멤브레인 모델

Membrane models
이 기사는 1880년부터 2000년까지 제안된 세포막 모델을 논의하는데, 이 모든 것이 현재의 세포막 모자이크 모델의 발견으로 이어졌다.
인공 막은 모델 막을 참조하십시오.

1950년대에 전자현미경 검사가 등장하기 전에는, 과학자들은 세포막의 구조나 그 구성요소를 알지 못했다; 생물학자들과 다른 연구원들은 세포막이 실제로 시각화되기 전에 그것을 식별하기 위해 간접적인 증거를 사용했다.구체적으로, 세포막에 지질, 단백질, 빌레이어가 있다는 것을 추론한 것은 오버톤, 랭무어, 고터, 그렌델, 다브슨과 다니엘리의 모델을 통해서였다.전자현미경의 출현, J. 데이비드 로버트슨의 발견, 싱어와 니콜슨의 제안, 언윈과 헨더슨의 추가 작업 등이 모두 현대적인 막 모델의 발전에 기여했다.그러나 과거 멤브레인 모델에 대한 이해는 멤브레인 특성에 대한 현재의 인식을 해명한다.강도 높은 실험 연구에 이어, 전세기의 막 모형은 오늘날 받아들여지는 유체 모자이크 모형에 자리를 내주었다.null

고터와 그렌델의 막 이론(1920)

지방층을 형성하기 위한 암페타틱 지질 분자의 배열도.노란색 극지방 머리 그룹은 회색 소수성 꼬리와 수성 세포외 환경과 세포외 환경을 분리한다.

에버트 고터와 프랑수아 그렌델(Dutch 생리학자들)은 지질의 바이 레이어로서 우리의 플라즈마 막 구조의 현재 모델의 발견에 접근했다.그들은 단순히 플라즈마 막이 양층이라면 측정된 지질 단층 표면적이 플라즈마 막의 표면적의 두 배가 될 것이라는 가설을 세웠다.그들의 가설을 조사하기 위해 그들은 인간, 염소, 양 등 서로 다른 포유류 선원의 알려진 적혈구(에로시테스)에서 지질을 추출한 다음 랑무르-블로드게트 수조에서 단층으로 지질을 퍼뜨리는 실험을 했다.적혈구 혈장막의 총표면적을 측정했고, 랑무르의 방법을 이용해 지질의 단층면적을 측정했다.이 둘을 비교하면서, 그들은 2:1로 추정된 비율을 계산했다. 이것은 그들의 가설을 뒷받침해 주었고, 이것은 세포막이 두 개의 부착된 분자 층으로 구성되어 있다는 결론으로 이어졌다.[1]두 과학자들은 극성 소수성 머리가 수성 환경을 향해 바깥쪽을 향하고 소수성 꼬리가 막 양쪽에 있는 수성 주변으로부터 안쪽으로 향하도록 하는 이 이중층을 위한 구조를 제안했다.비록 올바른 결론에 도달했지만, 지질 단층부의 면적과 압력의 오산과 지질 추출의 불완전성 등 실험 데이터의 일부는 부정확했다.또한 멤브레인 기능을 설명하지 못했고, 대부분 지질로 이루어진 플라즈마 막과 같은 잘못된 가정을 가지고 있었다.그러나 전체적으로 이러한 지질 이중층 구조의 상상은 멤브레인 기능에 대한 현대적인 이해에서 각각의 연속적인 미세화에 대한 기본적인 가정이 되었다.[2]null

Robertson(1940–1960)의 백업 기능을 갖춘 Davson 및 Danielli 모델

세포막의 3엽형상

고터·그렌델의 제안에 따라, 단지 단순한 지질의 바이레이어를 막으로 하는 진위성에 대해 필연적으로 의구심이 생겼다.예를 들어, 그들의 모델은 표면 장력, 투과성 및 막의 전기 저항성에 관한 질문에 대한 답을 제공할 수 없었다.따라서 생리학자인 휴 데이비슨과 생물학자 제임스 다니엘리는 세포막은 실제로 단백질을 가지고 있다고 제안했다.그들에 따르면, 이러한 "메모 단백질"의 존재는 Gotter-Grendel 모델로는 대답할 수 없다고 설명했다고 한다.null

