Cấu trúc và chức năng của màng sinh chất

Màng sinh chất là lớp lipid kép thấm chọn lọc bao bọc mọi tế bào, ngăn cách tế bào chất với môi trường ngoại bào đồng thời điều hòa sự trao đổi có kiểm soát của các ion, chất dinh dưỡng và thông tin qua nó. Được cấu tạo từ các phospholipid lưỡng cực với các protein nhúng và gắn vào, nó hoạt động như một chất lỏng hai chiều trong đó các thành phần khuếch tán theo chiều ngang, như được mô tả bởi mô hình khảm lỏng.

Definition

Màng sinh chất là lớp phospholipid kép, với các protein và carbohydrate liên kết, tạo thành ranh giới bên ngoài của tế bào, cung cấp một hàng rào thấm chọn lọc và một nền tảng cho vận chuyển, truyền tín hiệu và bám dính.

Scope

Mục này bao gồm kiến trúc phân tử của màng sinh chất, các thành phần lipid và protein của nó, tính bất đối xứng và tổ chức theo chiều ngang của nó, và các chức năng chính của hàng rào, vận chuyển, truyền tín hiệu và bám dính. Đây là một chủ đề tham khảo và giáo dục trong sinh học tế bào và không đề cập đến các liệu pháp nhắm mục tiêu màng hoặc quản lý lâm sàng.

Core questions

• Lớp lipid kép hoạt động như một hàng rào chọn lọc như thế nào?
• Các protein màng xuyên màng và ngoại vi đóng vai trò gì?
• Màng được tổ chức như thế nào trong mặt phẳng của lớp kép và trên hai lớp lá của nó?
• Màng điều hòa vận chuyển và truyền tín hiệu như thế nào?

Key concepts

• Lớp phospholipid kép
• Lipid lưỡng cực và lõi kỵ nước
• Protein màng xuyên màng và ngoại vi
• Tính bất đối xứng lipid màng giữa các lớp lá
• Thuyền lipid và vi miền màng
• Tính thấm chọn lọc
• Vận chuyển qua màng (kênh, chất vận chuyển, bơm)
• Cholesterol và tính lưu động của màng

Key theories

Mô hình khảm lỏng

Singer và Nicolson mô tả màng là một lớp lipid kép lỏng trong đó các protein hình cầu được nhúng và tự do khuếch tán theo chiều ngang, giải thích tính lưu động của màng, tính di động của protein và sự phân bố bất đối xứng của các thành phần giữa hai lớp lá.

Khái niệm thuyền lipid

Lingwood và Simons đã trình bày quan điểm rằng các nanodomains giàu cholesterol và sphingolipid tạm thời tập hợp trong màng để phân vùng tín hiệu và vận chuyển, tinh chỉnh mô hình khảm lỏng bằng cách thêm tính không đồng nhất theo chiều ngang.

Mechanisms

Các phospholipid tập hợp thành một lớp kép có phần bên trong kỵ nước loại trừ các ion và phân tử phân cực, làm cho màng trở thành một hàng rào hiệu quả; cholesterol điều hòa tính lưu động và sự đóng gói của nó. Hai lớp lá khác nhau về thành phần lipid, một sự bất đối xứng được tạo ra và duy trì bởi các lipid flippase và floppase, và các loại lipid được phân bố không đồng đều trên các màng bào quan. Các protein xuyên màng trải dài qua lớp kép để tạo thành các kênh, chất vận chuyển và bơm di chuyển các chất hòa tan một cách chọn lọc, trong khi các thụ thể truyền tín hiệu ngoại bào vào bên trong; các protein ngoại vi và glycolipid trang trí các bề mặt. Cholesterol và sphingolipid có thể kết hợp thành các vi miền có trật tự tạm thời tập trung các protein cụ thể.

Clinical relevance

Màng sinh chất là nơi diễn ra nhiều quá trình sinh lý và liên quan đến bệnh tật, bao gồm vận chuyển ion, truyền tín hiệu thụ thể và tương tác vật chủ-mầm bệnh, do đó cấu trúc của nó là nền tảng của nhiều lĩnh vực mô học, sinh lý học và dược lý học. Mục này mô tả sinh học màng bình thường để tham khảo và không cung cấp hướng dẫn điều trị hoặc liều lượng.

Evidence & guidelines

Mô hình màng được tóm tắt ở đây được hỗ trợ bởi nhiều thập kỷ nghiên cứu lý sinh và hóa sinh được củng cố trong các bài đánh giá về lipid màng và trong các sách giáo khoa tiêu chuẩn; đây là sinh học tế bào mô tả chứ không phải nội dung hướng dẫn lâm sàng.

History

Các thí nghiệm đầu thế kỷ XX cho thấy lipid màng tạo thành một lớp kép, và mô hình Davson-Danielli đề xuất các lớp protein bao phủ một lõi lipid. Kính hiển vi điện tử và các nghiên cứu phá băng đã tiết lộ các protein nhúng trong lớp kép, dẫn đến việc Singer và Nicolson đề xuất mô hình khảm lỏng vào năm 1972. Công trình tiếp theo về sự đa dạng lipid, tính bất đối xứng của lớp lá và các vi miền giàu cholesterol, được van Meer và các đồng nghiệp và Lingwood và Simons xem xét, đã tinh chỉnh bức tranh này thành một màng không đồng nhất theo chiều ngang, được tổ chức động.

Debates

Thuyền lipid có tồn tại dưới dạng cấu trúc ổn định trong tế bào sống không?

Kích thước, thời gian tồn tại và tầm quan trọng chức năng của các miền giàu cholesterol và sphingolipid đã bị tranh cãi, với lĩnh vực này đang chuyển sang quan điểm về các nanodomains nhỏ, động, được ổn định tạm thời thay vì các thuyền lớn cố định.

Key figures

• S. Jonathan Singer
• Garth Nicolson
• Kai Simons
• Gerrit van Meer

Seminal works

• singer-nicolson-1972
• lingwood-simons-2010

Frequently asked questions

Tại sao màng sinh chất có thể thấm chọn lọc trong khi vẫn giữ được tính lưu động?

Lõi lipid kỵ nước ngăn chặn sự đi qua tự do của các ion và phân tử phân cực, do đó sự di chuyển chọn lọc xảy ra thông qua các protein kênh, chất vận chuyển và bơm chuyên biệt; bản thân lớp kép vẫn giữ được tính lưu động vì các lipid và protein riêng lẻ khuếch tán theo chiều ngang mà không rời khỏi màng.

Tính bất đối xứng lipid màng là gì?

Hai lớp lá của lớp kép có thành phần lipid khác nhau; ví dụ, một số phospholipid được làm giàu ở mặt tế bào chất, một sự sắp xếp được duy trì tích cực bởi các enzyme và quan trọng cho việc truyền tín hiệu và nhận diện.