Los lípidos en la frontera : un siglo debicapas de membrana celularMichael EdidinT IMELINENuestra imagen actual de las membranas celulares,bicapas de lípidos es el legado de un siglo deestudio que se centró en los lípidos yproteínas de membranas de la superficie celular . recientetrabajo está cambiando la imagen y se está convirtiendola instantánea en un vídeo .Todas las membranas de las células eucariotas separancompartimentos funcionales , pero la cellsurfacemembrana - la membrana plasmática- Es un extremo. Es la frontera entrela célula y su entorno . Exploración deesta frontera ha revelado su físico ypropiedades funcionales . La membrana plasmáticaes una bicapa de lípidos , la composición deque regula los cruces de frontera por las moléculasentre entorno y su de una célulainterior , y las propiedades de la bicapa estándiferentes de los de cualquiera de sus componentessolo.Exploradores de la frontera de células obtienen surecursos de la química física deconjuntos de lípidos puros , es decir, membranas modelomade in vitro a partir de sólo uno o dostipos de lípidos . Los datos de estos simplificadomembranas permiten la exploración de másmembranas celulares complicados que son ricos enproteínas y que contienen una desconcertantevariedad de lípidos. El enfoque de la físicaquímica proporciona información sobre cómolípidos asocian uno con el otro y ensu interplay.However dinámico , es difícilpara capturar la interacción dinámica entrelos componentes de membranes.We celulares tieneninformación sobre las interacciones de membranalípidos uno con el otro y conproteínas de la membrana , pero , hasta hace poco , que tieneno ha sido fácil para aplicar esta información alas membranas de las células vivas . A menudo , espacialresolución se ha sacrificado por el bien deresolución temporal y vice versa.However ,en los últimos años , las nuevas técnicas han permitidonos permite visualizar la estructura de la membrana celular yla dinámica de las escalas que coinciden con los de estudiosde membranas modelo . El siguiente paso paratoma es uno hacia un nuevo modelo integrado

de estructura de la membrana y la dinámica , quees , hacia un modelo que abarca muchosplazos y escalas espaciales . Aquí , miroatrás y discutir la forma en que la lipidbilayermodelo desarrollado en la últimacien años ( línea de tiempo) . Entonces , mirohacia adelante y sugerir algunos elementos para unmodelo dinámico de la membrana plasmática .Membrana de historia : las células y los modelosLímites de las celdas y la permeabilidad celular . Para utilizarel estilo de Rudyard Kipling, "En el altoy lejos de veces las células , oh el mejor amado , teníano hay membranas de plasma " . Sólo tenían una' capa final ' - una capa exterior de protoplasma decomposición y propiedades desconocidas,que a menudo se describe en nineteenthcenturyla literatura como precipitate1 . Este extremocapa fue explorado por los fisiólogos , químicosy morfólogos (para una revisión , ver . REF 2 ) .Los fisiólogos caracterizan la superficie de la célula entérminos de sus funciones , sino que miden la facilidado la dificultad con la que las moléculas de migrantesy los iones cruzaron la frontera. Estos fisiológicamediciones mostraron que soluble en grasamoléculas generalmente cruzan la frontera másfácilmente que las moléculas y iones solubles en agua .Por tanto, la barrera de la superficie celular fue inferidaser un lípido de algún tipo - en palabras deel estudio pionero , un " aceite graso " - rica encolesterol y phospholipids1 . Más tarde , fisiológicoy los experimentos biofísicos desarrolladoseste modelo inicial en un combinadoquímica y modelo morfológico queera una capa , a pocos lípidos espesa , que erarecubierto con proteínas . En los años 1920 y 1930 ,mediciones de capacitancia de célula - membranapor Fricke3 indicado que la membrana plasmáticafue sólo de 4 nm de espesor , y las medicionesde la tensión de la superficie de muchos tipos decélulas por Harvey ( ver ref . 4 para su documento de 1935con Danielli , que incluye resultados anteriores )y Cole5 indicó que la superficie se cubriócon las proteínas en lugar de estar desnudolípidos. El modelo fue elaborado en 1935 unrevisión por Danielli y Davson6 .Monocapas de lípidos y estructura de la membrana .La química de la membrana y la física como la conocemosellos comenzaron hoy con las observaciones de lala difusión de los aceites y grasas en el agua - observaciones

que se remontan a Babilonia en el siglo XVIIIsiglo I aC ( recuadro 1). En 1917 , Irving Langmuirmétodo mejorado Agnes Pockels ' para medirla presión que se ejerce por molecularpelículas , ya que se propagan en el agua. En una espléndidapapel , mostró que los lípidos que se propagan en estamanera formar una capa monomolecular sobre la superficiede agua. La simple aritmética dio la zonapor molécula de lípidos y también mostraron que loscadenas de hidrocarburos de los lípidos fueron flexibles ;que no se extienden hacia afuera desde la superficiedel agua , sino que eran bent7 .Este trabajo sentó las bases para la resoluciónde la estructura de bicapa de la membrana plasmática .El primer paso en esta resolución fuecuando los métodos de Langmuir para medirel área por molécula de lípidos se aplicaron aextractos de lípidos de membranas de eritrocitos porGorter y Grendel en 1925 ( Ref. 8 ) . uso' Artesa de Langmuir ' ( Recuadro 1 ) , midieronel área ocupada por los lípidos que se extrajerona partir de un número conocido de eritrocitos . Entonces ,midieron el área de la superficie de toda eritrocitosy se calcula que los lípidos deun solo eritrocito podría tener cabidapor una bicapa lipídica . Después de resumir sumediciones y cálculos para los eritrocitos- O, como se refiere a ellos,chromocytes - de seis mamíferos diferentesespecies , llegaron a la conclusión de que : "Es claro que todosnuestros resultados encajan bien con la suposición de quelos chromocytes están cubiertos por una capa de grasasustancias que es dos moléculas de espesor " .Aunque Gorter y Grendel hicieron variasmistakes9 experimental , los errores canceladosunos a otros y los autores llegaron a laconclusión correcta . Por lo tanto, la bicapa lipídicamembrana nació .La década de 1950 a 1980 : membranas fluidas . ópticode formación de imágenes de la morfología de la membrana tuvo queesperar a la llegada de la microscopía electrónicay la resolución que puede obtener .Sin embargo , una vez que una estructura que se correspondíaa una bicapa había sido fotografiado , se hizo evidenteque era no sólo la membrana plasmáticaque tenía esta estructura de 75 Å de espesor y , por1959 , que estaba siendo discutido por Robertson quetodas las membranas de células orgánulo tenían un comúnStructure2 (figura 1 ) . Incluso diez años después, sin embargo,

la bicapa no fue aceptada como la estructura básicade las membranas celulares , y un importanterevisión por Stoeckenius y Engelman10 eradedicado a un peso de hasta la evidencia de laestructura de bicapa contra la posibilidad de quelas membranas celulares se hicieron de discreta , globularsubunidades . Una revisión aún más tarde ofrecidovarios modelos para la inserción de proteínas enla bilayer11 . Sin embargo , dentro de unos cuantos másaños , la reinterpretación de la obra más antigua delos patrones de difracción de rayos X de membranes12y la acumulación de nuevas pruebas sobre elestado físico de lipids13 membrana consolidadoel modelo de bicapa de membranas .La rápida evolución de los métodos de resonancia magnética- RMN y resonancia de spin electrónico -mostraron que los lípidos de la bicapa estaban en movimientosobre numerosas escalas de tiempo y distancia ,flexionando y difusión en el plano de la membrana .En resumen, la bicapa era más como unfluido de un sólido . Este trabajo, que fueprincipalmente de los laboratorios de McConnelly Chapman , se resume en un contemporáneoreview14.The revisión también menciona laposibilidad de que los lípidos de la bicapa son asimétricamentedistribuida - es decir , que los dos membranafolletos tienen una composición lipídica diferentey fluidez - el cual fue mostrado por primera vez para seren el caso de membranas de eritrocitos , yse prevé que sea el caso para todos membranabicapas , por Bretscher11 .Los solutos se difunden en un fluido y , a principios del1970 , Cone y Poo y Frye y me mostraronque algunas proteínas pueden difundir fácilmente en lípidosbilayers15 -17. Los coeficientes de difusión indicadosque no era una viscosidad media parala bicapa que era 100 veces mayor que elviscosidad del agua . El punto de vista comúnahora es que el promedio de la bicapa lipídica de la viscosidad es" El punto de vista comúnahora es que el promedioviscosidad bicapa lipídica essimilar a la del aceite de oliva- Una norma más "exótico"es la viscosidad degrasa de cocodrilo en un cálidodía de verano. "Resultó más difícil de caracterizar las propiedades de proteínas de la membrana que los de los