1935년, 다브슨과 다니엘리는 생물학적 막이 얇은 단백질 시트로 양쪽에 코팅된 지질 바이레이어로 구성되어 있다고 제안했고, 그들은 모델을 "파우치 분자" 이론으로 단순화했다.[3]이 이론은 모든 생물학적 막은 단백질 단층(mono-layer)으로 덮인 지질 단층(mono-layer)으로 둘러싸인 "lipoid" 중심을 가지고 있다고 선언했다.간단히 말해서, 그들의 모델은 단백질-지질-단백질의 "샌드위치"로 묘사되었다.Davson-Danielli 모델은 생물학적 막에서 단백질이 수행하는 중요한 역할을 강조함으로써 세포막의 이해에 새로운 빛을 던졌다.null

1950년대까지 세포생물학자들은 전자현미경(고해상도)의 사용을 통해 플라즈마 막의 존재를 확인했다.J. David Robertson은 단위 멤브레인 모델을 제안하기 위해 이 방법을 사용했다.[4]기본적으로 그는 모든 세포막은 유사한 기초구조인 단위막을 공유할 것을 제안했다.헤비메탈 얼룩을 사용하면서 로버트슨의 제안도 다브슨-다니엘리 모델에 즉각적으로 동의하는 것 같았다.로버트슨이 본 세포막의 3엽형 패턴을 보면, 그는 이 막이 얇은 단백질 시트(무코프로티엔스)로 양쪽 표면에 덮인 지질 생물층으로 이루어져 있다고 제안했다.이 제안은 다브슨과 다니엘리의 제안에 큰 힘이 되었다.[5]그러나, 로버슨의 입증에도 불구하고, Davson-Danielli 모델은 심각한 합병증을 가지고 있었는데, 주요한 것은 연구된 단백질들이 주로 구상체였기 때문에 얇은 단백질 시트에 대한 모델의 주장에 들어맞을 수 없다는 것이다.모델과의 이러한 어려움들은 막 조직에서의 새로운 연구를 자극했고 1972년에 제안된 유체 모자이크 모델의 길을 닦았다.null

싱어·니콜슨의 유체 모자이크 모델(1972)

주요 기사:유체 모자이크 모형

1972년 S. 조나단 싱어와 가스 니콜슨은 막 구조에 대한 새로운 아이디어를 개발했다.그들의 제안은 유동체 모자이크 모델이었는데, 이것이 현재 지배적인 모델이다.그것은 두 가지 주요 특징을 가지고 있다. 즉, 막에 내장된 단백질의 모자이크와 막은 지질의 유체 양층이다.지질 이중층 제안은 이전 모델과 동의하지만 단백질을 표면에 얇은 시트가 아닌 입상 물질로 본다.null

모델에 따르면, 막 단백질은 지질 양층과 어떻게 연결되어 있는지에 따라 다음과 같은 세 가지 등급으로 분류된다.

  1. 적분 단백질:바이 레이어에 담근 후 층 내부에 있는 인산염의 소수성 꼬리에 대한 단백질의 소수성 부분의 친화력에 의해 제자리에 고정된다.
  2. 말초 단백질:보다 친수성이 높으므로 인광성분의 극성 머리와 막 표면에 있는 다른 막 단백질의 다른 친수성 부분과 비균등적으로 연결되어 있다.
  3. 지질 고정 단백질:본질적으로 친수성(hydrophilic)은 또한 막의 표면에 위치하며, 층에 내장된 지질 분자에 공칭적으로 부착된다.

막의 유체 성질에 대해서는 지질 성분이 막 표면에 평행하게 이동할 수 있고 일정한 운동을 하고 있다.많은 단백질들은 또한 막 안에서 그러한 움직임을 할 수 있다.그러나 일부는 막의 양쪽에 있는 시토스켈레톤과 같은 구조적 요소에 고정되어 이동성이 제한된다.null

일반적으로 이 모델은 다브슨-다니엘리 모델에 대한 비판의 대부분을 설명한다.얇은 표면층에 멤브레인 단백질을 수용할 필요성을 없애고, 다른 막의 단백질/지질비 변동성은 단순히 다른 막이 함유된 단백질의 양이 다르다는 것을 의미한다고 제안했으며, 막 표면의 지질-머리 그룹의 노출이 어떻게 그들의 감각과 호환되는지를 보여주었다.인산염 소화를 촉진하다또한 지질 바이레이어의 유동성과 세포막 내 성분의 혼합을 통해 지질 및 단백질의 이동성을 쉽게 시각화할 수 있다.null

가수와 니콜슨의 유체 모자이크 모델

헨더슨과 언윈의 막 이론

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과도 수용체 전위 채널 서브 패밀리 V 멤버 1(TRPV1)이온 채널은 살아있는 유기체에 매우 중요한 필수 막 단백질이다.

