Влияние холестерина на клеточные мембраны
На этой фотографии 2018 года доцент Рана Ашкар сидит в своем офисе в Роберсон-холле. Предоставлено: Virginia Tech.

Более десяти лет ученые признали, что холестерин — ключевой компонент клеточных мембран — неодинаково влияет на мембраны разных типов. Но новое исследование, проведенное доцентом Рана Ашкар из Технического факультета физики Вирджинии, обнаруживает, что холестерин действительно соответствует биофизическим принципам.

Результаты, недавно опубликованные в Proceedings of the National Academy of Sciences, имеют далеко идущие последствия для общего понимания болезни, разработки методов доставки лекарств и многих других биологических приложений, которые требуют определенных предположений о роли холестерина в клеточных мембранах.

«Холестерин, как известно, способствует более плотной молекулярной упаковке в клеточных мембранах, но сообщения о том, как он делает мембраны жестче, противоречивы, — сказал Ашкар, преподаватель Технологического колледжа Вирджинии. «В этой работе мы показываем, что на наномасштабном уровне холестерин действительно вызывает уплотнение мембран, как и предсказывают законы физики. Эти результаты влияют на наше понимание биологической функции холестерина и его роли в здоровье и болезнях».

Согласно исследованию, клеточные мембраны представляют собой тонкие слои жировых молекул, которые определяют границы клеток и регулируют различные биологические функции, включая распространение вирусов и деление клеток. Для реализации таких функций мембраны должны иметь возможность изгибаться и допускать изменение формы. Эта склонность к изгибу определяется тем, насколько упакованы молекулярные строительные блоки; Более плотная упаковка приводит к более жестким мембранам, которые не могут так легко сгибаться, добавил Ашкар.

Влияние холестерина на клеточные мембраны на молекулярном уровне

Холестерин в больших количествах содержится в беконе, яйцах, сыре и многих других полезных продуктах. Хотя слишком много холестерина может нанести вред организму, регулируемое количество холестерина в клеточных мембранах абсолютно необходимо для нормального функционирования клеток. Аномалии уровня холестерина часто связаны с различными заболеваниями.

Помимо холестерина, наши клеточные мембраны в основном состоят из липидов, которые представляют собой небольшие жирные молекулы, которые самоорганизуются в двухслойные структуры, когда они присутствуют в воде, — и почти 60 процентов человеческого тела состоит из воды. Вместе липиды и холестерин образуют барьеры, которые определяют наши клетки и регулируют клеточный обмен питательными веществами.

На молекулярном уровне холестерин имеет гладкую и жесткую структуру. Когда он взаимодействует с нашими клеточными мембранами, он застревает прямо между липидами, что приводит к более плотной упаковке мембраны. В соответствии с соотношением структура-свойство это, естественно, приведет к более жесткой мембране.

Тем не менее, последние 10 лет или около того физики и биологи предполагали, что холестерин почти не влияет на жесткость мембран, образованных цис-ненасыщенными липидами, распространенным типом липидов, обнаруживаемым в наших клетках, несмотря на то, что он хорошо документально подтвержденный эффект на упаковку липидов.

«Это противоречит нашему пониманию того, что холестерин влияет на клеточные мембраны», — сказал Ашкар. «Это также противоречит стандартным отношениям структура-свойство в самособирающихся материалах».

Эти представления важны, потому что в идеальных условиях клеточные мембраны должны поддерживать полужесткую структуру: достаточно жесткую, чтобы сохранять свою форму, но достаточно гибкую, чтобы обеспечивать динамическое движение сигнальных белков и функциональных доменов. Неправильные представления о том, как холестерин укрепляет клеточные мембраны, влияют на наше понимание функции мембран.

Изначально данные имели мало смысла, но по мере того, как она исследовала глубже, Ашкар обнаружила явный пример того, как мягкие материалы могут «очевидно» проявлять разные свойства в зависимости от параметров метода наблюдения. Она обнаружила, что за короткий промежуток времени и в течение короткого промежутка времени, в течение которого происходят важные сигнальные события — мы говорим о нанометрах и наносекундах — добавленный холестерин вызывает уплотнение мембран, чего можно было ожидать.

Доказательство своей точки зрения

Чтобы противоречить устоявшейся доктрине в науке, требуется больше, чем один набор данных. «Мы нашли эти результаты некоторое время назад, но они были встречены скептически, поскольку они противоречат существующим представлениям», — сказал Ашкар.

В первых испытаниях Ашкара использовалась нейтронная спин-эхо-спектроскопия — уникальный зонд, позволяющий изучать материалы в наномасштабе. Эти эксперименты проводились на двух основных объектах по рассеянию нейтронов в Соединенных Штатах, Центре нейтронных исследований NIST и источнике нейтронов отщепления в Национальной лаборатории Ок-Ридж.

Ашкар подкрепила свои доказательства компьютерным моделированием в сотрудничестве с Джорджем Хелашвили, доцентом медицинского факультета физиологии и биофизики Weill Cornell, а также подтвердила экспериментальные данные с помощью недавних измерений ядерного магнитного резонанса в сотрудничестве с Майклом Брауном. , профессор химии и биохимии в Университете Аризоны. Согласованность данных во всех трех методах предоставила исчерпывающие доказательства гипотезы Ашкара и подтвердила стандартные отношения структура-свойства в липидных мембранах.




Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *