модификации Cy5 100 мкл 1% -ного раствора альгината-DM2 смешивали с 30 мкл 1 мМ Cy5-DBCO в течение 2 часов при 37 ° C. Для подтверждения успешного конъюгации использовали гель-электрофорез и УФ-видимую спектроскопию.

Количественный анализ макромера альгинат-DM2

К раствору, содержащему 1% альгината (мас. / Об.), Добавляли различные концентрации DM2 (50, 100, 150, 200 и 400 мкМ) и снимали спектры поглощения различных растворов. записано. Увеличение оптической плотности при λ = 260 нм соответствовало количеству DM2.Была построена калибровочная кривая, связывающая характеристики поглощения систем в зависимости от концентрации DM2. Затем готовили 1% альгинат-DM2 и регистрировали оптическую плотность при λ = 260 нм. На основании калибровочной кривой концентрацию DM2 в 1% -ном (мас. / Об.) Растворе альгинат-DM2 оценивали спектроскопически. На основании этого количественного анализа 2–3 молекулы ДНК были конъюгированы с одной альгинатной полимерной цепью.

Синтез BCW на поверхности частиц

Для исследования BCW на поверхности частиц использовали две частицы диаметром 500 нм и 5 мкм соответственно.Чтобы четко показать создание наноразмерного шаблона и BCW, мы использовали частицы размером 500 нм для анализа размера и дзета-потенциала. Все другие эксперименты проводились с частицами размером 5 мкм, если не указано иное. Покрытые стрептавидином частицы (500 нм) (1 мг) смешивали с биотинилированным ДНК-инициатором (DI, 2 нмоль) в 500 мкл буфера PBS при комнатной температуре в течение 1 ч на ротаторе. DI-модифицированные частицы собирали центрифугированием и дополнительно промывали PBS. Чтобы исследовать полимеризацию DM1 и альгината-DM2 на частицах, 0.1 мг частиц инкубировали в 800 мкл PBS, содержащего DM1 (1 мкМ) и альгинат-DM2 (1 мкМ), в течение 3 часов при комнатной температуре. Чтобы исследовать комплексообразование полиэлектролита, частицы с шаблоном инкубировали с 0,01% (мас. / Об.) Полилизина в PBS в течение 5 мин. После центрифугирования и двукратной промывки PBS частицы дополнительно инкубировали с 0,05% (мас. / Об.) Альгинатом в PBS в течение 5 мин. На каждом этапе размер и дзета-потенциал частиц контролировали с помощью Malvern Zetasizer Nano ZS.

Исследование стабильности BCW

DM1 был помечен FAM.Альгинат-DM2 был помечен Cy5. Анализ стабильности BCW проводился путем отслеживания изменений сигналов FAM и Cy5 как функции времени. Процедура синтеза матрицы и BCW была такой же, как описано выше для анализа изменения размера и дзета-потенциала, за исключением того, что для имитации клеток использовали частицы размером 5 мкм. Частицы инкубировали в RPMI 1640 с добавлением 10% фетальной бычьей сыворотки (FBS). Аликвоту растворов частиц удаляли в заранее определенные моменты времени. После промывания DPBS их анализировали с помощью проточной цитометрии.Эксперименты проводили в трех экземплярах.

Синтез BCW на живых клетках млекопитающих

Клетки CCRF-CEM центрифугировали, дважды промывали и повторно суспендировали в DPBS. 1 × 10 ⁶ клеток инкубировали в 400 мкл раствора холестерин-TEG-DI (1 мкМ, DPBS) в течение 30 мин для включения DI в клеточную мембрану посредством спонтанного внедрения холестерина в липиды мембраны. Затем DI-модифицированные клетки собирали, промывали и затем смешивали с DM1 (1 мкМ) и альгинат-DM2 (1 мкМ) в DPBS в течение 3 часов для образования супрамолекулярной ДНК-матрицы.Чтобы проверить влияние времени реакции на формирование матрицы на клетках, время полимеризации варьировали от 1 до 3 часов. Клетки собирали и измеряли интенсивность флуоресценции (сигнал Cy5 от альгината-DM2) с помощью проточной цитометрии. Для последующего образования комплекса с полиэлектролитом клетки, покрытые шаблоном, последовательно обрабатывали 0,01% (мас. / Об.) Полилизином в течение 1 мин и 0,05% (мас. / Об.) Альгинатом в течение 5 мин. Наконец, клетки, покрытые BCW, собирали центрифугированием перед любой характеристикой.

Просвечивающая электронная микроскопия (TEM)

Для приготовления образцов TEM голые или покрытые BCW клетки фиксировали в растворе глутаральдегида (2,5%). Затем образцы клеток фиксировали 1% тетроксидом осмия. После промывания какодилатным буфером (0,1 М) клетки обезвоживали серией растворов этанола (30, 50, 70, 90 и 100%). Все эти обработки проводились при 4 ° C. После этого клетки обрабатывали оксидом пропилена, пропитывали и заливали жидкой смолой.Блок смолы был разрезан на ультрамикротоме, и срезы были собраны на сетках. Визуализация проводилась под просвечивающим электронным микроскопом высокого разрешения FEI Talos F200X с использованием режимов ПЭМ и СТЭМ.

Количественное определение DI на поверхности клетки

Чтобы проверить влияние времени инкубации на отображение DI на поверхности клетки, 5 × 10 ⁵ клеток инкубировали в 400 мкл раствора холестерин-TEG-DI (1 мкМ, DPBS) при комнатной температуре в течение другого периода времени.Чтобы проверить влияние концентрации DI на отображение DI на поверхности клеток, 5 × 10 ⁵ клеток инкубировали с холестерином-TEG-DI (0,1–10 мкМ) в DPBS в течение 30 мин. DI-модифицированные клетки собирали, промывали и затем окрашивали DM1-FAM (1 мкМ). Среднюю интенсивность флуоресценции (MFI) клеток в каждой группе измеряли с помощью проточной цитометрии и сравнивали с известными стандартами (Quantum ™ FITC MESF, Bangs Laboratories) для определения количества DI на клетку.

Исследование транспорта антител через BCW и стабильности BCW

Для проверки молекулярного транспорта клетки инкубировали с антителом против CD4-FITC человека (Thermo Fisher, # 11-0049-42) в DPBS (разведение 1: 200) при 37 ° C. ° C в течение 10 мин.Затем клетки трижды промывали DPBS. Связывание анти-CD4 анализировали с использованием как проточной цитометрии, так и флуоресцентной визуализации. Ядра клеток окрашивали DAPI.

Для проверки стабильности клетки, покрытые BCW, обрабатывали FBS в двух случаях. Одну группу клеток культивировали в нормальной культуральной среде (RPMI 1640 с добавлением 10% FBS), а другую группу клеток культивировали в среде с пониженным содержанием сыворотки (RPMI 1640 с добавлением 1% FBS). Целью использования нормальной среды для культивирования клеток было оценить, могут ли покрытые клетки выдерживать выживание, прикрепление и пролиферацию.Целью использования среды с пониженным содержанием сыворотки было оценить, могут ли биологические жидкости сами по себе разлагать BCW. В заранее определенные моменты времени клетки анализировали с помощью проточной цитометрии и флуоресцентной визуализации.

Оценка усиления экранирования

Центробежная сила и осмотический дисбаланс использовались для демонстрации эффектов физического воздействия на клетки. В исследовании с центробежной силой клетки, покрытые BCW или без него, суспендировали в DPBS в концентрации 1 × 10 ⁶ клеток / мл.Центрифугирование повторяли пять раз. Каждое центрифугирование проводили в течение 5 мин при 4 ° C. Сила центрифугирования варьировалась от 110 до 6200 g. Клетки ресуспендировали в новом DPBS после каждого центрифугирования. После пятикратного центрифугирования клетки инкубировали в культуральной среде в течение 24 часов, и их жизнеспособность измеряли с помощью набора для определения жизнеспособности / цитотоксичности живых / мертвых клеток. Вкратце, клетки инкубировали с кальцеином-AM и гомодимером этидия-1 в концентрации 1 мкМ каждый. После 15 мин инкубации при комнатной температуре в темноте клетки визуализировали с помощью флуоресцентной микроскопии.Живые (зеленые) и мертвые (красные) клетки подсчитывали с помощью ImageJ. Жизнеспособность выражалась как отношение живых клеток к общему количеству клеток.

Клетки млекопитающих набухают в гипотонических условиях, разрывая плазматическую мембрану. Чтобы оценить реакцию клеток на осмотический дисбаланс, клетки (1 × 10 ⁶ клеток / мл), покрытые BCW или без него, окрашивали кальцеином-AM и повторно суспендировали в серии растворов NaCl (0,1–0,8%). После 10 мин инкубации клетки визуализировали с помощью флуоресцентной микроскопии.Клетки с разорванной мембраной практически не отображались под микроскопом. Таким образом, подсчитывали количество клеток, сохраняющих целостность (зеленая флуоресценция). Жизнеспособность выражали как отношение целостных клеток к общему количеству клеток. BCW-опосредованное усиление экранирования определяли с использованием уравнения. 1:

$$ {\ mathrm {\%}} \; {\ mathrm {Shielding}} \; {\ mathrm {extension}} = \ left ({N _ {{\ mathrm {BCW}}} — N_ { {\ mathrm {native}}}} \ right) / N _ {{\ mathrm {native}}} \; \ times \; 100 $$

(1)

, где N _BCW обозначает количество жизнеспособных клеток, покрытых BCW, а N _{нативный} обозначает количество жизнеспособных нативных клеток.

Биологические атаки изучались как in vitro, так и in vivo. Совместное культивирование клеток K562 и иммунных эффекторных клеток является обычным методом исследования иммунной атаки. Таким образом, в анализе in vitro клетки-мишени (клетки K562) метили путем инкубации с 1 мкМ CFSE в течение 5 мин. Меченые клетки дополнительно покрывали BCW в соответствии со стандартной процедурой, описанной выше. Клетки-мишени переносили в 48-луночный планшет из расчета 1 × 10 ⁵ клеток / лунку. Иммунные эффекторные клетки (клетки NK-92MI) добавляли в каждую лунку при различных соотношениях эффектор / мишень.Конечный объем доводили до 400 мкл. Совместное культивирование клеток K562 с клетками NK-92MI поддерживали при 37 ° C в течение 3 часов. После этого к каждому образцу добавляли иодид пропидия (PI) и инкубировали в темноте в течение 15 минут для мечения мертвых клеток. Клетки были визуализированы с помощью флуоресцентной микроскопии. Клетки, меченные CFSE (зеленые) и PI (красные), подсчитывали с помощью ImageJ. Жизнеспособность клеток определяли по (Nc-Np) / Nc, где Nc и Np указывают количество CFSE-положительных клеток и количество PI-положительных клеток, соответственно.

В анализе in vivo клетки RFP-hMSCs подкожно трансплантировали мышам BALB / c (возраст 6-8 недель). Исследование на животных проводили в соответствии с протоколом, утвержденным Комитетом по уходу и использованию животных (IACUC). Использование hMSC было одобрено институциональным комитетом по биобезопасности (IBC). Чтобы избежать распространения клеток после трансплантации, клетки пересаживали с фибриногеном. Вкратце, 1 × 10 ^{6 клеток} смешивали с 50 мкл раствора фибриногена (20 мг / мл) и 50 мкл раствора тромбина (2 ЕД / мл) и вводили подкожно в задний бок мышей.Изображение мышей получали на 1-й и 7-й день после трансплантации клеток с использованием системы визуализации Maestro In vivo (CRI, Woburn, MA). Цветовое кодирование интенсивности флуоресценции в произвольных единицах (а.е.) одинаково масштабируется для всех изображений. Поскольку МСК могут высвобождать сигнальные молекулы для индукции роста кровеносных сосудов, мы также сравнили МСК с BCW или без него в индукции роста кровеносных сосудов. 1 × 10 ⁶ человеческих МСК инъецировали в спинной бок мышей. Мышей умерщвляли асфиксией CO ₂ на 10 день.Ткань в месте трансплантации собирали, фиксировали в 4% растворе параформальдегида, блокировали парафином и делали срезы (толщиной 5 мкм). Срезы тканей депарафинизировали, кипятили в натрийцитратном буфере, блокировали 3% раствором BSA и обрабатывали кроличьими антителами против мышиного CD31 (Cell Signaling, # 77699, разведение 1: 200) с последующей инкубацией с Cy5-Goat anti-Rabbit. вторичное антитело (Thermo Fisher, # A10523, разведение 1: 200). Ткани были закреплены в SlowFade Diamon Antifade Mountant с DAPI.Флуоресцентные изображения были получены под микроскопом Olympus IX73 (Center Valley, PA). CD31-положительные области анализировали с помощью ImageJ. Парный тест Стьюдента t был использован для сравнения двух групп.

Границы | Клеточные мембраны, универсальный адаптивный композитный материал

Введение

Клеточная мембрана — один из наиболее важных и сложных биоматериалов живого вещества. Поэтому неудивительно, что в течение последних десятилетий он был предметом обширных исследований, дающих представление о захватывающем мире регуляторных процессов, которые контролируют локализацию и активность белков и липидов в клеточных мембранах (Singer and Nicolson, 1972; Edidin et al. ., 1991; Eggeling et al., 2009). Эти исследования установили, что биомеханические требования различаются для разных видов и субклеточных участков, что свидетельствует об огромном разнообразии и приспособляемости (Vasanji et al., 2004; van Meer et al., 2008). Тем не менее, несмотря на значительные достижения за последние несколько десятилетий, нам все еще не хватает полного понимания мембранной механики на поверхности клетки.

Индивидуальные липиды спонтанно самоорганизуются в бислой, который затем подвергается тепловым колебаниям (Faucon et al., 1989), изменения в локальном липидном составе (Estep et al., 1979) и устойчивые деформации мембран (Baumgart et al., 2003). Помимо липидов, клеточные мембраны также содержат белки, которые не только влияют на локальное липидное окружение (Contreras et al., 2011; Laganowsky et al., 2014) и механические свойства мембраны (Shi et al., 2018), но также делают мембрану проницаемой. на входящие раздражители. Эти сигналы могут изменять, среди прочего, мембранный потенциал (Nernst, 1889), форму (Chen et al., 2016; Graber et al., 2017) и липидный состав (Sugimoto et al., 1984). Важно, что изменения, индуцированные сигналом, также влияют на локализацию и активность мембраносвязанных (Carpenter et al., 1978) и цитозольных (Hancock et al., 1989) белков. Одной из основных мишеней таких сигналов является ассоциированный с мембраной кортикальный цитоскелет (Свиткина, 2020). Возможно, наиболее поразительной из его многих особенностей является способность цитоскелета генерировать механические силы толчка и притяжения (Peskin et al., 1993; Huxley and Simmons, 1971).Следовательно, за счет связывания мембран с соседней клеточной корой получается композитный материал, который в равной степени способен воспринимать внешние раздражители и реагировать на них.

В этом обзоре мы исследуем сложные механические свойства этого адаптивного композитного материала. Читатели, которым интересно узнать больше о передаче сигналов через клеточные мембраны или механике цитоскелета, мы ссылаемся на множество отличных обзоров, написанных в других местах (Huber et al., 2013; Lundberg and Borner, 2019; Svitkina, 2020). Прежде чем исследовать свойства материала клеточной мембраны, мы начнем с определения основных механических терминов.Далее мы покажем, как на эти свойства влияет его многообразное взаимодействие с клеточной корой в физиологических и патофизиологических условиях. В заключение мы укажем на будущие проблемы на пути к пониманию механических свойств этого захватывающего биоматериала.

Фундаментальная клеточная механика

Плазматическая мембрана и кортикальный цитоскелет вместе образуют композитный материал с уникальными биомеханическими характеристиками (Nicolson, 2014). Чтобы полностью оценить эту сложную структуру, нам сначала нужно ввести ряд терминов, которые будут неоднократно появляться на следующих страницах.Начнем с того, что на самом деле представляет собой композитный материал. Этот термин, возникший из технологии производства, обозначает два или более связанных материалов, в которых полученное соединение демонстрирует свойства, которыми не обладает ни один из отдельных компонентов сам по себе (Westkämper and Warnecke, 2011). Свойства материала композита являются функцией индивидуальных свойств материала его компонентов, их геометрии и поверхности раздела (т. Е. Способа соединения этих материалов). Следовательно, изменение одного из этих параметров повлияет на общие свойства композита.Если это происходит намеренно, например, в ответ на раздражитель, материал называют адаптивным композитным материалом. Для биологических мембран основными компонентами этого композитного материала являются плазматическая мембрана (ПМ), которая инкапсулирует клетку, кора клетки, выстилающая цитозольный участок ПМ, и соединение мембрана-кора (MCA), которое описывает интерфейс, соединяющий ПМ. и клеточная кора. Далее мы называем композитный материал, образующийся из комбинации PM, MCA и клеточной коры, «клеточной поверхностью».”

Введя основные термины, мы теперь должны резюмировать основные свойства материала. Для небольших деформаций любую деформацию мембраны можно рассматривать как суперпозицию трех основных типов деформации: чистое растяжение, сдвиг и изгиб (рис. 1А). Мембрана, на которую действует сила, действующая перпендикулярно ее краям, будет испытывать растягивающее напряжение и растяжение по площади. Сопротивление этому растяжению называется модулем растяжения K _e .Точно так же мембрана, на которую действуют силы, действующие параллельно ее краям, будет испытывать напряжение сдвига, в результате чего сопротивление деформации сдвига определяется модулем сдвига K _s . В то время как модуль растяжения и сдвига связывают деформацию с определенным напряжением, жесткость на изгиб K _B связывает кривизну с изгибающим моментом (то есть энергией, необходимой для изгиба мембраны до ее текущего состояния). Описанные до сих пор деформации являются чисто упругими и, следовательно, не зависят от времени.Однако биоматериалы часто демонстрируют поведение жидкости, включая пластическую деформацию, зависящую от времени. Следовательно, нам необходимо ввести четвертое свойство материала, вязкость η (рис. 1A, справа). Он отображает сопротивление жидкости напряжению сдвига при определенной скорости сдвига d⁢ud⁢y. В отличие от модуля сдвига, вязкость связана не с напряжением и деформацией, а со скоростью деформации. Изменяя один из этих четырех основных свойств материала или их комбинацию, можно добиться механической адаптации.Читатели, желающие узнать больше по этой теме, могут ссылаться на работы, написанные в другом месте (Камм, Гродзинский, 2015).

Рисунок 1. Основные свойства материала и виды деформации. (A) Слева направо мембрана, подверженная равномерному растягивающему напряжению σ, действующему перпендикулярно ее краям, вызывает увеличение площади (с A ₀ до A). На мембрану действуют силы, действующие параллельно ее поверхности, вызывающие напряжение сдвига τ _yx .Мембрана подвергается точечной нагрузке (F), действующей перпендикулярно ее поверхности, которая вызывает кривизну и, следовательно, изгибающий момент. Вязкость η, сопротивление жидкости сдвиговому напряжению τ, заданному при определенной скорости сдвига d⁢ud⁢y. (B) Основные свойства чисто эластичного (пружина, слева) и вязкого (демпфер, справа) материала. Чисто эластичный материал всегда возвращается в исходное состояние после деформации и демонстрирует линейную зависимость между напряжением и деформацией, в то время как чисто вязкий материал демонстрирует пластические (постоянные) деформации и линейную зависимость между напряжением и скоростью сдвига. (C) Модели из вязкоупругих материалов. Тело Максвелла (слева), состоящее из демпфера и пружины, соединенных последовательно, показывает, как вязкоупругую жидкость, остаточную деформацию после снятия нагрузки. Тело Кельвина (справа) возвращается, как вязкоупругое твердое тело, в исходное состояние после снятия нагрузки. Изображения адаптированы из Seidel et al. (2009) и Камм и Гродзинский (2015).

Наконец, давайте резюмируем типы деформаций, которые может испытывать материал. Свойства материала определяют его реакцию на механическое воздействие.В своей основной форме такая реакция может быть чисто эластичной или вязкой. Эластичный материал возвращается к своей первоначальной форме при деформации, в то время как вязкий материал остается деформированным после снятия нагрузки. Это поведение можно представить как пружину (эластичную) или демпферную (вязкую) соответственно (рис. 1B). Однако многие материалы демонстрируют вязкоупругий отклик, в котором вязкие и упругие свойства взаимосвязаны. Основными моделями такого поведения являются тела Максвелла и Кельвина (рис. 1C).В корпусе Максвелла упругие и вязкие элементы соединены последовательно, что приводит к упругой реакции на быстрые деформации, в то время как медленно прикладываемая нагрузка фиксируется пластичным образом. Напротив, тело Кельвина отображает упругие и вязкие элементы параллельно. Следовательно, под напряжением деформация со временем приближается к деформации упругого компонента, в результате чего она замедляется вязким элементом. Следовательно, тело Максвелла способно к пластической деформации (т.е. вязкоупругая жидкость), в то время как тело Кельвина всегда будет возвращаться к своей исходной форме при снятии нагрузки (т.е., вязкоупругое твердое тело). Как указано выше, мы отсылаем читателей, интересующихся этой темой, к работам, написанным в другом месте (Meyers and Chawla, 2010).

Разработка гипотетической биомиметической мембраны

Вдохновленные известной цитатой Ричарда Фейнмана « то, что я не могу создать, я не понимаю, », мы попытаемся на следующих страницах создать гипотетическую биомиметическую мембрану со следующими характеристиками: Она должна надежно отделять внутреннее пространство от внешнего. Кроме того, граница должна быть гибкой, настраиваемой и способной временно изменять свойства материала в ответ на поступающие сигналы.Для простоты и дидактических соображений мы разработали это как инженерную задачу (дополнительный рисунок S1 и дополнительный материал), последовательно увеличивая количество требований (т. Е. Требуемых функций) гипотетического материала. В каждом разделе мы начинаем с размышлений о том, как такая биомиметическая структура может быть сконструирована, прежде чем подробно исследовать, как это было выполнено в биологических системах.

Липидный бислой, основной модуль клеточных мембран

Самая основная функция нашего биомиметического материала — надежно отделить интерьер от внешней среды.Для достижения такого непрерывного барьера в водном растворе биомиметический материал должен быть способен противостоять разнице осмотического и гидростатического давления без утечки. В идеале материал должен собираться самопроизвольно, что ограничивает потребность в энергии и системах управления.

В клеточных мембранах амфипатические липиды спонтанно самоорганизуются в липидный бислой толщиной 5-7 нм с гидрофобными углеводными цепями, обращенными внутрь (Huang and Thompson, 1965). Это происходит для минимизации свободной энергии воды, возникающей в результате непрерывного образования и разрушения водородных связей (рис. 2А, справа).Сообщается, что чистые липидные бислои имеют модуль растяжения K _e в диапазоне от 100 до 1000 мН / м (Waugh and Evans, 1979), при этом значение ∼200 мН / м является наиболее широко принятым ( Rawicz et al., 2000). Рассматривая чистый липидный бислой с возможным поверхностным растяжением 5% (Hallett et al., 1993) и пренебрегая тепловыми флуктуациями (Evans and Rawicz, 1990), уравнение. 2,5 дюйма в коробке 1 дает нам разрывное напряжение 10 мН / м. Это значение соответствует опубликованным отчетам, в которых измеренное напряжение разрыва составляет от 3 до 10 мН / м, в зависимости от липидного состава бислоя (Olbrich et al., 2000). По закону Лапласа.

Рисунок 2. Модули клеточной мембраны. (A) Слева — гипотетическая биомиметическая мембрана, отделяющая внутреннюю часть от внешней. Справа липидный бислой представляет собой внешнюю структуру клеточной мембраны. На увеличении показан бислой толщиной 5–7 нм, состоящий из отдельных липидов. (B) Слева, гипотетический композитный материал, состоящий из гибкого корпуса, связанного с жесткими подмостями.Справа плазматическая мембрана плотно связана с корой головного мозга клетки, образуя композитный материал. Отдельные белки актина собираются в филаменты, которые обращены к клеточной мембране растущим концом. (C) Слева, гипотетический адаптивный композитный материал, который изменяет свойства материала при внешнем воздействии (красный). Справа континуум мембрана / кора легко реагирует на внешние раздражители (красный), что напоминает адаптивный композитный материал. Обратите внимание, что изменения в динамике актина также могут служить сигналом (красная пунктирная линия).

Вставка 1. Физика на поверхности клетки.

Далее мы рассматриваем клеточную поверхность как пластинку или оболочку, инкапсулирующую цитоплазму, следуя описанию Камма и Гродзинского (2015). В общем, любую деформацию можно представить как суперпозицию трех основных типов деформации: растяжения, изгиба и сдвига. Поверхностное натяжение определяется как получение энергии по отношению к площади, что означает, что энергия, необходимая для растяжения пластины на определенную величину, равна.

N = σ⁢h = E⁢h2-ν⁢ε = E⁢h3⁢ (1-ν) ⁢Δ⁢AA0 = Ke⁢Δ⁢AA0, (2.1)

, где σ обозначает равномерное нормальное напряжение, N — растяжение в плоскости, действующее на единицу длины (Н / м), E — модуль упругости (модуль Юнга), ν — коэффициент Пуассона, h — толщину пластины, ε — деформацию и K _e модуль упругости площади, определенный как K _e = E⁢h3⁢ (1-ν). Энергия, необходимая для изгиба пластины толщиной h в одном измерении, равна

Mx = Eb⁢e⁢n⁢d = -E⁢h412⁢ (1-ν2) ⁢δ2⁢uzδ⁢x2 = -KB⁢δ2⁢uzδ⁢x2, (2.2)

, где δ2⁢uzδ⁢x2 обозначает прогиб пластины в направлении z, а K _B жесткость на изгиб определяется как KB = E⁢h412⁢ (1-ν2). Эластичные материалы демонстрируют сопротивление деформации сдвига, возникающей, когда боковые поверхности пластины подвергаются двум различным поверхностным натяжениям. Это сопротивление задается модулем сдвига K _s с единицей Н / м, связывающей возникающую поперечную силу на единицу длины N _xy с величиной деформации сдвига, деформацией ε _ху .Сила сдвига на единицу длины является произведением напряжения сдвига τ _xy , умноженного на толщину листа h, что также может быть описано с помощью модуля сдвига G и деформации сдвига ε _xy . В соответствии с формулой. 2.2 модуль сдвига может быть выражен модулем Юнга E и коэффициентом Пуассона υ:

σx⁢y = τx⁢y⁢h = 2⁢G⁢εx⁢y = E1 + ν⁢εx⁢y = Ks⁢εx⁢y, (2.3)

Принимая во внимание окружающие клетки, мы должны применить термическую флуктуацию, добавив член случайной силы ξ ( t ), а для демпфирования движения мембраны внеклеточной жидкостью мы добавим член в форме ηe⁢δ⁢ uzδ⁢ (t) с эффективной вязкостью окружающей жидкости η _e , рассеивающей ее энергию.Если добавить тепловые колебания и рассеяние энергии из-за внешнего демпфирования жидкости, пренебрегая напряжением сдвига, получаем

Δ⁢p + ξ⁢ (t) = KB⁢ (δ4⁢uzδ⁢x4 + 2⁢δ4⁢uzδ⁢x2⁢δ⁢y2 + δ4⁢uzδ⁢y4) -N⁢ (δ2⁢uzδ⁢x2 + δ2⁢uzδ ⁢Y2) + ηe⁢δ⁢uzδ⁢t, (2.4)

, который дает нам более полную картину поведения клеточной мембраны. Обратите внимание, что принцип суперпозиции действителен только для небольших деформаций, где уместна линеаризация (например, небольшая дискретизация времени и пространства). Пренебрегая всеми членами, кроме давления и поверхностного натяжения — поскольку это может быть уместно для малых искривлений, уравнение.2.4 приводит к знаменитому уравнению Лапласа.

Δ⁢p = -N⁢ (δ2⁢uzδ⁢x2 + δ2⁢uzδ⁢y2) ≅N⁢ (1R1 + 1R2). (2.5)

Биоматериалы часто обладают вязкоупругими свойствами. Следовательно, мы также должны учитывать вязкость материалов η. В отличие от модуля упругости E , вязкость связывает напряжение не с деформацией материала, а со скоростью изменения деформации d⁢ε⁢ (t) d⁢t. Одним из способов описания свойств вязкоупругого твердого тела является модель Кельвина-Фойгта (см. Рис. 2C), которую можно представить в виде упругой пружины и вязкого демпфера, соединенных параллельно.Упругие свойства материала задаются модулем упругости E, а вязкие свойства — вязкостью η. Испытанное напряжение σ тогда равно

σ⁢ (t) = E⁢ε⁢ (t) + η⁢d⁢ε⁢ (t) d⁢t. (2.6)

Однако поверхность ячейки проявляет способность к пластической деформации и поэтому ведет себя больше как жидкость. Что касается коры клеток, это свойство возникает из-за скорости оборота связывающих белков. В отличие от вязкоупругого твердого тела, вязкоупругая жидкость может быть смоделирована телом Максвелла, которое можно представить в виде упругой пружины и вязкого демпфера, соединенных последовательно (см. Рисунок 2C).Испытываемое напряжение σ здесь равно

σ⁢ (t) + ηE⁢σ⁢ (t) dt = η⁢d⁢ε⁢ (t) d⁢t. (2.7)

Δ⁢p = 2⁢NR, (1.1)

, где N обозначает поверхностное натяжение, а R — главный радиус кривизны, мы находим, что PM может выдерживать перепад давления Δ p до 0,2 бар или 20 кПа, принимая радиус 1 мкм перед разрывом , замечательные характеристики, учитывая его толщину всего 5–7 нм.

Что касается свойств материала, упомянутых в начале раздела, липидный бислой уже обеспечивает превосходное сопротивление растяжению.Однако он легко деформируется при наличии сил внутри плоскости (то есть при низком сопротивлении сдвигу K _s ) или перпендикулярно ему (т.е. при низкой жесткости на изгиб K _B ). Следовательно, чтобы усилить структурную целостность границы и сделать ее настраиваемой, требуется дополнительная опора.

Интерфейс мембрана-кора образует композитный материал

Для нашего гипотетического биомиметического материала механические свойства корпуса могут быть дополнительно улучшены путем объединения его с самосборными лесами, которые с высокой степенью сродства связываются с гибким корпусом, образуя трехчастный композит: корпус, поддерживающие леса и соединительные элементы. клей (Рисунок 2B, слева).Легко представить, что размер, плотность и жесткость строительных лесов напрямую влияют на свойства материала композита. Однако эти свойства в равной степени зависят от схемы сборки лесов вдоль корпуса. Например, каркасы, сформированные из удлиненных структур, которые выровнены вдоль заранее определенной оси, будут давать поляризованные (то есть разные) модули изгиба вдоль основных кривизны. Напротив, всенаправленная сборка тех же структур будет создавать изотропные механические свойства.Помимо формы поддерживающей конструкции, расстояние между отдельными субъединицами также влияет на жесткость при изгибе (Naghieh et al., 2018). Одним из таких примеров является гель агарозы, который проявляет значительно более высокую устойчивость к напряжениям сдвига, чем его основной компонент — вода. Следовательно, мудро разработав геометрию поддерживающей конструкции или состав матричных частиц, могут появиться материалы с очень разными механическими свойствами.

Липидный бислой существенно отличается от поверхности клетки, которая не только более жесткая, но и демонстрирует более медленную латеральную диффузию (Edidin et al., 1991; Shi et al., 2018). Это ясно указывает на присутствие дополнительного поддерживающего материала, который взаимодействует с липидным бислоем. В клетках этот композитный материал образуется в результате взаимодействия плазматической мембраны с корой головного мозга (рис. 2В, справа). Клеточная кора состоит из прямых и разветвленных актиновых филаментов, которые сшиваются друг с другом (Mullins et al., 1998), образуя слой толщиной 100-200 нм на внутренней стороне PM (Chugh and Paluch, 2018). Помимо актина, кора клеток содержит в меньшей степени промежуточные филаменты и микротрубочки (Koning et al., 2008; Singh et al., 2018), обеспечивая возможность приложения механических сил и изменения местных свойств материала. Мембранная ассоциация клеточной коры достигается за счет специализированной группы белков, белков домена FERM (названных в честь его членов-основателей, белка 4.1, эзрина, радиксина и моэзина), которые одновременно связываются с липидами и белками (Chishti et al., 1998) . Этот динамический интерфейс, также называемый прикреплением мембраны к коре (Diz-Muñoz et al., 2010), преобразует две отдельные структуры в один композитный материал.Из уравнения. 2.2 во вставке 1 мы узнаем, что энергия искривления материала зависит от куба толщины. Следовательно, энергия, необходимая для изгиба клеточной коры толщиной 200 нм, на порядки выше, чем для липидного бислоя толщиной 5-7 нм. Следовательно, вкладом липидного бислоя в общую жесткость клеточной поверхности можно пренебречь из-за изменений формы на масштабах клеточной длины. Интересно, что высокочастотный режим спектра флуктуаций в анализах флуктуаций мембран, по-видимому, в значительной степени зависит от механических свойств PM (Gárate et al., 2015), предполагая, что мембрана, по крайней мере частично, способна свободно раскачиваться на небольших масштабах длины. Подобные высокие моды флуктуаций на масштабе десятков нанометров наблюдались также в везикулах (Betz, Sykes, 2012). Таким образом, изгибная жесткость поверхности клетки (см. Рис. 1A), вероятно, определяется корой клеток на клеточном уровне и частично несвязанными PM на субмикронных масштабах длины (Salbreux et al., 2012).

Связь клеточной коры с мембраной также влияет на поверхностное натяжение (Chugh et al., 2017). Клеточная мембрана прикрепляется к коре через линкерные белки, которые, в свою очередь, подвергаются натяжению кортикальным поверхностным натяжением N _cor , в результате чего получается.

Nc⁢o⁢r⁢2R = ρl⁢i⁢n⁢k⁢Fl⁢i⁢n⁢k, (1.2)

, где ρ _звено обозначает плотность линкерного белка, а F _звено силу, прикладываемую каждым линкером. Используя закон Лапласа (см. Также вставку 1, уравнение 2.5), находим.

Δ⁢p = NP⁢M⁢2R + ρl⁢i⁢n⁢k⁢Fl⁢i⁢n⁢k = (NP⁢M + Nc⁢o⁢r) ⁢2R, (1.3)

, что означает, что поверхностное натяжение клетки N _клетка представляет собой сумму натяжения мембраны N _PM и кортикального натяжения N _cor (Sens and Plastino, 2015). Давайте подробнее рассмотрим натяжение мембраны. В липидном бислое локальные градиенты натяжения мембраны (например, вызванные быстрым натягиванием троса) выравниваются по остальной части мембраны за считанные миллисекунды (Shi and Baumgart, 2015), что напоминает жидкость, в которой отсутствует напряжение сдвига. .Однако это меняется, как только PM прикрепляется к клеточной коре. Примерно четверть общей площади PM занято трансмембранными белками, половина из которых связана с клеточной корой (Bussell et al., 1995). Эти белки, если они прикреплены к коре клетки, служат препятствием, ограничивающим мембранный поток ( u ).

u = kηl⁢i⁢p⁢i⁢d⁢∇⁡N, (1.4)

с проницаемостью по Дарси k для пористой среды (то есть множеством препятствий) и вязкостью липидов η _{липидов} (Shi et al., 2018). Латеральная проницаемость k может быть описана как функция доли площади ϕ, занятой интегральными белками, и их радиуса a (Happel, 1959).

k≈-a2⁢ (1 + ln⁡ (ϕ)) 8⁢ϕ. (1.5)

Следовательно, если оно ограничено двумя измерениями, сопротивление потока уменьшается логарифмически с расстоянием до препятствия (а не экспоненциально). Поскольку логарифмическая функция расходится на большие расстояния, эффект будет заметен независимо от того, как далеко от препятствия мы оцениваем систему — явление, называемое парадоксом Стокса.В том же исследовании также было отмечено, что поверхностное натяжение ПМ, прикрепленного к коре клетки, распространяется с течением времени диффузным образом, определяемым выражением.

δ⁢Nδ⁢t = E⁢kηl⁢i⁢p⁢i⁢d⁢∇2⁡N, (1.6)

, где E обозначает модуль упругости PM, а η _липид вязкость липидов (т.е. вязкость жидкости, протекающей через эти препятствия). Обратите внимание, что уравнение. 1.6 демонстрирует поразительное сходство со вторым законом диффузии Фика. В своем элегантном исследовании Ши и Коэн определили коэффициент диффузии при растяжении D _N

DN = E⁢kηl⁢i⁢p⁢i⁢d, (1.7)

дает

δ⁢Nδ⁢t = DN⁢∇2⁡N. (1.8)

Следовательно, связанные с корой интегральные белки вызывают локальные и долгоживущие градиенты мембранного натяжения. Вполне вероятно предположить, что клетки могут локально изменять коэффициент диффузии при напряжении через MCA-индуцированные изменения количества и положения трансмембранных препятствий (т.е. изменение ϕ). Соответственно, недавняя работа показала положительную корреляцию между плотностью актина, проксимальной к мембране, и натяжением мембраны (Bisaria et al., 2020). Остается неясным, как градиенты натяжения мембраны влияют на корковое натяжение N _cor и, как следствие, натяжение клеток N _cell .

Наконец, давайте рассмотрим вязкость мембраны. Вязкость PM отличается от вязкости чистого липидного бислоя из-за встроенных интегральных мембранных белков (IMP). Для суспензии без межчастичного взаимодействия (т.е. с низкой концентрацией) эффективная вязкость такой суспензии может быть приблизительно равна.

μe = μ0⁢ (1 + B⁢ϕ), (1.9)

, где μ ₀ — вязкость суспендирующей жидкости, объемная доля внедренных частиц ϕ, а B — коэффициент, зависящий от формы частиц (например, сфер, цилиндров, дисков) (Bird et al., 2007 ). Следовательно, возможно, что прикрепление и, следовательно, иммобилизация IMP могут также повлиять на вязкость PM. Несмотря на существование некоторых приближений к эффективной вязкости (Larson and Higdon, 1986, 1987; Kolodziej, 1988), эта сложная тема остается нерешенной и выходит за рамки настоящего обзора (см. Также дополнительные материалы).Важно отметить, что единственная плазматическая мембрана проявляет свойства вязкого материала. Однако прикрепление PM к коре клетки (то есть к поверхности клетки) демонстрирует комбинацию вязких и эластичных свойств на шкале длины клетки (Bausch et al., 1998). Это означает, что на коротких временных масштабах (например, ~ 1 с) поверхность клетки реагирует как эластичный материал, в то время как она проявляет свойства вязкого материала на более длительных временных масштабах (например, 10–100 с). Учитывая, что кора головного мозга состоит из взаимосвязанных актиновых нитей, которые подвергаются непрерывному обмену перекрестно-связывающих белков и актиновых нитей, кора клетки способна выполнять пластическую деформацию, напоминающую вязкоупругую жидкость.Это поведение в простейшей форме можно смоделировать как тело Максвелла (Begemann et al., 2019), описываемое уравнением. 2.7 в блоке 1 (см. Также рисунок 1C).

В заключение, наш краткий обзор демонстрирует, как взаимодействия мембран с корой головного мозга клетки изменяют механические свойства самого ПМ, а также поверхности клетки. Тем не менее, несмотря на универсальность свойств материалов, которые могут быть достигнуты, полученный композитный материал на данный момент все еще не обладает способностью быстро реагировать на изменения окружающей среды (т.е., адаптивный ответ).

Поверхность клетки — адаптивный композитный материал

В описанной выше форме композитный материал всегда будет хорошо себя чувствовать в состоянии минимальной энергии. Поразительно, что механические свойства мембраны и коры головного мозга можно настраивать отдельно с высокой пространственной и временной точностью, что дает возможность превратить пассивный композит в активный материал. В нашем гипотетическом композитном материале такая адаптивность может быть достигнута за счет того, что его компоненты чувствительны к кратковременному раздражителю (например,г., свет, температура). Ответ на такой стимул, который вызывает локальные изменения одного (или комбинации) из четырех основных свойств материала (рис. 1A), дает адаптивный композитный материал (рис. 2C, слева).

Далее мы обсудим, как индуцированные стимулом переходные изменения механических свойств мембраны или коры головного мозга создают адаптивный композитный материал. Начнем с напряжения. Как упоминалось выше в формуле. 1.3, натяжение поверхности клетки является суммой натяжения PM и натяжения коры головного мозга и, следовательно, является функцией плотности линкерных белков ρ _link и модулей растяжения плазматической мембраны KeP⁢M и клеточной коры Kec. ⁢O⁢r.Эти параметры, в свою очередь, зависят от соответствующих модулей упругости E , толщины h и коэффициента Пуассона ν (уравнение 2.1, вставка 1). Следовательно, индуцированные сигналом изменения любого из этих свойств обязательно будут влиять на модуль растяжения поверхности клеток Kec⁢e⁢l⁢l. Устойчивость к растяжению липидного бислоя KeP⁢M, например, возникает из-за потери энергии, вызванной воздействием на гидрофобное ядро ​​окружающего водного раствора. Следовательно, теоретически его можно настроить, изменив липидный состав мембраны, что также может повлиять на толщину мембраны h.Однако с модулем ∼200 мН / м (Rawicz et al., 2000) липидный бислой не является сильно растяжимой структурой и, следовательно, не очень подходит. Обратите внимание, что большинство значений в литературе описывают кажущийся модуль растяжения PM, который объединяет крупномасштабные изменения площади мембраны, возникающие из-за волнистости мембраны, складок мембраны, слияния везикул, сглаживания колебаний мембраны и других источников (Le Roux et al., 2019 ). В дополнение к напряжению на основе мембран, напряжение коры головного мозга может модулироваться зависимыми от сигнала изменениями плотности сшивающего агента актина, MCA (т.е.е., плотность линкерных белков PM-коры? _link ) и кортикального миозина (Stewart et al., 2011). В частности, последнее делает композитный материал подходящим для адаптации в физиологических временных масштабах (то есть порядка секунд), в результате чего липидный состав, а также геометрия коры головного мозга (например, размер ячеек) будут влиять на соответствующие модули упругости.

Жесткость при изгибе

Поскольку жесткость мембраны и кортикального слоя критически зависят от масштаба длины, мы рассмотрим их вклад отдельно.Изгибная жесткость PM, которая важна в субмикронном режиме, зависит от состава липидного бислоя (Helfrich, 1973). Изменяя длину и насыщенность отдельных углеводных цепей, можно модулировать толщину липидного бислоя и, тем самым, энергию изгиба (см. Уравнение 2.2 во вставке 1). Добавление гидрофобных головок различного размера делает липиды чувствительными к кривизне, в то время как различия в заряде будут влиять на белок-липидные взаимодействия с периферическими цитозольными белками (Ebrahimkutty and Galic, 2019; Bassereau et al., 2018). На жесткость изгиба клеточной коры, которая актуальна в режиме мкм, могут влиять изменения размера ячеек актина (отображаемого плотностью линкерных белков коры) или толщины самой коры. Кроме того, сигналы, которые изменяют модули упругости обоих материалов (обсуждаемые выше), также будут влиять на их соответствующие жесткости при изгибе KBP⁢M и KBc⁢o⁢r (см. Уравнение 2.2 во вставке 1).

Сопротивление сдвигу и вязкость

Чистые липидные бислои ведут себя как жидкость, лишенная напряжения сдвига (Mofrad and Kamm, 2006).Это не всегда так в клеточных мембранах (Shi et al., 2018). Из уравнения. 2.3 во вставке 1 мы делаем вывод, что все клеточные стимулы, которые влияют на модуль сдвига (и, следовательно, модуль Юнга E , а также коэффициент Пуассона υ, как обсуждалось выше), также будут влиять на реакцию обоих материалов на упругое напряжение сдвига, и, следовательно, также поверхности клетки. Поскольку кора клеток, а также прикрепленные PM обладают вязкоупругими свойствами, мы также должны учитывать контрольные переменные соответствующих вязкостей.В случае коры доминирующей контрольной переменной (т.е. мишенью для адаптивных стимулов) являются относительные скорости обмена актина и его сшивающих агентов, а также относительный размер ячеек коры клеток (Boulbitch et al., 2000; Kasas et al., 2005). Что касается PM, и вспоминая описание парадокса Стокса из предыдущего абзаца, вязкость PM может модулироваться индуцированными сигналом изменениями общей концентрации интегральных белков, их пространственного распределения (например, кластеризации) и доли коры головного мозга. связанные единицы.

Выводы, обобщенные в этом разделе, подчеркивают разнообразные стратегии индуцированных сигналом изменений в индивидуальных свойствах материала, которые делают поверхность клетки адаптивным композитным материалом. Как эти свойства материалов изменяются в патофизиологических условиях, — тема следующей главы.

Неправильные свойства материала вызывают болезнь

В любой инженерной конструкции включение дефектных материалов приводит к катастрофическим последствиям для общей устойчивости объекта.В клетках такие дефектные материалы проявляются как болезнь. Далее мы исследуем болезни, возникающие из-за отдельных материалов, полученного композита и его адаптивных свойств, соответственно.

Как описано в предыдущем разделе, изменения относительных уровней липидов внутри мембраны могут не только истощать компоненты, участвующие в передаче сигналов, но также могут изменять свойства ее материала. Существует все больше свидетельств изменений липидного баланса [например, (холестерин) ↑, (сфингомиелин) ↑ и (фосфатидилинозит) ↓] во время старения, но также и при липидозе, таком как болезнь Ниманна-Пика типов A и C (Karten et al., 2002; Arroyo et al., 2014), устанавливая, как механические свойства мембраны могут изменяться при заболевании.

Интересно, что дефектные материалы, которые приводят к болезням, также могут быть обнаружены в белках коры клеток. Напр., Мутации в α-актине гладких мышц ( ACTA2, ), которые изменяют взаимодействия между актином и миозином (Lu et al., 2015), вызывают сосудистые заболевания и инсульт (Guo et al., 2009). Мутации в ACTB , гене, кодирующем цитоплазматический β-актин, изменяют динамику полимеризации актина (Hundt et al., 2014), что приводит к глухоте, раку и нарушениям развития (Procaccio et al., 2006). Мутации в гене, кодирующем α-актинин-4 ( ACTN4 ), белок, сшивающий актин, вызывают протеинурическую болезнь почек (Kaplan et al., 2000). В совокупности эти несколько примеров иллюстрируют, как изменения материальных свойств компонентов коры клеток приводят к существенным физиологическим эффектам.

Заболевание может быть связано с ошибками композитного материала. Как описано выше, липидный состав определяет жесткость и текучесть мембран.Поразительно, что некоторые из этих липидов образуют высокодинамичные и гетерогенные мембранные нанодомены (Head et al., 2014; Sechi and Wehland, 2000), которые могут быть стабилизированы с образованием более крупных сигнальных платформ, связанных с актиновыми филаментами (Oliferenko et al., 1999). ; Galic et al., 2012; Begemann et al., 2019). Поскольку при определенном заболевании изменяется доступность или динамика липидов, в таких условиях, вероятно, изменяются результирующие механические свойства композита мембрана-кора.

Наконец, мутации также могут влиять на адаптивность композита.Одно из основных семейств заболеваний возникает из-за мутаций в рецепторных белках, которые нарушают вызванные сигналом изменения свойств материала композита. Одним из таких примеров являются рецепторы, связанные с G-белком (GPCR), которые, помимо прочего, изменяют свойства материала коры клетки (Bhattacharya et al., 2004). Здесь мутации вызывают аберрантную передачу сигналов путем нарушения поверхностной экспрессии (Ward et al., 2012), базовой активности (Seifert and Wenzel-Seifert, 2002) или связывания лиганда (Venkatakrishnan et al., 2013).Более того, GPCR напрямую взаимодействуют с липидами, что означает, что изменения в составе мембран или мутации в мотивах распознавания липидов могут изменять передачу сигналов GPCR, изменяя его стабильность, субклеточную локализацию или активность (Keri and Barth, 2018; Pucadyil and Chattopadhyay, 2006). Важно отметить, что ошибки в вызванных сигналом изменениях свойств материала также можно проследить до других семейств рецепторов (Jiang and Gonen, 2012; Fruman et al., 2017; Zakany et al., 2020), что дает начало постоянно растущему семейству рецепторов. мембраносвязанного заболевания.Второе серьезное семейство болезней, влияющих на приспособляемость композитного материала, связано с кривизной мембраны. Здесь временно деформированные участки мембраны запускают рекрутирование чувствительных к кривизне белков (Peter et al., 2004) и липидов (Wang et al., 2007; James et al., 2010). Примечательно, что многие из более чем 100 известных молекул, чувствительных к кривизне, идентифицированных в клетках, напрямую изменяют полимеризацию актина, таким образом изменяя механические силы, приложенные к PM. Эта двойная способность выбранных молекул воспринимать и изменять вызванную актином кривизну PM важна, поскольку она определяет основные свойства адаптивного композитного материала.Соответственно, дефекты отдельных петель обратной связи регулятора силы (например, OPHN1 и SRGAP2 ) приводят к очень специфическим заболеваниям (Billuart et al., 1998; Charrier et al., 2012).

Хотя эти примеры далеко не полны, они иллюстрируют, как свойства материалов отдельных компонентов критически влияют на общее механическое состояние поверхности клеток — как в отношении здоровья, так и в отношении болезней. Как измеряются механические свойства этого универсального адаптивного композитного материала, мы обсудим в следующем разделе.

Измерение свойств материалов в ячеистых мембранах

Картина, нарисованная так далеко, показывает важность функционального взаимодействия между корой головного мозга, мембраной и MCA. Учитывая его небольшие масштабы, отделение коры головного мозга от мембран в живых клетках является сложной задачей (Diz-Muñoz et al., 2018). Чтобы получить представление о натяжении мембраны, в предыдущих исследованиях использовались пипетки и оптические пинцеты для измерения силы, необходимой для извлечения привязки мембраны с поверхности клетки (Raucher and Sheetz, 2000).Другой подход основан на спектроскопии мембранных флуктуаций с временным разрешением (Betz and Sykes, 2012). Здесь оптический пинцет используется для измерения деформации мембраны, а не для натягивания тросов. В таких измерениях спектральная плотность мощности низкочастотных флуктуаций падает с увеличением напряжения (Betz and Sykes, 2012). Примечательно, что флуктуационная спектроскопия также может использоваться для понимания жесткости материала при изгибе и вязкости (Betz and Sykes, 2012). Количественные измерения вязкости мембраны также можно получить с помощью высокопроизводительной трекинговой одиночной молекулы или флуоресцентной корреляционной спектроскопии (Barbotin et al., 2019).

Тем не менее, как упоминалось выше, изменения в расстоянии между белками, связанными с корой, будут влиять на текучесть мембран (Cohen and Shi, 2020). Следовательно, измерения натяжения троса и флуктуации мембраны представляют собой совокупность свойств мембраны и коры клеток (Shi et al., 2018). Таким образом, хотя каждый из этих подходов позволяет по-новому взглянуть на механические свойства клеточных мембран, однозначно проанализировать вклад отдельных компонентов композитного материала остается сложной задачей.

Заключение и перспективы

Семенная работа с чистыми липидными бислоями, которые являются темой других обзоров в этом специальном выпуске, в значительной степени способствовали нашему нынешнему пониманию мембранной механики. Тем не менее, недавние исследования утверждают, что некоторые клеточные мембраны следует рассматривать как адаптивный композитный материал (Shi et al., 2018; Cohen and Shi, 2020). В этом обзоре мы использовали гипотетический биомиметический материал, чтобы выяснить поразительную универсальность клеточных мембран.Мы обсудили, как небольшие изменения механических свойств отдельных основных модулей позволяют материалу легко адаптировать свои свойства, таким образом выполняя самые разные функции, полагаясь на одни и те же строительные материалы. Поразительно, но сложная природа клеточной поверхности не только позволяет клеточным мембранам быстро адаптировать свои механические свойства к данной ситуации, но также дает объяснения болезни и некоторых, казалось бы, противоречащих свойств клеточной поверхности. Одним из таких примеров является потребность в эффективном транспорте крупных объектов через кору клеток при постоянном сохранении структурной целостности (Wollman and Meyer, 2012).Как упоминалось выше, интерфейс липид-кора в значительной степени зависит от нековалентных взаимодействий. Как следствие, цитоскелет постоянно отключается от липидного бислоя и повторно прикрепляется к нему. Эти временные отслоения не только открывают возможность легко регулировать взаимодействия, но также и способность транспортировать и сливать везикулы (то есть большие объекты) без постоянного отслоения плазматической мембраны от подлежащей коры.

Используя аналогию с гипотетическим биомиметическим материалом, мы понимаем, что искусственные материалы все еще сильно отстают от своих биологических аналогов.Однако обнадеживает то, что эта возможность была признана, что положило начало быстрорастущей области исследований (Amaral and Pasparakis, 2019; Chen and Li, 2020). Будущие достижения в области биоинспирированного и биомиметического материала, вероятно, выиграют от вычислительных подходов (Sun et al., 2018; Schroer et al., 2020), которые позволят быстро продвигать теоретические и экспериментальные данные динамики мембраны-MCA-коры при постоянно увеличивающемся пространственно-временное разрешение.

Авторские взносы

Оба перечисленных автора внесли существенный, прямой и интеллектуальный вклад в работу и одобрили ее к публикации.

Финансирование

Эта работа была поддержана фондами DFG (EXC-1003, CRC1348 / A06) и медицинского факультета Университета Мюнстера в MG (IMF IGA-121610).

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Мы хотели бы поблагодарить сотрудников лаборатории Galic за критические отзывы и обсуждения.

Дополнительные материалы

Дополнительные материалы к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fcell.2020.00684/full#supplementary-material

Список литературы

Амарал, А. Дж. Р., Паспаракис, Г. (2019). Инженерия клеточных мембран с использованием синтетических материалов: применение в сфероидах клеток, клеточных клеях и формировании микротканей. Acta Biomater. 90, 21–36. DOI: 10.1016 / j.actbio.2019.04.013

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Арройо, А.И., Камолетто, П. Г., Морандо, Л., Сассо-Погнетто, М., Джустетто, М., ван Велдховен, П. П. и др. (2014). Фармакологическая реверсия сфингомиелин-индуцированных аномалий дендритного позвоночника на мышиной модели болезни Ниманна-Пика типа А. EMBO Mol. Med. 6, 398–413. DOI: 10.1002 / emmm.201302649

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Барботин А., Галиани С., Урбаней И., Эггелинг К. и Бут М. Дж. (2019). Адаптивная оптика позволяет проводить измерения STED-FCS в цитоплазме живых клеток. Опт. Экспресс 27, 23378–23395. DOI: 10.1364 / OE.27.023378

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Bassereau, P., Jin, R., Baumgart, T., Deserno, M., Dimova, R., Frolov, V.A., et al. (2018). Дорожная карта кривизны и ремоделирования биомембраны на 2018 год. J. Phys. D Прил. Phys. 51: 343001. DOI: 10.1088 / 1361-6463 / aacb98

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Баумгарт, Т., Хесс, С. Т., и Уэбб, В.W. (2003). Визуализация сосуществующих жидких доменов в моделях биомембран сочетает кривизну и натяжение линии. Nature 425, 821–824. DOI: 10.1038 / nature02013

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бауш А. Р., Циманн Ф., Боулбич А. А., Якобсон К. и Сакманн Э. (1998). Локальные измерения вязкоупругих параметров адгезионных поверхностей ячеек методом магнитной микрореометрии. Biophys. J. 75, 2038–2049. DOI: 10.1016 / S0006-3495 (98) 77646-5

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бегеманн, И., Саха, Т., Лампартер, Л., Ратманн, И., Гриль, Д., Гольбах, Л. и др. (2019). Механохимическая самоорганизация определяет схему поиска в мигрирующих клетках. Nat. Phys. 15, 848–857. DOI: 10.1038 / s41567-019-0505-9

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бец, Т., и Сайкс, К. (2012). Спектроскопия мембранных флуктуаций с временным разрешением. Soft Matter 8, 5317–5326. DOI: 10.1039 / C2SM00001F

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Биллуарт, П., Bienvenu, T., Ronce, N., Des Portes, V., Vinet, M.C., Zemni, R., et al. (1998). Олигофренин-1 кодирует белок rhoGAP, участвующий в X-связанной умственной отсталости. Природа 392, 923–926. DOI: 10.1038 / 31940

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Берд Р. Б., Стюарт У. Э. и Лайтфут Э. Н. (2007). Явления переноса (Ред. 2. Ред.). Хобокен, Нью-Джерси: Wiley.

Google Scholar

Бисария, А., Хайер, А., Гарбетт, Д., Коэн, Д., Мейер, Т. (2020). Проксимальный к мембране F-актин ограничивает локальные выступы мембраны и направляет миграцию клеток. Наука 368, 1205–1210. DOI: 10.1126 / science.aay7794

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Boulbitch, A., Simson, R., Simson, D.A., Merkel, R., Häckl, W., Bärmann, M., et al. (2000). Нестабильность формы биомембраны, вызванная локальным размягчением подлежащей актиновой коры. Phys. Rev. E Stat. Phys. Plasmas Fluids Relat.Междисциплинарный. Вершина. 62 (3 Pt B), 3974–3985. DOI: 10.1103 / Physreve.62.3974

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Басселл, С. Дж., Кох, Д. Л., и Хаммер, Д. А. (1995). Влияние гидродинамических взаимодействий на диффузию интегральных мембранных белков: диффузия индикаторов в органеллах и реконструированных мембранах. Biophys. J. 68, 1828–1835. DOI: 10.1016 / S0006-3495 (95) 80359-0

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шаррье, К., Джоши, К., Коутиньо-Бадд, Дж., Ким, Ж.-Э., Ламберт, Н., Марчена, Дж. И др. (2012). Ингибирование функции SRGAP2 его специфическими для человека паралогами вызывает неотению во время созревания позвоночника. Cell 149, 923–935. DOI: 10.1016 / j.cell.2012.03.034

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чен, X., и Ли, Дж. (2020). Биоинспекция клеточных мембран: функциональные полимерные материалы для биомедицинских применений. Mater. Chem. Фронт. 4, 750–774.DOI: 10.1039 / C9QM00717B

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чишти А. Х., Ким А. С., Марфатия С. М., Лутчман М., Ханспал М., Джиндал Х. и др. (1998). Домен FERM: уникальный модуль, участвующий в связывании цитоплазматических белков с мембраной. Trends Biochem. Sci. 23, 281–282. DOI: 10.1016 / S0968-0004 (98) 01237-7

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чу П., Кларк А. Г., Смит М. Б., Кассани Д. А. Д., Диркес К., Ragab, A., et al. (2017). Архитектура актиновой коры регулирует поверхностное натяжение клеток. Nat. Cell Biol. 19, 689–697. DOI: 10.1038 / ncb3525

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Контрерас, Ф.-Х., Эрнст, А.М., Виланд, Ф., и Брюггер, Б. (2011). Специфика внутримембранных белково-липидных взаимодействий. Cold Spring Harb. Перспектива. Биол. 3: а004705. DOI: 10.1101 / cshperspect.a004705

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дис-Муньос, А., Krieg, M., Bergert, M., Ibarlucea-Benitez, I., Muller, D.J., Paluch, E., et al. (2010). Контроль направленной миграции клеток in vivo за счет прикрепления мембраны к коре. PLoS Biol. 8: e1000544. DOI: 10.1371 / journal.pbio.1000544

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Эдидин М., Куо С. К. и Шитц М. П. (1991). Боковые движения мембранных гликопротеинов ограничены динамическими цитоплазматическими барьерами. Наука 254, 1379–1382. DOI: 10.1126 / наука.1835798

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Эггелинг, К., Рингеманн, К., Медда, Р., Шварцманн, Г., Сандхофф, К., Полякова, С. и др. (2009). Прямое наблюдение за наноразмерной динамикой мембранных липидов в живой клетке. Природа 457, 1159–1162. DOI: 10.1038 / nature07596

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Эстеп, Т. Н., Маунткасл, Д. Б., Баренхольц, Ю., Билтонен, Р. Л., и Томпсон, Т.Э. (1979). Температурное поведение синтетических дисперсий сфингомиелин-холестерин. Биохимия 18, 2112–2117. DOI: 10.1021 / bi00577a042

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фокон, Дж. Ф., Митов, М. Д., Мелеар, П., Бивас, И., и Боторель, П. (1989). Изгибная эластичность и тепловые колебания липидных мембран. Теоретические и экспериментальные требования. J. Phys. 50, 2389–2414. DOI: 10.1051 / jphys: 01980170238900

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фруман Д.А., Чиу, Х., Хопкинс, Б. Д., Багродиа, С., Кэнтли, Л. С., и Абрахам, Р. Т. (2017). Путь PI3K при заболеваниях человека. Ячейка 170, 605–635. DOI: 10.1016 / j.cell.2017.07.029

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Галич, М., Чон, С., Цай, Ф.-К., Жубер, Л.-М., Ву, Ю.И., Хан, К.М., и др. (2012). Внешние толкающие и внутренние тянущие силы привлекают чувствительные к кривизне белки домена N-BAR на плазматическую мембрану. Nat. Cell Biol. 14, 874–881.DOI: 10.1038 / ncb2533

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Gárate, F., Betz, T., Pertusa, M., and Bernal, R. (2015). Механика нейритов с временным разрешением по оценкам тепловых флуктуаций. Phys. Биол. 12: 66020. DOI: 10.1088 / 1478-3975 / 12/6/066020

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Грабер, З. Т., Ши, З., и Баумгарт, Т. (2017). Катионы вызывают изменение формы отрицательно заряженных фосфолипидных мембран. Phys.Chem. Chem. Phys. 19, 15285–15295. DOI: 10.1039 / c7cp00718c

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гуо, Д.-К., Папке, К.Л., ван Тран-Фадулу, Регаладо, Э.С., Авидан, Н., Джонсон, Р.Дж., Ким, Д.Х. и др. (2009). Мутации в альфа-актине гладких мышц (ACTA2) вызывают ишемическую болезнь сердца, инсульт и болезнь Моямойи, а также заболевание грудной аорты. Am. J. Hum. Genet. 84, 617–627. DOI: 10.1016 / j.ajhg.2009.04.007

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Халлетт, Ф.Р., Марш Дж., Никель Б. Г. и Вуд Дж. М. (1993). Механические свойства везикул. II. Модель осмотического набухания и лизиса. Biophys. J. 64, 435–442. DOI: 10.1016 / S0006-3495 (93) 81384-5

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хэнкок, Дж. Ф., Маги, А. И., Чайлдс, Дж. Э. и Маршалл, К. Дж. (1989). Все ras-белки полиизопренилированы, но лишь некоторые из них пальмитоилированы. Cell 57, 1167–1177. DOI: 10.1016 / 0092-8674 (89)

-8

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Заведующий, Б.П., Патель, Х. Х., Инсел, П. А. (2014). Взаимодействие мембранных / липидных рафтов с цитоскелетом: влияние на передачу сигналов и функции: мембранные / липидные рафты, медиаторы расположения цитоскелета и клеточные сигналы. Biochim. Биофиз. Acta 1838, 532–545. DOI: 10.1016 / j.bbamem.2013.07.018

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Helfrich, W. (1973). Упругие свойства липидных бислоев: теория и возможные эксперименты. Z. Nat. Teil C Biochem.Биофиз. Биол. Virol. 28, 693–703. DOI: 10.1515 / znc-1973-11-1209

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хуанг К. и Томпсон Т. Э. (1965). Свойства двухслойных липидных мембран, разделяющих две водные фазы: определение толщины мембраны. J. Mol. Биол. 13, 183–193. DOI: 10.1016 / S0022-2836 (65) 80088-2

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Huber, F., Schnauß, J., Rönicke, S., Rauch, P., Müller, K., Fütterer, C., et al. (2013). Возникающая сложность цитоскелета: от единичных нитей до ткани. Adv. Phys. 62, 1–112. DOI: 10.1080 / 00018732.2013.771509

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Hundt, N., Preller, M., Swolski, O., Ang, A.M., Mannherz, H.G., Manstein, D.J., et al. (2014). Молекулярные механизмы связанных с заболеванием мутаций β-актина человека p.R183w и p.E364k. FEBS J. 281, 5279–5291. DOI: 10.1111 / febs.13068

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Джеймс, Д.Дж., Ходтонг, К., Ковальчик, Дж. А., и Мартин, Т. Ф. Дж. (2010). Фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфатная регуляция функции SNARE при слиянии мембран, опосредованном CAPS. Adv. Enzyme Regul. 50, 62–70. DOI: 10.1016 / j.advenzreg.2009.10.012

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Камм Р., Гродзинский А. (2015). Молекулярная, клеточная и тканевая биомеханика. Кембридж, Массачусетс: Массачусетский технологический институт.

Google Scholar

Каплан, Дж.М., Ким, С. Х., Норт, К. Н., Реннке, Х., Коррейя, Л. А., Тонг, Х. К. и др. (2000). Мутации в ACTN4, кодирующем альфа-актинин-4, вызывают семейный фокальный сегментарный гломерулосклероз. Nat. Genet. 24, 251–256. DOI: 10.1038 / 73456

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Картен Б., Вэнс Д. Э., Кампенот Р. Б. и Вэнс Дж. Э. (2002). Холестерин накапливается в телах клеток, но снижается в дистальных аксонах С1-дефицитных нейронов Ниманна-Пика. J. Neurochem. 83, 1154–1163. DOI: 10.1046 / j.1471-4159.2002.01220.x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Kasas, S., Wang, X., Hirling, H., Marsault, R., Huni, B., Yersin, A., et al. (2005). Поверхностные и глубокие изменения механических свойств клетки после разборки цитоскелета. Cell Motil. Цитоскелет 62, 124–132. DOI: 10.1002 / см. 2006

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Колодзей, Дж.А. (1988). Влияние пористости пористой среды на эффективную вязкость в уравнении фильтрации Бринкмана. Acta Mech. 75, 241–254. DOI: 10.1007 / BF01174638

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Конинг, Р. И., Зовко, С., Барсена, М., Остергетель, Г. Т., Кёртен, Х. К., Гальярт, Н., и др. (2008). Криоэлектронная томография застеклованных фибробластов: микротрубочка плюс концы in situ. J. Struct. Биол. 161, 459–468. DOI: 10.1016 / j.jsb.2007.08.011

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Laganowsky, A., Reading, E., Allison, T. M., Ulmschneider, M. B., Degiacomi, M. T., Baldwin, A. J., et al. (2014). Мембранные белки избирательно связывают липиды, чтобы модулировать их структуру и функцию. Природа 510, 172–175. DOI: 10.1038 / природа13419

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ларсон Р. Э. и Хигдон Дж. Дж. Л. (1986). Микроскопическое течение у поверхности двумерных пористых сред.Часть 1. Осевой поток. J. Fluid Mech. 166, 449–472. DOI: 10.1017 / S0022112086000228

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ларсон Р. Э. и Хигдон Дж. Дж. Л. (1987). Микроскопическое течение у поверхности двумерных пористых сред. Часть 2. Поперечный поток. J. Fluid Mech. 178, 119–136. DOI: 10.1017 / S0022112087001149

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ле Ру, А.-Л., Кирога, X., Валани, Н., Арройо, М., и Рока-Кусакс, П.(2019). Плазматическая мембрана как механохимический преобразователь. Philos. Пер. R. Soc. Лондон. Сер. B Biol. Sci. 374: 20180221. DOI: 10.1098 / rstb.2018.0221

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лу, Х., Фагнант, П. М., Буквалтер, К. С., Джоэл, П., и Трибус, К. М. (2015). Мутация R258C в ACTA2, вызывающая заболевания сосудов, нарушает динамику актина и взаимодействие с миозином. Proc. Natl. Акад. Sci. США 112, E4168 – E4177. DOI: 10,1073 / PNAS.1507587112

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мейерс, М. А., и Чавла, К. К. (2010). Механическое поведение материалов , 2-е изд. Кембридж, Массачусетс: Издательство Кембриджского университета.

Google Scholar

Мофрад, М. Р. К., и Камм, Р. Д. (2006). Механика цитоскелета: модели и измерения в клеточной механике. Кембриджские тексты в биомедицинской инженерии. Кембридж, Массачусетс: Издательство Кембриджского университета.

Google Scholar

Маллинз Р.Д., Хойзер, Дж. А., и Поллард, Т. Д. (1998). Взаимодействие комплекса Arp2 / 3 с актином: зарождение, кэппирование заостренных концов с высоким сродством и образование разветвленных сетей филаментов. Proc. Natl. Акад. Sci. США 95, 6181–6186. DOI: 10.1073 / pnas.95.11.6181

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Нагие, С., Саркер, М., Карамуз-Равари, М., Макиннес, А., и Чен, X. (2018). Моделирование механического поведения каркасов, построенных на 3D-биопостроении, с учетом проникновения в взаимосвязанные нити. Заявл. Sci. 8: 1422. DOI: 10.3390 / app80

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Нернст, В. Х. (1889). Электромоторная эффективность ионов. Докторская диссертация, Тюбингенский университет, Тюбинген.

Google Scholar

Николсон, Г. Л. (2014). Жидко-мозаичная модель структуры мембраны: по-прежнему актуальна для понимания структуры, функции и динамики биологических мембран спустя более 40 лет. Biochim.Биофиз. Acta 1838, 1451–1466. DOI: 10.1016 / j.bbamem.2013.10.019

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ольбрих, К., Равич, В., Нидхэм, Д., и Эванс, Э. (2000). Водопроницаемость и механическая прочность бислоев полиненасыщенных липидов. Biophys. J. 79, 321–327. DOI: 10.1016 / S0006-3495 (00) 76294-1

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Олиференко, С., Пайха, К., Хардер, Т., Герке, В., Шварцлер, К., Шварц, Х., и другие. (1999). Анализ Cd44-содержащих липидных рафтов: рекрутирование аннексина II и стабилизация актиновым цитоскелетом. J. Cell Biol. 146, 843–854.

Google Scholar

Пескин, С. С., Оделл, Г. М., и Остер, Г. Ф. (1993). Клеточные движения и тепловые колебания: броуновский храповик. Biophys. J. 65, 316–324. DOI: 10.1016 / S0006-3495 (93) 81035-X

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Питер, Б. Дж., Кент, Х. М., Миллс, И.Г., Валлис, Ю., Батлер, П. Дж. Г., Эванс, П. Р. и др. (2004). Барные домены как сенсоры кривизны мембраны: структура BAR амфифизина. Наука 303, 495–499. DOI: 10.1126 / science.1092586

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Прокаччо В., Салазар Г., Оно С., Стайерс М. Л., Геринг М., Давила А. и др. (2006). Мутация бета-актина, изменяющая динамику деполимеризации, связана с аутосомно-доминантными пороками развития, глухотой и дистонией. Am. J. Hum. Genet. 78, 947–960. DOI: 10.1086 / 504271

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Pucadyil, T. J., and Chattopadhyay, A. (2006). Роль холестерина в функции и организации рецепторов, связанных с G-белком. Prog. Lipid Res. 45, 295–333. DOI: 10.1016 / j.plipres.2006.02.002

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Rawicz, W., Olbrich, K. C., McIntosh, T., Needham, D., and Evans, E.(2000). Влияние длины цепи и ненасыщенности на эластичность липидных бислоев. Biophys. J. 79, 328–339.

Google Scholar

Schroer, C. F. E., Baldauf, L., van Buren, L., Wassenaar, T. A., Melo, M. N., Koenderink, G.H., et al. (2020). Заряд-зависимые взаимодействия мономерного и нитчатого актина с липидными бислоями. Proc. Natl. Акад. Sci. США 117, 5861–5872. DOI: 10.1073 / pnas.14117

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сечи, А.С., и Веланд Дж. (2000). Связь актинового цитоскелета и плазматической мембраны: птдины (4,5) P (2) влияют на активность цитоскелетных белков на плазматической мембране. J. Cell Sci. 113 (Pt 21), 3685–3695.

Google Scholar

Зайдель А., Лепенис И., Энглер Т., Шериф К. и Застрау Б. У. (2009). Аспекты ползучести текстильных армирующих материалов для композитных материалов. Open Mater. Sci. J. 3, 67–79. DOI: 10.2174 / 1874088X000067

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Зайферт, Р., и Венцель-Зайферт, К. (2002). Конститутивная активность рецепторов, связанных с G-белком: причина болезни и общее свойство рецепторов дикого типа. Арка Наунин Шмидеберг. Pharmacol. 366, 381–416. DOI: 10.1007 / s00210-002-0588-0

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сенс П., Пластино Дж. (2015). Напряжение мембраны и организация цитоскелета в подвижности клеток. J. Phys. 27: 273103. DOI: 10.1088 / 0953-8984 / 27/27/273103

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ши, З., Грабер, З. Т., Баумгарт, Т., Стоун, Х. А., Коэн, А. Э. (2018). Клеточные мембраны сопротивляются потоку. Ячейка 175, 1769.e13–1779.e13. DOI: 10.1016 / j.cell.2018.09.054

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сингх А., Саха Т., Бегеманн И., Рикер А., Нюссе Х., Торн-Сесхолд О. и др. (2018). Динамика поляризованных микротрубочек направляет клеточную механику и координирует силы во время морфогенеза эпителия. Nat. Cell Biol. 20, 1126–1133.DOI: 10.1038 / s41556-018-0193-1

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Стюарт, М. П., Хелениус, Дж., Тойода, Ю., Раманатан, С. П., Мюллер, Д. Дж., И Хайман, А. А. (2011). Гидростатическое давление и актомиозиновая кора приводят к округлению митотических клеток. Природа 469, 226–230. DOI: 10.1038 / nature09642

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сугимото Ю., Уитмен М., Кэнтли Л. К. и Эриксон Р. Л. (1984).Доказательства того, что продукт гена, трансформирующий вирус саркомы Рауса, фосфорилирует фосфатидилинозитол и диацилглицерин. Proc. Natl. Акад. Sci. США 81, 2117–2121. DOI: 10.1073 / pnas.81.7.2117

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Sun, F., Schroer, C.F.E., Xu, L., Yin, H., Marrink, S.J., и Luo, S.-Z. (2018). Молекулярная динамика ассоциации L-селектина и FERM регулируется PIP2. Biophys. J. 114, 1858–1868. DOI: 10.1016 / j.bpj.2018.02.034

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Васанджи А., Гош П. К., Грэм Л. М., Эппелл С. Дж. И Фокс П. Л. (2004). Поляризация микровязкости плазматической мембраны при миграции эндотелиальных клеток. Dev. Cell 6, 29–41. DOI: 10.1016 / s1534-5807 (03) 00397-6

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Венкатакришнан, А. Дж., Деупи, X., Лебон, Г., Тейт, К. Г., Шертлер, Г. Ф., и Бабу, М. М. (2013).Молекулярные сигнатуры рецепторов, связанных с G-белком. Nature 494, 185–194. DOI: 10.1038 / природа11896

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван У., Ян Л. и Хуанг Х. У. (2007). Доказательства накопления холестерина в областях с высокой кривизной: влияние на упругую энергию кривизны для липидных смесей. Biophys. J. 92, 2819–2830. DOI: 10.1529 / biophysj.106.097923

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Уорд, Н.-А., Херст, С., Уильямс, Дж., И Финдли, Дж. Б. С. (2012). Фармакологические шапероны увеличивают экспрессию на клеточной поверхности внутриклеточных мутантов рецептора меланокортина 4 с уникальными профилями спасительной эффективности. Biochem. Soc. Пер. 40, 717–720. DOI: 10.1042 / BST20110764

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Во, Р., и Эванс, Э. А. (1979). Термоэластичность мембраны эритроцитов. Biophys. J. 26, 115–131.DOI: 10.1016 / S0006-3495 (79) 85239-X

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Westkämper, E., and Warnecke, H.-J. (2011). Einführung in die Fertigungstechnik (8., aktualis. U. Erw. Aufl., Korr. Nachdr). Чам: Vieweg + Teubner.

Google Scholar

Уоллман, Р., Мейер, Т. (2012). Скоординированные колебания кортикального актина и Са2 + коррелируют с циклами секреции везикул. Nat. Cell Biol. 14, 1261–1269. DOI: 10.1038 / ncb2614

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Заканы, Ф., Ковач, Т., Пани, Г., и Варга, З. (2020). Прямое и непрямое воздействие холестерина на мембранные белки с особым акцентом на калиевые каналы. Biochim. Биофиз. Acta Mol. Cell Biol. Липиды 1865: 158706. DOI: 10.1016 / j.bbalip.2020.158706

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

яиц осмоса | Центр наномасштабных наук

Время

45 минут (в течение 3 дней)

Соответствие возрасту

10-12 лет

Введение

Ячейка — самая простая и мельчайшая единица жизни.Все живые существа состоят из клеток. Некоторые живые существа состоят только из одной клетки; однако большинство известных нам живых существ, включая растения, животных и даже людей, состоят из множества клеток. Человеческое тело состоит из миллиардов крошечных клеток, каждая из которых окружена селективно проницаемой мембраной . Мембрана клетки отделяет клетку от всего, что ее окружает. Мембрана клетки «избирательно проницаема», так как одни предметы могут легко проходить через нее, а другие не могут проходить через нее очень легко или вообще.

Все куриные яйца окружает твердая внешняя оболочка. Но знаете ли вы, что под этой оболочкой находится мембрана, похожая на ту, что окружает клетки? В этом эксперименте мы воспользуемся этим фактом, удалив оболочку, чтобы более внимательно изучить мембрану.

Вы когда-нибудь помещали чернила в воду и видели, как чернила медленно перемещаются по воде? Этот процесс называется диффузией . Естественно, чернила будут растекаться по воде до тех пор, пока в воде не будет одинаковой плотности и чернил.Чернила будут полностью распылены в воде, когда чернила будут полностью равномерно распределены в воде. Другой подобный процесс называется осмос . Осмос — это просто диффузия через мембрану. Вещества, естественно, будут пытаться «выровняться», что означает, что, если они могут двигаться через мембрану, они будут пытаться получить одинаковую плотность с обеих сторон мембраны. Вещества будут перемещаться из области с более высокой концентрацией (или плотностью) в область с более низкой концентрацией через мембрану.Если концентрация одинакова на обеих сторонах мембраны, говорят, что вещество достигло равновесия .

В деятельности мы будем:

• Узнать о явлениях диффузии и равновесия
• Исследуйте полупроницаемую мембрану яйца

Предварительная активность

Представьте, что белые точки — это молекулы воды, а черные точки — это молекулы чернил. Выберите картинку, которая представляет собой вещество, достигшее равновесия.

Что делать, если по какой-то причине чернила не могли пройти через мембрану? Достигнет ли когда-нибудь равновесия вещество? Почему или почему нет?

Материалы

• 4 больших яйца
• 4 стакана (желательно шире, чем выше)
• Белый уксус
• Вода
• Синий пищевой краситель (или другой темный цвет)
• Меласса
• Кукурузный сироп
• Зубочистка
• Рулетка (или отрезок веревки и линейки)
• Ручка
• Бумага
• Пленка или полиэтиленовая пленка (по желанию)

Действия

Это задание состоит из трех частей.Предполагается, что первая часть мероприятия выполняется днем ​​или вечером, вторая часть мероприятия может выполняться на следующий день или вечером, а третья часть — на следующий день.

Часть 1:

• Поместите каждое из 4 яиц в отдельный стакан.
• Налейте уксус в каждый стакан, чтобы он полностью покрывал каждое яйцо. Вы можете накрыть стаканы фольгой или полиэтиленовой пленкой, чтобы уменьшить запах в холодильнике.
• Поместите яйца в холодильник примерно на 24 часа. Уксус вступит в реакцию с яичной скорлупой и удалит ее, оставив только внутреннюю оболочку. После снятия скорлупы яйца будут выглядеть так, как показано ниже. Это нормально, если не будет удалена вся оболочка, при условии, что удалена большая часть оболочки.

Часть 2:

• Слейте уксус из каждого стакана и тщательно вымойте их.
• Слегка промойте каждое яйцо водой.
• Положите яйца обратно в стаканы.
• Пометьте каждый стакан с 1 по 4 и используйте таблицу в конце этого упражнения, чтобы отслеживать четыре разных яйца.
• Измерьте каждое яйцо в самом широком месте с помощью рулетки или веревки. Чтобы использовать веревку, возьмите кусок веревки и один раз оберните им яйцо. Отметьте пальцем длину веревки, которая нужна, чтобы один раз обойти яйцо, и измерьте ее линейкой.
• Запишите длину каждого яйца, используя предоставленную таблицу.
• Залейте одно яйцо водой, одно — водой и каплей синего пищевого красителя, одно — патокой и одно — кукурузным сиропом.
• Поместите яйца обратно в холодильник. Вы также можете накрыть стаканы полиэтиленовой пленкой или фольгой, чтобы уменьшить запах.
• Подождите несколько часов (например, до утра), чтобы посмотреть, что произойдет с яйцами!

Часть 3:

• Осторожно извлеките яйца из субстанции и тщательно промойте их водой.
• Как и раньше, измерьте яйца в самой широкой части, используя рулетку или шнурок и линейку.
• Запишите измерения в соответствующей части предоставленной таблицы.
• Наконец, поместите яйца обратно в стаканы после того, как они были тщательно вымыты, или поместите их в новые чашки или стаканы.
• Используйте зубочистку, чтобы осторожно выдрать каждую оболочку яиц.
• Что вы заметили в том, что было внутри? Попала ли какая-нибудь внешняя субстанция внутрь яйца? Запишите свои наблюдения в соответствующем месте предоставленной таблицы.
• Ответьте на следующие вопросы: Изучите изменения ширины яиц. В каких веществах увеличилась ширина яиц? Снижаться? Остаются такими же? Что означает увеличение ширины яйца в отношении того, что должно было произойти? Как насчет уменьшения ширины или если ширина останется прежней?

Расширение деятельности

Как вы понимаете, если слишком много воды попадет в яйцо из-за осмоса, это может привести к лопанию яичной мембраны! Иногда это также происходит с клетками нашего тела.

Мембрана куриного яйца во многом похожа на мембрану, окружающую клетки животных. Однако единственный процесс, который можно здесь наблюдать, называется пассивный транспорт . Это означает, что клетка не использовала энергию для перемещения предметов через мембрану. Еще один способ, которым живые клетки могут перемещать вещи через мембрану, — это активный транспорт . При активном транспорте клетке необходимо использовать энергию, чтобы перемещать предметы через мембрану.Используйте ресурсы, перечисленные в конце этого упражнения, чтобы изучить все способы, которыми мембрана может перемещать предметы через мембрану.

Резюме

Вы, наверное, заметили, что ширина некоторых яиц осталась прежней, некоторые из яиц увеличились в ширину, а другие фактически уменьшились в ширину. В случае каждого яйца вода была веществом, способным проходить через мембрану. В большинстве случаев молекулы воды — единственное, что разрешено проходить через мембрану яйца, поскольку это единственное, что достаточно мало.Однако при внимательном наблюдении вы, возможно, заметили, что некоторый синий пищевой краситель также прошел через яичную оболочку. Это связано с тем, что он также достаточно мал для прохода через мембрану.

Если яйцо уменьшилось в размерах, как это, вероятно, произошло с патокой и кукурузным сиропом, значит, вода вышла из яйца через мембрану. Это должно быть связано с более низкой концентрацией воды вне яйца в патоке или кукурузном сиропе, чем внутри яйца.

Если яйцо увеличилось в размере, как это, вероятно, произошло с простой и голубой водой, значит, вода переместилась в яйцо.Возможно, вы также заметили, что синий пищевой краситель также попал внутрь яйца, когда вы его вытащили. Это связано с тем, что синий пищевой краситель также достаточно мал, чтобы легко проходить через мембрану. Как и в случае с патокой и кукурузным сиропом, вода перемещалась из области с более низкой концентрацией в область более высокой концентрации; однако более низкая концентрация воды была внутри яйца в случаях с чистой водой и голубой водой.

Таблица данных

	Вещество	Ширина до	Ширина после	Что было внутри яйца?	Другие наблюдения
Яйцо 1
Яйцо 2
Яйцо 3
Яйцо 4

Ресурсы

http: // medmyst.ris.edu/html/lessons/MM-TM2-33.pdf

http://www.johnkyrk.com/cellmembrane.html

http://www.accessexcellence.org/RC/VL/GG/passActiveTrans.html

http://www.purchon.com/biology/osmosis.htm

Глоссарий UCMP: Клеточная биология

| Филогенетика | Геология | Биохимия | Клеточная биология | Экология | История жизни | Зоология | Ботаника | Палеогеография |
амебоид — не имеющий определенной формы для клетки, способный изменять форму.
amphiesma — Наружное покрытие динофлагелляты, состоящее из нескольких слоев мембраны.
отверстие — Небольшое отверстие, например отверстие в тесте с отверстием.
бактериофаг — Вирус, который заражает и уничтожает бактериального хозяина. Однако некоторые фаги встраивают свою ДНК в ДНК своего хозяина и остаются бездействующими в течение длительного периода.По этой причине они стали незаменимыми инструментами генных инженеров.
капсид — Белковая «оболочка» свободной вирусной частицы.
ячейка — основная структурная единица всего живого. Клетка состоит в основном из внешней плазматической мембраны, которая отделяет ее от окружающей среды; генетический материал (ДНК), который кодирует наследуемую информацию для поддержания жизни; и цитоплазма, гетерогенная совокупность ионов, молекул и жидкости.
клеточный цикл — Полная последовательность шагов, которые должны быть выполнены клеткой для самовоспроизведения, как видно из митотического события к митотическому событию. Большая часть цикла состоит из периода роста, в течение которого клетка набирает массу и реплицирует свою ДНК. Остановка клеточного цикла — важная особенность воспроизводства многих организмов, включая человека.
клеточная мембрана — Наружная мембрана клетки, отделяющая ее от окружающей среды.Также называется плазматической мембраной или плазмалеммой.
клеточная стенка — Жесткая структура, отложенная вне клеточной мембраны. Растения известны своими клеточными стенками из целлюлозы, как и зеленые водоросли и некоторые простейшие, в то время как грибы имеют клеточные стенки из хитина.
хлоропласт — хлорофилл-содержащая пластида, обнаруженная в клетках водорослей и зеленых растений.
хромосома — линейный фрагмент эукариотической ДНК, часто связанный специализированными белками, известными как гистоны.
ценоцитарный — Состояние, при котором организм состоит из нитчатых клеток с большими центральными вакуолями, ядра которых не разделены на отдельные части. В результате получается длинная трубка, содержащая множество ядер со всей цитоплазмой на периферии.
колониальный — Состояние, при котором многие одноклеточные организмы живут вместе в несколько скоординированной группе. В отличие от настоящих многоклеточных организмов, отдельные клетки сохраняют свою индивидуальность и, как правило, свои собственные мембраны и клеточные стенки.
сократительная вакуоль — У многих протистов специализированная вакуоль с соответствующими каналами, предназначенная для сбора избыточной воды в клетке. Микротрубочки периодически сокращаются, чтобы вытеснить эту избыточную воду из клетки, регулируя осмотический баланс клетки.
цитоплазма — Все содержимое клетки, включая плазматическую мембрану, но не включая ядро.
цитоскелет — Интегрированная система молекул внутри эукариотических клеток, которая придает им форму, внутреннюю пространственную организацию, подвижность и может способствовать общению с другими клетками и окружающей средой.Например, красные кровяные тельца были бы сферическими, а не плоскими, если бы не их цитоскелет.
дикариотический — Имеющий два разных и разных ядра на клетку; содержится в грибах. Дикариотическая особь называется дикарионом.
диплоид — наличие двух разных наборов хромосом в одном ядре каждой клетки. Большинство многоклеточных животных и растений диплоидны. Сравните с гаплоидом.
двойная мембрана — В митохондриях и пластидах есть двухслойная мембрана, которая окружает органеллу.Считается, что это результат эндосимбиоза, когда внешняя мембрана происходит от эукариотической клетки, а внутренняя мембрана принадлежит первоначальному прокариоту, который был «проглочен».
эндоплазматический ретикулум — (ER) сеть мембран в эукариотических клетках, которая помогает контролировать синтез белка и клеточную организацию.
эукариот — н. Организм, клетки которого имеют цитоскелеты для поддержки, а их ДНК содержится в ядре, отделенном от другого содержимого клетки; е.g., простейшие, растения, животные и грибы; эукариот — прил.
внеклеточный матрикс — (ECM) Область вне клеток многоклеточных животных, которая включает соединения, прикрепленные к плазматической мембране, а также растворенные вещества, привлеченные поверхностным зарядом клеток. ЕСМ функционирует как для удержания животных клеток вместе, так и для их защиты от окружающей среды.
глазное пятно — Светочувствительная органелла, обнаруженная во многих группах простейших и у некоторых многоклеточных.
филамент — Длинная цепочка белков, например, в волосах, мышцах или жгутиках.
fission — Деление одноклеточных организмов, особенно прокариот, у которых митоз не происходит. Также используется для обозначения митоза у некоторых одноклеточных грибов.
жгутик — н. Волосоподобная структура, прикрепленная к клетке, используется для передвижения у многих простейших и прокариот.Прокариотический жгутик отличается от эукариотического жгутика тем, что прокариотический жгутик представляет собой твердую единицу, состоящую в основном из белка флагеллина, в то время как эукариотический жгутик состоит из нескольких белковых нитей, связанных мембраной, и не содержит флагеллина. Жгутик эукариот иногда называют ундулиподиумом.
панцирь — Минеральный «скелет» диатомовой водоросли или другого одноклеточного организма.
Аппарат Гольджи — эукариотическая органелла, которая упаковывает клеточные продукты, такие как ферменты и гормоны, и координирует их транспорт за пределы клетки.
гаплоид — Наличие одного набора хромосом в ядре каждой клетки. Мхи, многие простейшие и грибы гаплоидны, как и некоторые насекомые, мохообразные и гаметы. всех организмов. Контраст с диплоид.
haptonema — Колышковая структура, уникальная для Prymnesiophyta; его функция неизвестна.
lorica — Внешнее покрытие в форме вазы или чашки.Обнаружен во многих простейших, включая некоторых жгутиконосцев, инфузорий, хризофитов и хоанофлагеллят, а также в некоторых клетках животных.
лизосома — эукариотическая органелла, несущая пищеварительные ферменты. Лизосома сливается с вакуолярной мембраной, содержащей проглоченные частицы, на которые затем действуют ферменты.
мастигонема — Небольшие волосовидные нити, обнаруженные на «волосатом» жгутике Chromista.
мембрана — В биологии пограничный слой внутри или вокруг живой клетки или ткани.
мезокариотический — Ядерное состояние, уникальное для динофлагеллят, при котором хромосомы остаются постоянно конденсированными.
микротрубочек — Тип филамента в эукариотических клетках, состоящий из единиц протеина тубулина. Помимо других функций, это основной структурный компонент жгутика эукариот.
микроворсинок — Тонкие пальцевидные выступы на поверхности клетки, часто используемые для увеличения абсорбционной способности или для улавливания частиц пищи. «Воротник» хоанофлагеллят на самом деле состоит из близко расположенных микроворсинок.
митохондрия — Сложная органелла, обнаруженная у большинства эукариот; Считается, что они произошли от свободноживущих бактерий, которые установили симбиотические отношения с примитивными эукариотами.Митохондрии являются местом производства большей части энергии у большинства эукариот; им для работы необходим кислород. См .: двойная мембрана .
митоз — Процесс ядерного деления у эукариот. Это один шаг в цитокинезе или клеточном делении. БОЛЕЕ ?.
MTOC — (центр организации микротрубочек) MTOC представляют собой пучки белковых трубок, которые могут находиться в основании жгутика эукариот.У животных они также участвуют в создании массивов микротрубочек, которые разделяют хромосомы во время митоза.
многоклеточный — Любой организм, состоящий из множества клеток, называется многоклеточным.
нм — n. Единица измерения; одна миллионная (10 -9 ) метра.
ядерная мембрана — Двойная мембрана, которая окружает эукариотическое ядро.На его поверхности много пор, которые регулируют поток крупных соединений в ядро ​​и из него.
нуклеоид — Область в прокариотах, где сконцентрирована ДНК. В отличие от ядра он не связан мембраной.
ядро ​​ — Органелла, связанная с мембраной, которая содержит ДНК в виде хромосом. Это место репликации ДНК и место синтеза РНК.
органелла — н.Мембраносвязанная структура в эукариотической клетке, которая разделяет клетку на области, которые выполняют различные клеточные функции, например, митохондрии, эндоплазматический ретикулум, лизосомы.
плазматическая мембрана — Наружная мембрана клетки, иногда называемая клеточной мембраной. Термин «плазматическая мембрана» чаще используется при обсуждении прокариот.
плазмида — Круговая петля ДНК у прокариот.Эукариотическая ДНК организована в хромосомы.
пластида — Любая из нескольких пигментированных цитоплазматических органелл, обнаруженных в клетках растений и другие организмы, выполняющие различные физиологические функции, такие как синтез и хранение пищи.
прокариот — Буквально «перед ядром», этот термин применяется ко всем бактериям и архее. Прокариотические клетки не имеют внутренних мембран или цитоскелета.Их ДНК круговая, а не линейная.
протоплазма — Все содержимое клетки, включая ядро. (см .: цитоплазма)
псевдоподии — пальцевидные отростки из амебоидной клетки; буквально «ложные ноги».
повторяющихся последовательностей — Длина нуклеотидной последовательности, которая повторяется в тандемном кластере.
reticulopodia — Длинные нитевидные псевдоподии, которые разветвляются и соединяются, образуя тонкую сеть.Они характерны для форам.
рибосома — (рибосомная РНК)
синцитик — см. Hexactinellida
— тест Твердая оболочка, производимая некоторыми одноклеточными простейшими; может состоять из карбоната кальция, кремнезема или песчинок.
theca — Общий термин для любого жесткого внешнего покрытия одноклеточного протиста, обычно состоящего из сцепляющихся пластин.динофлагелляты и диатомовые водоросли являются примерами простейших с теками.
трансдукция — Вирусный перенос ДНК новому хозяину.
трихоциста — Органелла инфузорий и динофлагеллят, которая высвобождает белки длинных нитей при повреждении клетки. Используется как защита от потенциальных хищников.
ультраструктура — Подробная структура образца, например клетки , ткани или органа , что можно наблюдать только с помощью электронной микроскопии.Также называется тонкой структурой. В яичной скорлупе ультраструктура относится к трехмерному расположению минеральных кристаллов и органического вещества. Он описывается с точки зрения минералогии кальцита или арагонита и перехода между различными зонами организации внутри оболочки. Отчетливые зоны организации называются зонами ультраструктуры.
undulipodium — Другой термин для обозначения жгутика эукариот.
вакуоль — Мембранно-связанное заполненное жидкостью пространство внутри ячейки.В большинстве растительных клеток есть одна большая вакуоль, заполняющая большую часть объема клетки. Некоторые бактериальные клетки содержат газовые вакуоли.
Последнее обновление: 12.11.2009