헨더슨과 언윈은 전자현미경 검사로 자주색 막을 연구해 왔으며, 비결정 표본의 투사 구조를 결정하는 방법을 사용해 왔다.이 방법을 기울어진 시료에 적용하고, 드로시에르와 클루그가 제시한 원리를 이용하여 그러한 2차원 뷰의 조합으로 7 å 해상도의 멤브레인 3차원 맵을 얻었다.지도는 단백질과 지질 성분의 위치, 각 단백질 분자 내 폴리펩타이드 체인의 배열, 격자 내 단백질 분자의 관계를 보여준다.[6]null

방사선 손상을 최소화하기 위해 적은 양의 전자로 채취한 막 단백질 결정 배열의 고해상도 마이크로그래프는 푸리에 변환에 의해 3차원 구조를 결정하는 데 이용되었다.(저선량 전자 마이크로그래프의) 3차원 푸리에 재구성을 받는 부정 착색된 래트 간세포 Gap™ 접합에 대한 최근 연구는 6개의 단백질 서브 유니트가 약간 접선으로 기울어진 실린더에 배열되어 세포외 영역에서 2nm 넓이의 채널을 둘러싸는 것을 보여준다.멤브레인 내의 채널 치수는 좁았지만 해결할 수 없었다(Unwin and Zampighi, 1980).세포질 단부에서 서브 유니트의 작은 급진적인 움직임은 6배 축에 접하는 서브 유닛 기울기를 감소시키고 채널을 닫을 수 있다.[7]null

더 많은 준비 방법을 이용할 수 있게 되면서 분자 조직에 대한 더 자세한 세부 정보가 나타나서 보라색 막에 필적하는 고해상도 3차원 영상을 얻어야 한다.헨더슨과 언윈(1975)은 저선량 전자 이미지와 회절 패턴의 데이터가 결합된 생물학적 고분자의 주기적 배열 분석을 위한 기발한 절차를 이용하여 보라색 막의 3차원 영상을 0.7nm 해상도로 재구성했다.포도당 임베딩은 탈수 손상과 방사선 손상을 줄이기 위해 저선량(< 0.5 e/A*)을 완화하기 위해 사용되었다.비절연막의 전자 마이크로그래프는 대조의 유일한 원천이 탈색에 의해 유도된 약한 위상 대비라고 기록되었다.null

그들의 실험에서, 언윈과 헨더슨은 단백질이 지질 양층까지 확장되고, 막의 평면에 수직으로 흐르는 약 1–1.2 nm의 간격으로 3.5–4.0 nm의 길이가 채워진 7 α-헬리크로 구성되어 있다는 것을 발견했다.분자는 3배 축을 중심으로 구성되며, 중심에는 2nm 폭의 공간이 있으며, 지질로 채워져 있다.이 우아한 작품은 최초로 우리에게 적분막단백질의 구조를 그대로 제공했듯이 지금까지 가장 의미 있는 진보를 나타낸다.헨더슨과 언윈의 연구에서 나온 전자 산란 밀도에 관한 정보와 함께 아미노산 염기서열의 가용성은 일련의 α-헬리컬 세그먼트에 박테리오호독신 염기서열 정보를 맞추기 위한 모델 구축 노력(Engleman 등, 1980)을 자극했다.null

참고 항목

참조

  1. ^ "Membrane – An Introduction" (PDF). Wiley-VCH. Retrieved 9 October 2015.
  2. ^ Becker's World of the Cell (8th ed.). University of Wisconsin-Madison: Jeff Hardin. 2012.
  3. ^ Robertson, J. David. "Membrane Structure" (PDF). jcb.rupress.org. jcb.rupress.org. Retrieved 9 October 2015.
  4. ^ Heuser, John E. "In Memory of J.David Robertson" (PDF). heuserlab.wustl.edu. heuserlab.wustl.edu. Retrieved 8 October 2015.
  5. ^ Hardin, Jeff; Kleinsmith, Lewis J.; Bertoni, Gregory; Becker, Wayne M. (2012). World of the Cell (Eighth ed.). US: Pearson Benjamin Cummings. pp. 158–163.
  6. ^ R. Henderson & P. N. T. Unwin (September 4, 1975). "Three-dimensional model of purple membrane obtained by electron microscopy". Nature. Cambridge: MRC Laboratory of Molecular Biology. 257 (5521): 28–32. Bibcode:1975Natur.257...28H. doi:10.1038/257028a0. PMID 1161000.
  7. ^ Malhotra, S. K. (1983). The Plasma membrane. Canada: John Wiley & Sons. pp. 3, 92, 93, 95.