Cơ học Lớp lipid kép

Cách lớp lipid kép hoạt động như một vật liệu lỏng hai chiều—chống lại sự uốn cong, kéo giãn và thay đổi diện tích trong khi vẫn cho phép các phân tử của nó khuếch tán trong mặt phẳng.

Definition

Cơ học lớp lipid kép là mô tả một màng sinh học như một tấm đàn hồi, lỏng, được đặc trưng bởi các thông số như độ cứng uốn, mô đun giãn nở diện tích và sức căng chi phối sự biến dạng của nó.

Scope

Chủ đề này xem xét màng như một vật liệu vật lý: sự tự lắp ráp của nó từ các chất lưỡng tính, tính lưu động và hành vi pha của nó, và phản ứng đàn hồi của nó đối với sự uốn cong, kéo giãn và sức căng. Nó giới thiệu mô tả độ đàn hồi cong để định lượng năng lượng cần thiết để biến dạng lớp kép và kết nối cơ học này với hình dạng, sự hợp nhất và môi trường cơ học của các protein nhúng. Chức năng kênh và vận chuyển được đề cập trong các chủ đề lân cận.

Core questions

• Tại sao các lipid lưỡng tính tự phát tạo thành lớp kép trong nước?
• Màng là chất lỏng hai chiều có nghĩa là gì?
• Cần bao nhiêu năng lượng để uốn cong hoặc kéo giãn một lớp kép?
• Sức căng và độ cong của màng ảnh hưởng đến protein và hình dạng tế bào như thế nào?

Key theories

Độ đàn hồi cong của màng

Khung của Helfrich gán một năng lượng cho sự biến dạng màng theo độ cứng uốn và độ cong tự phát, do đó các hình dạng cân bằng là những hình dạng giảm thiểu tổng năng lượng cong.

Tự lắp ráp bằng hiệu ứng kỵ nước

Các lipid tập hợp thành lớp kép vì việc cô lập các đuôi kỵ nước của chúng khỏi nước làm giảm năng lượng tự do, tạo ra một tấm ổn định, tự phục hồi mà không có liên kết cộng hóa trị giữa các phân tử.

Mechanisms

Các lipid lưỡng tính tự lắp ráp sao cho đuôi của chúng tránh nước và đầu của chúng hướng về phía nước, tạo ra một lớp kép lỏng trong đó các lipid riêng lẻ khuếch tán theo chiều ngang nhưng hiếm khi lật qua. Tấm này chống lại sự thay đổi diện tích một cách mạnh mẽ (mô đun kéo giãn lớn) nhưng uốn cong tương đối dễ dàng (độ cứng uốn vừa phải khoảng vài chục kBT), và các hằng số đàn hồi này, cùng với bất kỳ độ cong tự phát nào, thiết lập hình dạng ưu tiên của màng. Sức căng, thành phần và nhiệt độ điều chỉnh tính lưu động và pha, và trạng thái cơ học kết quả tác động ngược lại lên cấu hình và sự tập hợp của các protein nhúng.

Clinical relevance

Các đặc tính cơ học của màng ảnh hưởng đến sự vận chuyển túi, hình dạng tế bào và hoạt động của các tác nhân hoạt động trên màng, cung cấp bối cảnh giáo dục cho sinh học màng hơn là các khuyến nghị lâm sàng.

History

Sự công nhận lớp kép là cấu trúc màng cơ bản, kết hợp với lý thuyết độ đàn hồi cong của Helfrich năm 1973 và các phép đo cơ học vi mô trên các túi, đã thiết lập màng như các vật liệu đàn hồi có thể định lượng và đặt nền móng cho sinh lý học hiện đại về hình dạng màng.

Key figures

• Wolfgang Helfrich
• Evan Evans
• Udo Seifert

Seminal works

• helfrich1973
• phillips2012

Frequently asked questions

Màng tế bào là chất rắn hay chất lỏng?

Nó được mô tả tốt nhất là một chất lỏng hai chiều: lipid và nhiều protein khuếch tán tự do trong mặt phẳng của màng, mặc dù toàn bộ tấm vẫn giữ hình dạng của nó.

Tại sao độ cứng uốn lại quan trọng?

Nó xác định lượng năng lượng cần thiết để làm cong một màng, điều này chi phối sự hình thành túi, hình dạng mà tế bào và bào quan có được, và mức độ dễ dàng màng bao bọc hoặc tách ra khỏi các cấu trúc.