lípidos de membrana. Muchas de las dificultades se han encontrado porque las proteínas de membrana son poco solubles en agua. Estudios de proteins11 membrana de los eritrocitos, 18 y encuestas de proteínas que se extraen de diversos otras membranas llevado Singer y Nicolson19 para hacer una distinción crucial entre integral de membrana y periférico proteínas en 1972. Esto nos llevó a la modelo que sigue siendo la forma más de nosotros vemos las membranas -. El modelo de mosaico fluido (figura 2) El mosaico está hecha de proteínas que se insertan en la fluido, que es la bicapa lipídica. El modelo es más de una caricatura de un modelo predictivo, pero logró con éxito la captura y integrar diversos experimentos sobre la membrana la física y la química. La historia de la membrana bicapa lipídica No se puede discutir sin comentar las fuerzas que mantienen la bicapa juntos. La fuerza principal que da forma a una bicapa de una mezcla de lípidos anfipáticos es el hidrófobo force20, es decir, forman bicapas de lípidos para reducir al mínimo su contacto con el agua. Este principio también se aplica a la inserción de la membrana proteínas en la bicapa - las proteínas son por lo general dispuestos de forma que su hidrófobo superficies están enterrados en el aminoácido lipid.These secuencias están flanqueadas a menudo por cargada o otros residuos polares que interactúan con la ambiente acuoso del surface21 bicapa, 22. En el modelo de membrana de bicapa de la Década de 1980, las membranas celulares se basan en un bicapa lipídica en gran medida fluido en el que las proteínas se han incorporado. La bicapa era altamente dinámico; lipids23 y proteins24 podían flexionar, girar y difundirse lateralmente en una de dos dimensiones fluido. El líquido era isotrópica, es decir, la difusión de las proteínas y lípidos fue al azar a menos que se vio limitada por la citoesqueleto o por la alta concentración de proteínas de la membrana. Los lípidos inmediatamente que rodea a una proteína de la membrana podría afectar a la función de la proteína, la cual podría ser una explicación para la gran cantidad de las especies de lípidos (algunos 500-1.000 diferente tipos de lípidos) que están presentes en un solo membrana. Hubo numerosas ideas sobre el acoplamiento de las reacciones por diffusion25, 26,

pero a menudo las mediciones de difusión se hicieron en una escala de micras, cuando el reacciones relevantes ocurrieron en una escala de 10 s de Å. El modelo 1980 captura la complejidad de la bicapa de fluido y las posibilidades de interacciones moleculares en las que por la difusión y la colisión. Aunque había habido un breve interés en la detección de las transiciones de fase de lípidos en las membranas celulares, para 1980 el modelo en gran medida dejado de lado la posibilidad de que los lípidos no podría estar distribuidos al azar en la bicapa y También subestimado el grado de orden local que podría ser posible en las membranas. La década de 1990: los dominios de membrana. A medida que el fluido imagen de mosaico estaba siendo asimilada por las células biólogos, otra imagen se estaba esbozada en el que las membranas contenían parches de lípidos, la composición y el estado físico de que difiere de la media de la bicapa. Este boceto de Jain y Negro comenzó con modelo membranes27, y fue seguido por una mucho trabajo en la formación de manchas de lípidos en membranas modelo. Los lípidos se dice que formar "dominios", lo que implica que los parches no están en equilibrio y por lo tanto no son tan estables o como-vivido mucho tiempo como fases separadas, que son en el equilibrio. Al principio, estos experimentos mezclas utilizadas de gel y líquido, tales como que se muestra en la figura. 3, pero evolucionaron para utilizar los sistemas de lípidos de fluido de inmiscibles, que son modelos apropiados para las membranas biológicas. Algunas mediciones en células enteras y membranas intactas también detectaron lípidos dominios (por ejemplo, véanse las referencias 28,29), aunque algunos dominios de membrana celular parecía ser más grandes que las del modelo membranes.However, esta diferencia podría ser el resultado de los límites de resolución que afectan estudios de las membranas celulares frente a modelo membranes30, 31. Se propusieron dominios de lípidos para resolver el problema de la clasificación y el tráfico de lípidos y proteínas lípidos anclado en polarizado cells32 epitelial. Estas moléculas son diferencialmente presentado en la superficie apical células de morfología polarizadas, que indica que la célula-clasificación citoplásmica maquinaria puede reconocerlos, a pesar de que que están en la superficie interna de la trata vesicles33. El 'lípidos raft'model propuesta

que los lípidos que se van a segregar según en una balsa, que es rica en colesterol y esfingolípidos. Se reconoce entonces toda la balsa para el tráfico, ya sea porque También contiene proteínas transmembrana o porque el estado de los lípidos balsa es de alguna manera detectada por las proteínas citoplasmáticas. En 1992, la primera prueba cuidadosa de la balsa, hipótesis de Brown y Rose demostró que una proteína lípidos anclado en verdad podría entrar en una colesterol y lípidos esfingolípidos ricos dominio, que puedan ser aislados en detergent34 frío. El trabajo posterior, que era a menudo menos cuidadosos (Ver los comentarios en una review35 reciente), que se encuentra que muchas otras moléculas, tales como señalización quinasas, podrían ser aislados en este detergentinsoluble complejo y la atención, por lo tanto pasado de las balsas de lípidos como la trata de unidades de balsas lipídicas como señalización platforms36. En mi opinión, una gran confusión ha surgido de la idea de que las balsas representan relativamente grande y dominios lipídicos estables que son 10s o 100s de nm de diámetro. Una analogía floja para esta membrana foto bicapa sería miles de pequeños bloques de mantequilla flotando en un mar de pesada crema. Una imagen más realista, sin embargo, podría ser una mezcla de crema de leche y la luz es decir en el borde de la mezcla en un solo fluido, pero que se refresca con nuevas entregas de un tipo de crema o la otra. Tiempos modernos Por lo tanto, lo que no se encuentra en nuestra imagen del frontera celular y por qué es importante? La primera elemento que falta es dynamics.We 've señalado que 'la danza a muchos tempos' lípidos, el problema por lo tanto, es hacer un seguimiento de toda la bailarines y ver cómo cambian su bailar de un tempo a otro (por ejemplo, desde desordenada y estrechamente apposed para difusión entre otros lípidos y, a continuación, a la difusión dentro y fuera de un dominio de lípidos que persiste durante unos pocos segundos). Single-partícula métodos de seguimiento ofrecen una manera de visualizar muchas escalas de movimiento lateral y confinamiento en una secuencia de images37. El segundo elemento que falta es el tráfico a y desde la frontera. Hace más de 20 años, Steinman mostró que, en el curso de uno hora, todo de la membrana plasmática de algunos

Las células se entregaron por endocitosis y exocytosis38. Este tráfico genera parches de membrana que puede parecerse a dominios estables, pero que, en De hecho, se dispersan en 10s de seconds39. También puede interrumpir los dominios de membrana residentes. Aunque hay una gran cantidad de estudio de el tráfico de membrana, ha habido poco trabajo en la forma en que la membrana constante facturación aleatoriza moléculas de la membrana, y si no hay factores de restricción después quizás la bicapa es un líquido isotrópico en el que el moléculas se distribuyen al azar. Total microscopía de reflexión interna ofrece una manera de investigar este possibility40. Un tercer elemento que falta es la asociación del citoesqueleto con la bicapa. Hay una gran cantidad de literatura sobre el tema, pero no se ha integrado en una nueva membrana modelo. Creo que una nueva membrana plasmática modelo será el morphologists'model después todo - una 'mayor membrana "que toma en cuenta no sólo de la bicapa y su embebido proteínas, sino también a la asimetría de la distribución de lípidos entre las dos valvas de la bicapa de la membrana plasmática y la manera que esta asimetría se utiliza para conectar el membrana de frontera para el resto de la célula. Cuando tenemos este modelo, podemos pasar de la frontera de plasma-membrana a una nueva frontera - las membranas de los eucariotas orgánulos celulares - y yo predigo agradable hay sorpresas. Michael Edidin está en el Departamento de Biología, Universidad Johns Hopkins, 3400 Norte Charles Street, Baltimore, Maryland 21218, EE.UU.. e-mail: edidin@jhu.edu