Dwuwarstwy lipidowej lub lipidów podwójna warstwa jest cienka polarny membrana składa się z dwóch arkuszy z lipidów cząsteczek . Błony te tworzą ciągłą barierę wokół komórek i są niezbędnym elementem zapewniającym ich homeostazę , regulując dyfuzję przez nią jonów i cząsteczek. Błony komórkowej niemal wszystkich żywych organizmów i wiele wirusów składa się z podwójnej warstwy lipidowej, podobnie jak błon otaczających jądro komórkowe i organelli . Dwuwarstwy lipidowe są nieprzepuszczalne dla cząsteczek hydrofilowych , a zwłaszcza dla jonów, co pozwala komórkom regulować w szczególności pH i zasolenie ich cytozolu za pomocą białek transbłonowych zapewniających funkcję transportera błonowego zdolną do generowania i utrzymywania gradientu stężeń różnych rodzajów chemicznych między cytoplazmą i ośrodek zewnątrzkomórkowy .
Do błony biologiczne składają się głównie z fosfolipidu , którego cząsteczki amfifilowej , zawierają głowicę bieguna i dwoma ogonami alifatyczny . Cząsteczki te, gdy znajdują się w środowisku wodnym , organizują się w taki sposób, aby zminimalizować interakcje między ogonami alifatycznymi a cząsteczkami wody, przyjmując przez samoorganizację cząsteczkową konfigurację w micelach , liposomach , pęcherzykach lub podwójnych warstwach lipidów. , w którym głowy polarne stykają się z wodą, podczas gdy ogony alifatyczne łączą się, tworząc prawie całkowicie bezwodny ośrodek . Dwuwarstwy lipidowe są bardzo cienkie i bardzo kruche, ich badanie jest delikatne i wymaga zaawansowanych technik mikroskopii elektronowej i mikroskopii sił atomowych .
Charakter i konfiguracja grup obecnych na hydrofilowych głowicach dwuwarstw lipidowych determinuje chemiczne właściwości ich powierzchni. Na przykład pewne wzorce molekularne umożliwiają identyfikację komórki w celu jej eliminacji przez układ odpornościowy . Charakter ogonów alifatycznych warunkuje właściwości fizyczne membrany, w szczególności jej temperaturę topnienia: im dłuższe ogony i ogony liniowe, tym bardziej mają tendencję do zamrażania, tworząc dwuwymiarowy kryształ uporządkowanych cząsteczek lipidów; oddziaływania między cząsteczkami wewnątrz dwuwarstwy lipidowej determinują również właściwości mechaniczne membrany, w szczególności jej odporność na rozciąganie i zginanie . Właściwości te są bardzo często badane w laboratorium przy użyciu sztucznych modeli dwuwarstw lipidowych, których określone parametry są kontrolowane.
Błony biologiczne na ogół zawierają lipidy inne niż fosfolipidy. Zatem poziom cholesterolu w błonach komórkowych zwierząt jest ważnym parametrem, który decyduje o właściwościach fizykochemicznych tych błon, w szczególności poprzez zwiększenie ich odporności i nieprzepuszczalności. Cholesterol również przyczynia się do regulacji aktywności niektórych białek błonowych , które działają, gdy są one zintegrowane z błoną biologiczną, niektóre z nich są, na przykład udział w wielu procesach syntezy dwuwarstwy, podobnie jak w przypadku zapłodnienia wystąpienia jajo przez plemniki lub wniknięcie wirusa do komórki.
Dwuwarstwa lipidowa jest bardzo drobną strukturą w porównaniu z jej rozmiarem. Średnica komórek w ssaka wynosi zazwyczaj około dziesięciu mikrona ( 1 mikron = 10 -6 m ), zaś grubość błony komórkowej , jest rzędu kilku nm ( 1 nm = 10 -9 m ). Przekrój poprzeczny dwuwarstwy lipidowej przedstawia kilka dobrze zróżnicowanych obszarów, o specyficznych właściwościach i oddziaływaniach środowiskowych, które są badane przy użyciu technik obejmujących odbicie promieniowania rentgenowskiego w rozpraszaniu neutronów (en) i rezonans magnetyczny jądrowy .
