คุณสมบัติของไขมันโครงสร้างโครงสร้างหน้าที่ - ชีววิทยา

ไขมัน bilayerเป็นบาง bimolecular เยื่อราบเรียบของไขมัน amphipathic นั่นคือพวกเขามีส่วนที่ไม่ชอบน้ำและอีกส่วนหนึ่งที่ชอบน้ำ มีความสามารถในการซึมผ่านของไอออนต่ำมากเช่นเดียวกับโมเลกุลส่วนใหญ่ที่ละลายในน้ำอย่างไรก็ตามมันสามารถซึมผ่านน้ำได้มาก

ในสารละลายที่เป็นน้ำลิพิดที่มีขั้วเช่นฟอสฮอกลีเซอไรด์จะเชื่อมโยงกับมวลรวมชนิดต่าง ๆ ที่เรียกว่าไมเซลลิสโมโนเลย์ลิพิดและไบลาเยอร์ ในโครงสร้างเหล่านี้ส่วนหัวของโพลาร์ไลปิดซึ่งเป็นไฮโดรฟิลิกจะถูกสั่งให้สัมผัสกับน้ำภายนอกในขณะที่หาง (ไม่ชอบน้ำ) ทั้งหมดจะจัดเรียงที่ปลายอีกด้านหนึ่ง

แผนภาพของการจัดเรียงของไขมันที่เป็นไปได้ที่ขอบของรูขุมขนผ่าน lipid bilayer ถ่ายและตัดต่อจาก: MDougM.

สิ่งมีชีวิตมีเยื่อหุ้มเซลล์ซึ่งประกอบด้วยฟอสโฟลิปิดและไกลโคลิปิดเป็นส่วนใหญ่ทำให้เกิด lipid bilayer Bilayer นี้ถือเป็นอุปสรรคในการซึมผ่านที่ช่วยในการควบคุมเนื้อหาภายในของเกลือและอิเล็กโทรไลต์ของเซลล์ เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้พวกเขามีโครงสร้างที่เรียกว่าปั๊มไอออน

นักวิทยาศาสตร์คนแรกที่เสนอแบบจำลอง lipid bilayer สำหรับเยื่อหุ้มเซลล์คือ Drs. Evert Gorter และ F. Grendel (1925) จาก Leiden University, Holland ซึ่งเป็นแบบจำลองที่ได้รับการยืนยันในปี 1950 โดยการศึกษาด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน

มีการใช้ไบปิดลิเมอร์ในปัจจุบันและเป็นไปได้หลายอย่าง แต่จนถึงปัจจุบันการพูดในเชิงพาณิชย์ที่ประสบความสำเร็จมากที่สุดคือการใช้ถุงเทียม (ไลโปโซม) ในทางการแพทย์เพื่อให้ยาแก่ผู้ป่วยมะเร็ง

ลักษณะเฉพาะ

lipid bilayers เป็นโครงสร้างลาเมลลาร์ที่บางและเปราะบางมากซึ่งนำเสนอลักษณะสำคัญทางชีวภาพบางประการเช่น:

อาการแทรกเข้าไปได้

ลักษณะสำคัญประการหนึ่งของ lipid bilayer คือความสามารถในการซึมผ่านแบบเลือกได้ อันที่จริงเมมเบรนเหล่านี้ไม่สามารถต้านทานต่อไอออนและโมเลกุลที่มีขั้วส่วนใหญ่ได้โดยมีน้ำเป็นข้อยกเว้นที่สำคัญเนื่องจากสามารถผ่านเมมเบรนได้ง่าย

ตัวอย่างของความสามารถในการซึมผ่านแบบคัดเลือกนี้คือโซเดียมและโพแทสเซียมซึ่งมีไอออนผ่านเมมเบรนช้ากว่าน้ำหลายล้านเท่า ในทางกลับกันอินโดลซึ่งเป็นสารประกอบอินทรีย์แบบเฮเทอโรไซคลิกข้ามเมมเบรนด้วยความเร็วสูงกว่าทริปโตเฟนถึงพันเท่าซึ่งเป็นโมเลกุลอื่นที่มีโครงสร้างคล้ายกับโมเลกุลนี้

