Modern views on the structure and dynamics of biological membranes

Abstract

Essential changes have been recently observed in views on the functioning, structural and dynamic properties of biological membranes. The previous results on hierarchical cluster-type structure of membranes and role of protein and lipid components are reconsidered. An established fact of dramatic difference in lipid composition between external and internal monolayers of plasma membranes is important for understanding membrane phenomena. In particular, there exist the differences between monolayers in surface charge and potential, ion binding, interaction with protein molecules, etc. A glycolipid component of outer monolayer and interaction of inner monolayer with cytoskeleton allow the membrane by expanding the asymmetry to attain its important functional properties. All that requires more critical approach to numerous data obtained with simplified biomembrane analogs – lipid and protein-lipid bilayer structures. In the attempts to describe and model the properties of cellular membranes there is a timely necessity to shift from two-dimensionality (which reduces the analysis to membrane plane only) to more realistic three-dimensional models.

Останнім часом відбулися істотні зміни у поглядах на функціонування і структурно-динамічні властивості біологічних мембран. Переглянуто дані щодо ієрархічної кластерної будови мембран і ролі білкових і ліпідних компонентів. Встановлено факт драматичної різниці ліпідного складу між зовнішнім і внутрішнім моношарами плазматичних мембран, який має важливе значення для розуміння мембранних процесів. Зокрема, існують відмінності між моношарами у поверхневому заряді і потенціалі, зв’язуванні іонів, взаємодії з молекулами білків тощо. Гліколіпідний компонент зовнішнього моношару і взаємодія з цитоскелетом внутрішнього моношару дозволяють мембрані через поглиблення асиметрії набути важливих функціональних властивостей. Необхідний більш критичний підхід до результатів, одержаних зі спрощеними аналогами біомембран – ліпідними і білково-ліпідними бішаровими структурами. У спробах описання і моделювання властивостей клітинних мембран існує потреба відходу від двовимірності (що зводить аналіз лише в площину мембрани) і переходу до більш реалістичних тривимірних моделей.

В последнее время произошли существенные изменения во взглядах на функционирование и структурно-динамические свойства биологических мембран. Пересмотрены данные о иерархичном кластерном строении мембран и роли белковых и липидных компонентов. Установлен факт драматических различий липидного состава между наружным и внутренним монослоями плазматических мембран, имеющий большое значение для понимания мембранных процессов. В частности, существуют различия между монослоями в поверхностном заряде и потенциале, связывании ионов, взаимодействии с белковыми молекулами и т. д. Гликолипидный компонент внешнего монослоя и взаимодействие с цитоскелетом во внутреннем монослое позволяют мембране за счет углубления асимметрии приобрести важные функциональные свойства. Необходим более критичный подход к многочисленным результатам, полученным с упрощенными аналогами биомембран – липидными и белково-липидными бислойными структурами. В попытках описания и моделирования свойств клеточных мембран существует актуальная потребность отхода от двухмерности (что сводит анализ лишь в плоскость мембраны) и перехода к более реалистичным трехмерным моделям.