Zewnętrznym obszarze po obu stronach podwójnej warstwy lipidowej składa się z hydrofilowych główek tych lipidów . Ten obszar jest w pełni uwodniony i ma grubość około 0,8 do 0,9 nm . Fosforan grupę z fosfolipidów znajduje się w tym obszarze, w przybliżeniu 0,5 nm, poza hydrofobowy rdzeń . W niektórych przypadkach uwodniony region może się znacznie bardziej rozszerzyć, na przykład gdy białka lub węglowodany są związane z hydrofilowymi głowicami. Tak jest na przykład w przypadku warstwy lipopolisacharydowej , która pokrywa zewnętrzną błonę niektórych bakterii , pomagając utrzymać uwodnioną warstwę wokół tego mikroorganizmu, a tym samym zapobiegając jego odwodnieniu .
Bezpośrednio poniżej uwodnionego regionu, pomiędzy nim a hydrofobowym rdzeniem, znajduje się obszar pośredni o grubości około 0,3 nm i częściowo uwodniony. W całym tym regionie stężenie molowe w wodzie wzrasta od około 2 mol · L -1 strony hydrofilowej do prawie zerowej strony hydrofobowej. Region hydrofobowy ma grubość około 3 do 4 nm , ale wartość ta zależy w dużej mierze od charakteru cząsteczek lipidów , które go tworzą, a także od temperatury, w szczególności w okolicy przejścia fazowego (temperatura topnienia membrany).
Skład wewnętrznych i zewnętrznych listków jest różny w wielu naturalnych dwuwarstwach lipidowych. Ślady wewnętrzne ( cytoplazmatyczne ) ludzkich erytrocytów (krwinek czerwonych) składają się zasadniczo z fosfatydyloetanoloaminy , fosfatydyloseryny , fosfatydyloinozytolu i fosfoinozytydów . Z drugiej strony warstwy zewnętrzne składają się głównie z fosfatydylocholiny , sfingomieliny i glikolipidów . W niektórych przypadkach ta asymetria wynika z miejsca, w którym w komórce wytwarzane są lipidy i odzwierciedla ich pierwotną orientację. Biologiczne znaczenie asymetrii składu lipidów błon biologicznych nie jest w pełni zrozumiałe, ale jasne jest, że bierze udział w wielu procesach biologicznych. Zatem podczas apoptozy fosfatydyloseryna z wewnętrznego płatka przedostaje się do płatka zewnętrznego, gdzie jest rozpoznawana przez makrofagi , które ją eliminują.
Ta asymetria wynika, przynajmniej częściowo, z faktu, że większość lipidów jest wytwarzana i wprowadzana do wewnętrznego płatka dwuwarstw lipidowych. Niektóre z nich są następnie przenoszone na zewnętrzną warstwę płatka przez rodzaj specyficznego enzymu zwanego floppazy. Z drugiej strony, wydaje się, że w zewnętrznej ulotce wytwarzane są inne lipidy, takie jak sfingomielina.
Oprócz flopaz istnieją inne enzymy do przenoszenia lipidów między listkami dwuwarstwy lipidowej: flippazy , które przenoszą określone lipidy z zewnętrznej listki do wewnętrznej, oraz scramblases , które przenoszą je tam iz powrotem losowo, jak w przypadku fosfatydyloseryny podczas procesu apoptozy. Jednak asymetria w składzie lipidów dwóch warstw błony komórkowej zwykle nie zanika szybko, ponieważ spontaniczne przesunięcia lipidów z jednej warstwy na drugą są zdarzeniami niezwykle rzadkimi.