ก่อนที่จะทราบถึงลักษณะสองเท่าของเมมเบรนนักวิทยาศาสตร์ชาร์ลส์โอเวอร์ตันชี้ให้เห็น (1901) ว่าค่าสัมประสิทธิ์การซึมผ่านของโมเลกุลขนาดเล็กเกี่ยวข้องโดยตรงกับความสามารถในการละลายสัมพัทธ์ที่มีอยู่ในตัวทำละลายอินทรีย์และในน้ำ

ความไม่สมดุล

แต่ละชั้นที่ประกอบเป็นเมมเบรนมีโครงสร้างและหน้าที่แตกต่างจากชั้นอื่น ๆ ตัวอย่างการใช้งานของความไม่สมมาตรนี้คือปั๊มโซเดียม - โพแทสเซียม ปั๊มนี้มีอยู่ในพลาสมาเมมเบรนของเซลล์ส่วนใหญ่ของสิ่งมีชีวิตชั้นสูง

นา⁺ - K ⁺ปั๊มเน้นในลักษณะดังกล่าวว่า expels นา⁺มาจากภายในของเซลล์ในขณะที่การแนะนำ K ⁺ไอออน นอกจากนี้สื่อขนส่งนี้ต้องการพลังงานในรูปแบบของ ATP สำหรับการกระตุ้นและสามารถใช้ได้ก็ต่อเมื่ออยู่ภายในเซลล์

ส่วนประกอบของแต่ละชั้นก็แตกต่างกันเช่นกันโปรตีนเมมเบรนจะถูกสังเคราะห์และแทรกเข้าไปใน bilayer อย่างไม่สมมาตรเช่นเดียวกับไขมัน แต่อย่างหลังซึ่งแตกต่างจากโปรตีนคือไม่แสดงความไม่สมมาตรอย่างแท้จริงยกเว้น ของไกลโคลิปิด

ในกรณีของเม็ดเลือดแดงตัวอย่างเช่น sphingomyelins และ phosphatidylcholines อยู่ในชั้นนอกของเมมเบรนในขณะที่ phosphatidylethanolamine และ phosphatidylserines อยู่ในตำแหน่งภายใน คอเลสเตอรอลเป็นองค์ประกอบของทั้งสองชั้น

สาเหตุหนึ่งของความไม่สมมาตรในการกระจายของฟอสโฟลิปิดคือองค์ประกอบเหล่านี้ส่วนใหญ่ถูกสังเคราะห์ภายในเซลล์ดังนั้นจึงรวมอยู่ในชั้นในในขั้นต้นและจากที่นั่นบางส่วนจะอพยพไปยังชั้นนอกด้วย ความช่วยเหลือของเอนไซม์ที่เรียกว่า flipases

ความคล่องแคล่ว

lipid bilayers ไม่ใช่โครงสร้างที่แข็ง แต่ตรงกันข้ามเป็นโครงสร้างของไหลและมีพลวัตซึ่งไขมันและโปรตีนจำนวนมากเคลื่อนที่ไปด้านข้างตลอดเวลา

ไขมันจะกระจายไปด้านข้างในเมมเบรนในอัตราเฉลี่ย 2 µm ต่อวินาที ในทางกลับกันการกระจัดด้านข้างของโปรตีนใน bilayers อาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับชนิดของโปรตีน ในขณะที่บางชนิดเร็วพอ ๆ กับไขมัน แต่บางชนิดก็ยังคงเคลื่อนที่ไม่ได้

ในทางกลับกันการแพร่กระจายตามขวางหรือที่เรียกว่า flip-flop นั้นช้ากว่ามากสำหรับไขมันและไม่เคยพบในโปรตีน