Молекулярные выражения Биология клетки: структура клеток животных




Структура клеток животных

Клетки животных являются типичными для эукариотических клеток, заключенных в плазматическую мембрану и содержащих мембраносвязанные ядра и органеллы.В отличие от эукариотических клеток растений и грибов, клетки животных не имеют клеточной стенки. Эта особенность была утеряна в далеком прошлом одноклеточными организмами, давшими начало царству Animalia . Большинство клеток, как животных, так и растений, имеют размер от 1 до 100 микрометров, поэтому их можно увидеть только с помощью микроскопа.

Отсутствие жесткой клеточной стенки позволило животным развить большее разнообразие типов клеток, тканей и органов.Специализированные клетки, которые образовывали нервы и мышечные ткани, которые не могли развиваться растениям, обеспечивали этим организмам подвижность. Способность передвигаться с помощью специализированных мышечных тканей является отличительной чертой животного мира, хотя некоторые животные, в первую очередь губки, не обладают дифференцированными тканями. Примечательно, что простейшие передвигаются, но это происходит только немышечными способами, в сущности, с использованием ресничек, жгутиков и псевдоподий.

Царство животных уникально среди эукариотических организмов, потому что большинство тканей животных связаны во внеклеточном матриксе тройной спиралью белка, известного как коллаген .Клетки растений и грибов связаны друг с другом в тканях или скоплениях другими молекулами, такими как , пектин . Тот факт, что никакие другие организмы не используют коллаген таким образом, является одним из указаний на то, что все животные произошли от общего одноклеточного предка. Кости, раковины, спикулы и другие твердые структуры образуются, когда коллагенсодержащий внеклеточный матрикс между клетками животных кальцинируется.

Животные — большая и невероятно разнообразная группа организмов.Составляя около трех четвертей видов на Земле, они охватывают весь спектр от кораллов и медуз до муравьев, китов, слонов и, конечно же, людей. Мобильность дала животным, способным ощущать окружающую среду и реагировать на нее, гибкость, позволяющую применять множество различных способов питания, защиты и воспроизводства. Однако, в отличие от растений, животные не могут производить себе пищу и, следовательно, всегда прямо или косвенно зависят от растений.

Большинство животных клеток диплоидные , что означает, что их хромосомы существуют в гомологичных парах.Однако также известно, что иногда встречаются различные хромосомные плоидности. Размножение клеток животных происходит по-разному. В случаях полового размножения сначала необходим клеточный процесс мейоза , чтобы можно было продуцировать гаплоидные дочерние клетки или гамет . Затем две гаплоидные клетки сливаются, образуя диплоидную зиготу , которая развивается в новый организм по мере деления и размножения его клеток.

Самые ранние ископаемые свидетельства существования животных относятся к вендскому периоду , (от 650 до 544 миллионов лет назад), с существами типа кишечнополостных, которые оставили следы своих мягких тел в мелководных отложениях.Первое массовое вымирание положило конец этому периоду, но в последовавший за ним кембрийский период взрыв новых форм положил начало эволюционному излучению, которое произвело большинство основных групп или типов, известных сегодня. Позвоночные (животные с позвоночником), как известно, не встречались до начала ордовикского периода гг. г. (от 505 до 438 миллионов лет назад).

Клетки были обнаружены в 1665 году британским ученым Робертом Гуком, который впервые наблюдал их в своем грубом (по сегодняшним меркам) оптическом микроскопе семнадцатого века.Фактически, Гук ввел термин «клетка» в биологическом контексте, когда он описал микроскопическую структуру пробки, похожую на крошечную пустую комнату или клетку монаха. На рисунке 2 показаны пары фибробластов клеток кожи оленя, которые были помечены флуоресцентными зондами и сфотографированы под микроскопом, чтобы выявить их внутреннюю структуру. Ядра окрашиваются красным зондом, в то время как аппарат Гольджи и актиновая сеть микрофиламентов окрашиваются в зеленый и синий цвет соответственно. Микроскоп является фундаментальным инструментом в области клеточной биологии и часто используется для наблюдения за живыми клетками в культуре.Воспользуйтесь ссылками ниже, чтобы получить более подробную информацию о различных компонентах, содержащихся в клетках животных.

• Центриоли — Центриоли представляют собой самовоспроизводящиеся органеллы, состоящие из девяти пучков микротрубочек и обнаруживаемые только в клетках животных. Кажется, что они помогают в организации деления клеток, но не являются необходимыми для этого процесса.

• Реснички и жгутики — Для одноклеточных эукариот реснички и жгутики необходимы для передвижения отдельных организмов.У многоклеточных организмов функция ресничек заключается в перемещении жидкости или материалов мимо неподвижной клетки, а также в перемещении клетки или группы клеток.

• Эндоплазматическая сеть — Эндоплазматическая сеть представляет собой сеть мешочков, которые производят, обрабатывают и транспортируют химические соединения для использования внутри и вне клетки. Он связан с двухслойной ядерной оболочкой, обеспечивая трубопровод между ядром и цитоплазмой.

• Эндосомы и эндоцитоз — Эндосомы представляют собой мембраносвязанные везикулы, образованные с помощью сложного семейства процессов, известных под общим названием эндоцитоз , и обнаруживаются в цитоплазме практически каждой клетки животного.Основной механизм эндоцитоза противоположен тому, что происходит во время экзоцитоза или клеточной секреции. Он включает инвагинацию (складывание внутрь) плазматической мембраны клетки для окружения макромолекул или другого вещества, диффундирующего через внеклеточную жидкость.

• Аппарат Гольджи — Аппарат Гольджи — это отдел распределения и отгрузки химических продуктов ячейки. Он модифицирует белки и жиры, встроенные в эндоплазматический ретикулум, и подготавливает их к экспорту за пределы клетки.

• Промежуточные филаменты — Промежуточные филаменты представляют собой очень широкий класс волокнистых белков, которые играют важную роль как структурные, так и функциональные элементы цитоскелета. Промежуточные волокна размером от 8 до 12 нанометров действуют как элементы, несущие растяжение, помогая поддерживать форму и жесткость ячеек.

• Лизосомы — Основная функция этих микротел — пищеварение. Лизосомы расщепляют продукты жизнедеятельности клеток и мусор извне клетки на простые соединения, которые переносятся в цитоплазму как новые материалы для построения клетки.

• Микрофиламенты — Микрофиламенты представляют собой твердые стержни, состоящие из глобулярных белков, называемых актином. Эти филаменты в первую очередь структурны по функциям и являются важным компонентом цитоскелета.

• Микротрубочки — Эти прямые полые цилиндры встречаются по всей цитоплазме всех эукариотических клеток (прокариоты их не имеют) и выполняют множество функций, от транспорта до структурной поддержки.

• Митохондрии — Митохондрии — это органеллы продолговатой формы, которые находятся в цитоплазме каждой эукариотической клетки. В животной клетке они являются основными генераторами энергии, преобразующими кислород и питательные вещества в энергию.

• Ядро — Ядро — это узкоспециализированная органелла, которая служит центром обработки информации и административным центром клетки. Эта органелла выполняет две основные функции: она хранит наследственный материал клетки, или ДНК, и координирует деятельность клетки, включая рост, промежуточный метаболизм, синтез белка и воспроизводство (деление клетки).

• Пероксисомы — Микротела — это разнообразная группа органелл, которые находятся в цитоплазме, имеют примерно сферическую форму и связаны одной мембраной. Существует несколько типов микротел, но пероксисомы являются наиболее распространенными.

• Плазменная мембрана — Все живые клетки имеют плазматическую мембрану, которая закрывает их содержимое. У прокариот мембрана — это внутренний защитный слой, окруженный жесткой клеточной стенкой.Клетки эукариотических животных имеют только мембрану, которая удерживает и защищает свое содержимое. Эти мембраны также регулируют прохождение молекул внутрь и из клеток.

• Рибосомы — Все живые клетки содержат рибосомы, крошечные органеллы, состоящие примерно из 60 процентов РНК и 40 процентов белка. У эукариот рибосомы состоят из четырех цепей РНК. У прокариот они состоят из трех цепей РНК.

Помимо оптического и электронного микроскопов, ученые могут использовать ряд других методов, чтобы исследовать тайны животной клетки.Клетки можно разбирать химическими методами, а их отдельные органеллы и макромолекулы выделять для исследования. Процесс фракционирования клеток позволяет ученым в больших количествах готовить определенные компоненты, например митохондрии, для исследования их состава и функций. Используя этот подход, клеточные биологи смогли назначить различные функции определенным участкам внутри клетки. Однако эра флуоресцентных белков вывела микроскопию на передний план в биологии, позволив ученым нацеливать живые клетки с помощью высоколокализованных зондов для исследований, которые не нарушают хрупкий баланс жизненных процессов.

НАЗАД В СТРУКТУРУ ЯЧЕЙКИ ДОМАШНИЙ

НАЗАД К ФЛУОРЕСЦЕНТНОЙ МИКРОСКОПИИ КЛЕТОК

Вопросы или комментарии? Отправить нам письмо.

© 1995-2021, автор — Майкл В. Дэвидсон и Государственный университет Флориды. Все права защищены. Никакие изображения, графика, программное обеспечение, сценарии или апплеты не могут быть воспроизведены или использованы каким-либо образом без разрешения правообладателей.Использование этого веб-сайта означает, что вы соглашаетесь со всеми юридическими положениями и условиями, изложенными владельцами.