Możliwe jest odtworzenie takiej asymetrii w laboratorium wykonując syntetyczne modele dwuwarstw lipidowych. Niektóre typy bardzo małych syntetycznych pęcherzyków spontanicznie stają się asymetryczne, ale mechanizm, który powoduje tę asymetrię, jest bardzo różny od tego, który działa w błonach biologicznych. Syntetyczne dwuwarstwy o asymetrycznej kompozycji lipidów można również wytwarzać przez nałożenie dwóch monowarstw Langmuira-Blodgetta lub przez stopienie arkuszy pęcherzyka i warstwy Langmuira-Blodgetta. Ta asymetria może jednak z czasem zanikać do tego stopnia, że lipidy tych dwuwarstw mają tendencję do przechodzenia z jednego arkusza na inny, co ujednolica ich skład.
Wszystkie lipidy mają charakterystyczną temperaturę przejścia fazowego zwaną topnieniem, w której przechodzą ze stanu żelu do stanu ciekłego . Do błony biologiczne mieć również temperaturę topnienia , która zależy od składu lipidów: zamrożonym membrana składa się z cząsteczek, które dyfundują praktycznie, a ciekła membrana składa się z cząsteczek, jaką odgrywają w arkuszu dwuwarstwa lipidowa wymiany ich pozycji z sąsiednim cząsteczce kilka milionów razy na sekundę; w obu przypadkach poprzeczne dyfuzje (wahacze) z jednego arkusza na drugi pozostają bardzo rzadkie.
Fizyczne właściwości faz dwuwarstw lipidowych są w dużej mierze zdeterminowane przez siły van der Waalsa między sąsiednimi cząsteczkami lipidów, a siły te są wywierane głównie między hydrofobowymi ogonami lipidów . Im dłuższe są te hydrofobowe ogony, tym większe możliwości oferują interakcje z sąsiednimi cząsteczkami w ich dwuwarstwowym arkuszu, co zmniejsza płynność membrany i podnosi jej temperaturę topnienia. I odwrotnie, krótkie lipidy oferują mniej możliwości interakcji z sąsiednimi cząsteczkami, co zwiększa płynność błony i obniża jej temperaturę topnienia.
Oprócz długości alifatyczne łańcuchy od fosfolipidów , ich stopień nienasycenia mogą także wpływać na temperaturę topnienia w błonach biologicznych. Rzeczywiście, podwójne wiązanie generalnie wprowadza krzywiznę w hydrofobowych ogonach lipidów błonowych, co zakłóca ich układanie się w ich płatku dwuwarstwy lipidowej, zmniejszając możliwości interakcji między sąsiednimi cząsteczkami, a tym samym fluidyzację błony. I obniżenie jej temperatury topnienia. ; luźniejsze ułożenie cząsteczek lipidów powoduje również zwiększenie przepuszczalności błony dla jonów i małych cząsteczek, takich jak woda .
Większość naturalnych membran to złożona mieszanina różnych cząsteczek lipidów. Jeśli niektóre składniki są ciekłe w danej temperaturze, a inne zamarzają w tej temperaturze, dwie fazy mogą współistnieć w oddzielnych obszarach membrany. Ta separacja faz odgrywa decydującą rolę w zjawiskach biochemicznych, o ile składniki błony, takie jak białka, mogą oddzielać jedną od drugiej fazy, a zatem mogą być lokalnie skoncentrowane lub aktywowane. Szczególnie ważnym składnikiem wielu układów faz mieszanych jest cholesterol , który moduluje przepuszczalność, wytrzymałość mechaniczną i biochemiczne oddziaływania dwuwarstw lipidowych.
Podczas gdy hydrofobowe ogony lipidów determinują przede wszystkim właściwości fizyczne membran, o chemicznej naturze głów polarnych decyduje przede wszystkim właściwości chemiczne ich powierzchni. Biologiczne dwuwarstwy lipidowe składają się głównie z fosfolipidów, a także z różnych proporcji sfingolipidów, takich jak sfingomielina i sterole, takie jak cholesterol . Wśród fosfolipidów najliczniejsze są fosfatydylocholiny (PC), które stanowią około połowy fosfolipidów w komórkach ssaków . Fosfocholina tworzą grupę główną Obojniaczojonowe ponieważ niesie ładunek elektryczny ujemny na grupy fosforanów i dodatniego ładunku elektrycznego na czwartorzędowych związków amoniowych , a rezultatem jest zerowy ładunek w całej cząsteczki.
Oprócz fosfatydylocholin, błony biologiczne obejmują fosfatydyloseryny (PS), fosfatydyloetanoloaminy (PE) i fosfatydyloglicerole (PG). Te alternatywne grupy głów często nadają specyficzną biologiczną funkcjonalność, która jest bardzo zależna od kontekstu. Na przykład, obecność fosfatydyloseryny na zewnętrznej warstwie błony komórkowej z erytrocytów (czerwone krwinki) jest komórkowym marker apoptozy, podczas gdy ta sama cząsteczka w pęcherzykach z nasady płytki wzrostowej jest wymagana do nukleacji. Od kryształów z hydroksyapatytu w proces osteogenezy . W przeciwieństwie fosfatydylocholiny hydrofilowy głowica innych fosfolipidów niesie ujemny ładunek elektryczny na poziomie grupy fosforanowe, które mogą wpływać na elektrostatycznych oddziaływań z drobnych cząsteczek z dwuwarstwy lipidowej.
Główną funkcją błon biologicznych jest oddzielenie wodnych przedziałów - pęcherzyków , organelli , samych komórek - od ich środowiska: oddzielenie zawartości pęcherzyków i organelli z jednej strony i cytozolu z drugiej strony oraz oddzielenie między cytoplazmą i środowisko pozakomórkowe . Ta funkcja jest niezbędna dla wszystkich znanych form życia i jest nieodłączną częścią samej definicji żywego organizmu . U większości istot żywych bariera ta przyjmuje postać dwuwarstwy lipidowej, z wyjątkiem niektórych archeonów, których błona plazmatyczna składa się z monowarstwy określonych eterlipidów .
Pierwsza forma życia pojawia się na ziemi może zatem być prosty pęcherzyk w postaci liposomu uwięzienie minimum informacji genetycznej (kodowane w DNA, lub na innych nośnikach cząsteczkowych, które są obecnie zniknął) i niektóre tłuszczach cząsteczek działających jako symports z fosforanów i protonów w celu wytworzenia energii metabolicznej przeznaczonej do syntezy większej ilości fosfolipidów błonowych.
Funkcja separacji i zamknięcia błon biologicznych opiera się na ich hydrofobowym rdzeniu, który przeciwdziała dyfuzji jonów i cząsteczek polarnych przez nie. W jądrze , mitochondriach i chloroplastach otoczone podwójnym dwuwarstwy lipidowej inne struktury - na przykład w błonie komórkowej , retikulum endoplazmatycznego , aparatu Golgiego i lizosomów - są otoczone przez jedną dwuwarstwę lipidową.
Błona plazmatyczna prokariotów składa się z prostej dwuwarstwy lipidowej, ale może być wzmocniona ścianą bakteryjną zbudowaną nie z lipidów, ale z białek i polisacharydów . W wewnątrzkomórkowe membrany z eukariontów , czy składa się z pojedynczej lub podwójnej dwuwarstwy lipidowej, tworzą tak zwany układ endomembrane , ogólnie składających się na powierzchni błony komórkowej ponad osoczu membrany. W hepatocytach, w wątrobie, na przykład, błona stanowi jedynie 2% powierzchni dwuwarstwy lipidowej na powierzchni komórki, podczas gdy znajdujące się w retikulum endoplazmatycznym stanowi więcej niż 50% tej powierzchni, a mitochodria około 30%.
Być może najbardziej rozpowszechnioną formą sygnalizacji komórkowej jest transmisja synaptyczna , w której impuls nerwowy , który osiągnął koniec jednego aksonu, jest przekazywany do następnego neuronu poprzez uwolnienie neuroprzekaźników . Transmisja ta jest możliwa dzięki działaniu pęcherzyków synaptycznych obciążonych neuroprzekaźnikami, które są uwalniane w celu transmisji sygnału. Pęcherzyki te łączą się z błoną plazmatyczną neuronu na końcu presynaptycznym i uwalniają swoją zawartość na zewnątrz komórki. Uwolnione neuroprzekaźniki następnie dyfundują przez synapsę do terminala postsynaptycznego.
Dwuwarstwy lipidowe są również zaangażowane w mechanizmy transdukcji sygnału , ponieważ zawierają integralne białka błonowe . Te ostatnie stanowią bardzo ważną i bardzo rozległą klasę biocząsteczek. Szacuje się, że ludzki proteom składa się prawdopodobnie z nawet jednej trzeciej białek błonowych .
Niektóre z tych białek są związane poza błoną komórkową . Jest to na przykład przypadek z glikoproteiną CD59 , związany z błoną przez reszty z glikozylofosfatydyloinozytolu , która hamuje polimeryzację z komponentu 9 dopełniacza (IN) (C9), prowadzące do powstawania ataku membrany złożonej , która chroni komórkę przed zniszczeniem przez układ odpornościowy . Wirusa ludzkiego niedoboru odporności zniszczenie (HIV) zapobiega przez układ odpornościowy gospodarza, w szczególności przez szczepienie na swoją powierzchnią takich białek obecnych na powierzchni komórek gospodarza.
Inne białka przechodzą przez błonę i mogą przekazywać sygnały z zewnątrz komórki do jej wnętrza. Główna klasa takich receptorów błony komórkowej jest to, że Receptory sprzężone z białkami G (GPCR). Te GPCR są odpowiedzialne za większość zdolności komórki do wyczuwania otoczenia, a ze względu na tę ważną funkcję około 40% nowoczesnych leków celuje w GPCR.
Oprócz procesów sygnalizacji przez białka lub dyfuzję przekaźników w roztworze, dwuwarstwy lipidowe mogą również bezpośrednio uczestniczyć w sygnalizacji komórkowej . Klasycznym przykładem jest apoptoza wyzwalana przez fosfatydyloserynę . Ta ostatnia jest normalnie obecna w wewnętrznym płatku dwuwarstwy lipidowej tworzącej błonę plazmatyczną; kiedy zaczyna się proces apoptozy, scramblase katalizuje przypadkowe przełączanie fosfatydyloseryny między dwiema warstwami dwuwarstwy, co ma wpływ na równoważenie stężenia fosfatydyloseryny po obu stronach błony komórkowej. Obecność fosfatydyloseryny w zewnętrznej warstwie błony komórkowej powoduje fagocytozę komórki, która ma zostać wyeliminowana.
Większość cząsteczek polarnych jest słabo rozpuszczalna w hydrofobowym rdzeniu dwuwarstwy lipidowej, przez co nie jest dla nich zbyt przepuszczalna . Efekt ten jest szczególnie wyraźny w przypadku gatunków niosących ładunek elektryczny , których współczynniki przepuszczalności są niższe niż w przypadku tych samych neutralnych gatunków polarnych. Anionu na ogół lepiej rozłożone przez dwuwarstwy lipidowej, która kationów . W stosunku do jonów, cząsteczek wody faktycznie korzystać z dość wysoką przepuszczalność w poprzek membrany, o czym świadczy osmotycznego pęcznienia od pęcherzyków i komórki umieszcza się w środowisku wodnym w stężeniu w substancji rozpuszczonej maleje: zjawisko to obserwuje się, czy błon biologicznych są nieprzepuszczalne dla wody ; nienormalnie wysoka przepuszczalność dwuwarstw lipidowych dla cząsteczek wody nie została jeszcze w pełni poznana, a jej pochodzenie jest nadal przedmiotem gorącej debaty. Szybkość dyfuzji niepolarnych, nienaładowanych małych cząsteczek przez dwuwarstwy lipidowe jest o kilka rzędów wielkości większa niż jonów i wody. Jest to prawdziwe w odniesieniu do lipidów, jak również za rozpuszczalników organicznych , takich jak chloroform i eteru dietylowego . Większe cząsteczki dyfundują wolniej, niezależnie od ich polarnej lub niepolarnej natury.
Dwie kategorie specyficznych białek związanych z gradientami stężeń jonowych wokół błon plazmatycznych i wewnątrzkomórkowych , takie jak odpowiednio mitochondria i tylakoidy w komórkach zwierząt i roślin : pompy jonowe i kanały jonowe . W obu przypadkach są to integralne białka błonowe, które przechodzą przez podwójną warstwę lipidową, ale ich działanie jest zupełnie inne:
Niektóre cząsteczki lub cząsteczki są zbyt duże lub zbyt hydrofilowe, aby skutecznie przenikać przez błonę plazmatyczną , podczas gdy inne substancje, które mogą przez nią przenikać, muszą czasami zostać wchłonięte przez komórkę lub wydalone przez nią w ilościach, które są poza możliwościami dyfuzji. Pasywne i aktywne transport przez pompy membranowe: w tych dwóch przypadkach komórka wykorzystuje procesy endocytozy (wchłaniania) i egzocytozy (wydalania) takich substancji. W pierwszym przypadku wgłębienie błony komórkowej otacza substancję, która ma być wchłaniana, aż do jej zamknięcia, tworząc wewnątrzkomórkowy pęcherzyk , zwany fagosomem w przypadku fagocytozy cząstek stałych. W drugim przypadku w komórce tworzy się pęcherzyk i łączy się z błoną plazmatyczną, aby uwolnić jego zawartość do środowiska zewnątrzkomórkowego . Endocytoza i egzocytoza opierają się na bardzo różnych funkcjonujących mechanizmach molekularnych, ale te dwa procesy są ze sobą ściśle powiązane i nie mogą funkcjonować bez siebie, choćby ze względu na objętość zaangażowanych lipidów błonowych. Jest to obszar odpowiadający całej błonie plazmatycznej, który jest zwykle poddawany recyklingowi co pół godziny przez kolejną endocytozę i egzocytozę w normalnej komórce. Jeśli te dwa procesy nie równoważą się właściwie, w ciągu kilku minut powierzchnia błony plazmatycznej znacznie się zwiększy lub zmniejszy, aż do punktu, w którym zagrozi to przetrwaniu komórki.
Elektroporacji lub elektroporacji jest szybki wzrost przepuszczalności dwuwarstwy lipidowej indukowanej przez przyłożenie pola elektrycznego wysokiego zewnątrz przez membranę. Zjawisko to jest wykorzystywane eksperymentalnie do wprowadzania cząsteczek hydrofilowych do komórek, w szczególności w celu umożliwienia dużym cząsteczkom silnie naładowanym elektrycznie, takim jak DNA, przenikanie przez błonę plazmatyczną , co w innym przypadku byłoby dla nich niemożliwe. Dlatego elektroporacja jest jedną z głównych dróg transfekcji i transformacji bakteryjnej . Zaproponowano nawet, że elektroporacja wynikająca z uderzeń pioruna może być mechanizmem poziomego transferu genów .
Zwiększenie przepuszczalności wpływa przede wszystkim na transport jonów i innych uwodnionych form, co sugeruje, że mechanizmem leżącym u jego podstaw jest tworzenie w błonie w pełni uwodnionych otworów o nanoskali . Elektroporacji i podział obu wynikiem stosowania pola elektrycznego do membrany, ale mechanizmy zaangażowane w obu przypadkach są bardzo różne: Wyniki rozkładu z jonizacją z dielektrykiem pod wpływem pola elektrostatycznego , co sprawia, że jest przewodzący ; elektroporacja jest wynikiem reorganizacji lipidów błonowych w celu utworzenia wodnych porów przewodzących.