ในทางกลับกันความลื่นไหลของเมมเบรนอาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับลำดับสัมพัทธ์ของกรดไขมันของไขมัน เมื่อมีการสั่งซื้อกรดไขมันทั้งหมด bilayer จะอยู่ในสถานะแข็งในขณะที่อยู่ในสถานะของเหลวจะค่อนข้างไม่เป็นระเบียบ

การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้อาจเกิดจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ การเปลี่ยนจากสถานะของแข็งเป็นสถานะของเหลวเกิดขึ้นทันทีเมื่ออุณหภูมิสูงเกินเกณฑ์ที่เรียกว่าอุณหภูมิหลอมละลายซึ่งขึ้นอยู่กับความยาวของโซ่กรดไขมันรวมถึงระดับความไม่อิ่มตัว

ไขมันที่เป็นส่วนประกอบของเมมเบรนมีลักษณะที่แตกต่างกันดังนั้นจึงอาจมีอุณหภูมิหลอมละลายที่แตกต่างกัน ด้วยเหตุนี้ที่อุณหภูมิของแข็งและของไหลที่แตกต่างกันจึงสามารถอยู่ร่วมกันใน bilayer เดียวกันได้

คุณสมบัติอื่น ๆ

lipid bilayers เนื่องจากปฏิสัมพันธ์โควาเลนต์และกองกำลังของ van der Waals ที่น่าดึงดูดมีแนวโน้มที่จะกว้างขวางและปิดตัวเองเพื่อไม่ให้ปลายสัมผัส ความสามารถในการซ่อมแซมตัวเองก็เป็นลักษณะเช่นกันเนื่องจากการขาดความต่อเนื่องไม่เอื้ออำนวยต่อโครงสร้างของมัน

โครงสร้าง

มีโมเดลที่แตกต่างกันเพื่ออธิบายโครงสร้างของ lipid bilayer:

โมเดล Davson และ Danielli

ได้รับการเสนอในปีพ. ศ. 2478 และรักษาว่าเมมเบรนมีเฟสของไฮโดรคาร์บอนที่ต่อเนื่องซึ่งมีสาเหตุมาจากไขมันที่ประกอบเป็นเมมเบรน

แบบจำลองเยื่อหุ้มเซลล์ Davson และ Danielli ถ่ายและตัดต่อจาก: miguelferig.

แบบจำลองหน่วยเมมเบรน

สร้างขึ้นโดย JD Robertson สมมติฐานนี้เป็นการดัดแปลงแบบจำลองของ Davson และ Danielli เขาตั้งสมมติฐานว่าเมมเบรนหน่วยประกอบด้วยสองชั้นของไขมันโพลาร์ผสม

ลิพิดเหล่านี้มุ่งเน้นไปที่โซ่ไฮโดรคาร์บอนเข้าด้านในก่อตัวเป็นชั้นไฮโดรคาร์บอนต่อเนื่องในขณะที่หัวไฮโดรฟิลิกชี้ไปในทิศทางตรงกันข้าม

นอกจากนี้เมมเบรนที่รวมกันนี้ยังถูกปกคลุมทั้งสองด้านด้วยโมเลกุลโปรตีนชั้นเดียวที่จัดเรียงในลักษณะขยาย

แบบจำลองทรงกลม

หรือที่เรียกว่าโมเดลหน่วยย่อย ตามแบบจำลองนี้เมมเบรนจะประกอบขึ้นด้วยโมเสกของไลโปโปรตีนที่ทำซ้ำ ๆ กันระหว่าง 4.0 ถึง 9.0 นาโนเมตร

ลวดลายโมเสคของไหล

เสนอโดย SJ Singer และ GL Nicholson ในปีพ. ศ. 2515 และเป็นรุ่นที่ได้รับการยอมรับมากที่สุด ตามที่กล่าวไว้ฟอสโฟลิปิดของเมมเบรนจะถูกจัดเรียงเป็นสองชั้นก่อตัวเป็นเมทริกซ์ของผลึกเหลว

จากแบบจำลองนี้โมเลกุลของไขมันแต่ละตัวสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระในด้านข้างซึ่งจะอธิบายถึงความยืดหยุ่นความลื่นไหลความต้านทานไฟฟ้าและความสามารถในการซึมผ่านที่เลือกได้ที่เยื่อเหล่านี้มีอยู่

โปรตีนที่เป็นส่วนหนึ่งของ bilayer ตามแบบจำลองจะต้องเป็นทรงกลม นอกจากนี้โปรตีนบางส่วนจะถูกฝังอยู่ใน bilayer บางส่วนในขณะที่โปรตีนอื่น ๆ จะฝังอยู่ในนั้นทั้งหมด

ระดับของการแทรกซึมของโปรตีนทรงกลมเข้าสู่ bilayer จะถูกกำหนดโดยลำดับกรดอะมิโนเช่นเดียวกับการปรากฏตัวของกลุ่ม nonpolar R บนพื้นผิวของกรดอะมิโนเหล่านี้

ส่วนประกอบ

Bilayers ธรรมชาติประกอบด้วยฟอสโฟลิปิดเป็นส่วนใหญ่ เหล่านี้เป็นสารประกอบที่ได้จากกลีเซอรอลที่มีลักษณะเป็นหัวที่ชอบน้ำและหางสองตัวที่ไม่ชอบน้ำ

เมื่อฟอสโฟลิปิดสัมผัสกับน้ำพวกเขาสามารถจัดระเบียบได้หลายวิธี รูปแบบที่มั่นคงที่สุดคือ bilayer โดยหันหางเข้าด้านในและหัวหันไปทางด้านนอกของ bilayer

Glycolipids ยังเป็นส่วนหนึ่งของ lipid bilayer สารประกอบเหล่านี้ตามชื่อระบุว่าเป็นไขมันที่เกี่ยวข้องกับน้ำตาลซึ่งได้มาในกรณีของสัตว์จากสารประกอบที่เรียกว่าสฟิงโกซิน

องค์ประกอบที่สำคัญอีกอย่างของเมมเบรนคือคอเลสเตอรอลซึ่งเป็นไขมันที่ไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ มีอยู่ทั้งในชั้นในและชั้นนอกของ bilayer มีมากในพลาสมาเมมเบรนมากกว่าในเมมเบรนของออร์แกเนลล์

เมมเบรนยังเกี่ยวข้องกับโปรตีนหลายชนิดซึ่งอาจมีได้ 2 ประเภทคือภายนอกหรือภายใน โปรตีนภายนอกหรือโปรตีนรอบนอกถูกจับกับเมมเบรนอย่างหลวม ๆ และสามารถแยกออกจากกันได้ง่าย

โปรตีนที่อยู่ภายในหรืออินทิกรัลมีความเกี่ยวข้องอย่างมากกับ bilayer และไม่แยกออกจากกันโดยง่าย เป็นตัวแทนของโปรตีนเมมเบรนประมาณ 70% บางตัวทำหน้าที่เป็นตัวรับสัญญาณจากภายนอกเซลล์และส่งผ่านไปยังภายใน

โปรตีนอื่น ๆ เกี่ยวข้องกับการหลอมรวมกันของบิลาเยอร์สองชนิดที่แตกต่างกัน ในหมู่พวกเขาเป็นสิ่งที่อนุญาตให้มีการรวมกันของตัวอสุจิกับไข่ในระหว่างการปฏิสนธิ รวมถึงสิ่งที่อนุญาตให้ไวรัสเข้าไปในเซลล์ของโฮสต์

นอกจากนี้ปั๊มไอออนยังเป็นโปรตีนหนึ่งที่ข้าม bilayer ที่อนุญาตให้แลกเปลี่ยนไอออนระหว่างภายในและภายนอกของเซลล์ผ่านทาง lipid bilayer กับการไล่ระดับสี

คุณสมบัติ

หน้าที่ทางชีววิทยาหลักของ lipid bilayer คือการแยกส่วนของน้ำที่มีองค์ประกอบต่างกันเช่นการแยกโปรโตพลาสซึมของเซลล์ออกจากสภาพแวดล้อม หากไม่มีการคั่นกลางทางกายภาพนี้ชีวิตอย่างที่เรารู้ว่ามันคงเป็นไปไม่ได้

ฟังก์ชั่นนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งที่สิ่งมีชีวิตทุกชนิดจะมีเมมเบรนที่ประกอบด้วย lipid bilayer ข้อยกเว้นแสดงโดย archaea บางชนิดซึ่งเมมเบรนเป็น monolayer ของไขมัน

lipid bilayers มีส่วนร่วมในการส่งกระแสประสาทภายใน เซลล์ประสาทไม่ได้ติดกันทางกายภาพ แต่คั่นด้วยช่องว่างสั้น ๆ เรียกว่าไซแนปส์ สารสื่อประสาทที่บรรจุถุงเข้าไปขัดขวางเพื่อเชื่อมช่องว่างภายในนี้

หน้าที่อีกประการหนึ่งของ bilayer คือทำหน้าที่เป็นฐานโครงสร้างหรือโครงกระดูกรองรับซึ่งระบบการขนส่งบางส่วนรวมทั้งเอนไซม์บางชนิดได้รับการยึดติดอย่างแน่นหนา

ออร์แกเนลล์ที่มี lipid bilayer

ในโปรคาริโอตลิพิดบิลิเลเยอร์มีอยู่ในเยื่อหุ้มเซลล์เท่านั้นในขณะที่ยูคาริโอตมีออร์แกเนลล์หรือออร์แกเนลล์ที่แตกต่างกันซึ่งอาจมีหนึ่งหรือสองไลปิดของลิพิด

-Organelles ที่มีสอง lipid bilayers

แกน

ออร์แกเนลล์ของเซลล์มีอยู่ในเซลล์ยูคาริโอตและมีสารพันธุกรรมส่วนใหญ่ที่จัดอยู่ในโครโมโซม

เมมเบรนนิวเคลียร์ประกอบด้วยลิปิดสองตัวคั่นด้วยช่องว่างที่เรียกว่าเพอรินิวเคลียร์ ทั้งสองชั้นเรียกว่าเยื่อหุ้มนิวเคลียร์ด้านนอกและด้านในและมีความแตกต่างกันตามองค์ประกอบของโปรตีน

mitochondria

ออร์แกเนลล์รับผิดชอบการหายใจของเซลล์ซึ่งเป็นกระบวนการที่ให้พลังงานที่จำเป็นสำหรับกิจกรรมของเซลล์ มีเมมเบรนสองชั้นด้านนอกเรียบและด้านในพับเป็นแท่งเคลือบหรือคล้ายนิ้วมือ

หน้าที่ของรอยพับดังกล่าวคือการเพิ่มพื้นที่ผิวภายในซึ่งเป็นสถานที่ที่เกิดปฏิกิริยาการเผาผลาญ

mitochondria ถ่ายและเรียบเรียงจาก: LadyofHats.

คลอโร

ออร์แกเนลล์มีอยู่ในพืชชั้นสูงและสิ่งมีชีวิตยูคาริโอตรูปถ่ายอื่น ๆ มีสองแท่งลิปิดศูนย์กลางที่คั่นด้วยช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์ ชั้นนอกมีรูพรุนมากกว่าชั้นในเนื่องจากมีโปรตีนที่เรียกว่าโพริน

- ออร์แกเนลล์ที่มี lipid bilayer

นอกเหนือจากพลาสมาเมมเบรนซึ่งได้รับการกล่าวถึงอย่างกว้างขวางในบทความนี้แล้วออร์แกเนลล์อื่น ๆ เช่นเอนโดพลาสมิกเรติคูลัมอุปกรณ์กอลจิและไลโซโซมยังมีลิพิดบิลิเลเยอร์เดียว

เอนโดพลาสมิกเรติคูลัม (ER)

เยื่อหุ้มเซลล์ไซโทพลาสซึมที่ซับซ้อนที่เกี่ยวข้อง (ER หยาบ) หรือไม่ (ER เรียบ) กับไรโบโซมและมีส่วนร่วมในการสังเคราะห์ไขมันและฟอสโฟลิปิด (ER ที่เรียบ) หรือของเปปไทด์และโปรตีน (ER หยาบ) เนื่องจากไรโบโซมที่ติดอยู่กับมัน ผนัง

อุปกรณ์ Golgi

เยื่อหุ้มผนังเรียบที่ซับซ้อนซึ่งเกี่ยวข้องกับการจัดเก็บการดัดแปลงและการบรรจุสารโปรตีน

lysosomes

ออร์แกเนลล์ Vesicular ที่มีเอนไซม์ที่เกี่ยวข้องกับการย่อยสลายสิ่งแปลกปลอม นอกจากนี้ยังย่อยสลายส่วนประกอบของเซลล์ที่ไม่จำเป็นและแม้แต่เซลล์ที่เสียหายหรือตาย

การประยุกต์ใช้งาน

การใช้ lipid bilayers เป็นหลักในด้านการแพทย์ ไลโปโซมเป็นโครงสร้างแบบ vesicular คั่นด้วย lipid bilayers พวกมันถูกสร้างขึ้นโดยเทียมโดยการสั่นของโซนิคของสารแขวนลอยฟอสโฟกลีเซอร์ไรด์ในน้ำ

หากไอออนหรือโมเลกุลรวมอยู่ในสารแขวนลอยในน้ำองค์ประกอบเหล่านี้บางส่วนจะบรรจุอยู่ภายในไลโปโซม ตามหลักการเหล่านี้ยาถูกห่อหุ้มด้วยสารละลายภายในไลโปโซม

ไลโปโซมที่มีส่วนผสมของยาจะถูกฉีดเข้าไปในผู้ป่วย เมื่อเข้าไปข้างในพวกเขาจะเดินทางผ่านระบบเลือดจนกว่าจะถึงสถานที่เป้าหมาย ในสถานที่ปลายทางพวกเขาทำลายและปล่อยเนื้อหา

นอกจากนี้ยังมีการทดสอบการใช้ lipid bilayers เป็นไบโอเซนเซอร์ในการวินิจฉัยโรค เช่นเดียวกับการตรวจจับอาวุธชีวภาพที่เป็นไปได้ ล่าสุดมีการทดสอบความสามารถในการซึมผ่านของยาได้สำเร็จ

อ้างอิง

OS Andersen, II Koeppe, E. Roger (2007) ความหนาของ Bilayer และการทำงานของโปรตีนเมมเบรน: มุมมองที่มีพลัง การทบทวนชีวฟิสิกส์และโครงสร้างทางชีวโมเลกุลประจำปี
ลิพิด bilayer ใน Ecured. กู้คืนจาก ecured.com.
ลิพิด bilayer บน Wikipedia สืบค้นจาก wikipedia.org.
อ. เลห์นิงเงอร์ (2521). ชีวเคมี. Ediciones Omega, SA
แอลสไตรเยอร์ (1995). Biochemestry WH Freeman and Company, นิวยอร์ก
อาร์บีเจนนิส (1989). Biomembranes Springer-Verlag
MS Bretscher (2515) โครงสร้างของ Lipid Bilayer แบบอสมมาตรสำหรับเยื่อชีวภาพ ธรรมชาติชีววิทยาใหม่

คุณสมบัติของไขมันโครงสร้างโครงสร้างหน้าที่ - ชีววิทยา - 2025