معلومة

الانتشار المستعرض للدهون في خلايا الدم الحمراء

الانتشار المستعرض للدهون في خلايا الدم الحمراء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

غشاء كريات الدم الحمراء له قطبية:

  • يتواجد فوسفاتيدي إيثانولامين وفوسفاتيديل سيرين في الغالب على الجانب الداخلي.
  • يوجد الفوسفاتيديل كولين والسفينجوميلين في الغالب على الجانب الخارجي.

على الرغم من أن هذه يمكن أن تنتشر في طبقة ثنائية الدهون ، إلا أنها تبقى على جانب واحد فقط منها. كيف يتم الحفاظ على هذا المنحى؟


هناك سببان لعدم تناسق تكوين الأغشية الدهنية في الخلايا عادة.

الأول الذي ذكرهSuperbest هو البروتينات التي تسمى `` flippases '' والتي تصف ثلاث فئات واسعة من البروتينات التي تسهل نقل الدهون عبر الغشاء ، على الرغم من حقيقة أن لديهم جميعًا مجموعات رأس قطبية أو حتى مشحونة.

هذه ليست إجابة لسؤالك هنا - لن يكون لها علاقة كبيرة بعدم تناسق الدهون في كريات الدم الحمراء على ما أعتقد لأن هذه البروتينات ستسمح فقط بانتشار الدهون بالتوازن على جانبي الغشاء. لإجبار مزيج غير موات بقوة من الدهون ، فإنها تتطلب استخدام الطاقة. في حين أن بعض ترانسبوكسات الدهون يمكن أن تجبر التركيبة على التغيير عكس التوازن ، يبدو أنها تتطلب ATP ولا تحتوي كريات الدم الحمراء البشرية على ميتوكوندريا.

الإجابة الثانية ، التي ربما تكون أفضل ، هي أن التركيب الدهني للغشاء عند التوازن يتحدد بانحناء الغشاء. يأخذ الجزء الخارجي من الغشاء الدهون مع مجموعات رأس أكبر وسلاسل أقصر أو أقل ، وسيؤلف الجزء الداخلي المزيد من الدهون مع مجموعات رأس أصغر وسلاسل أليفاتية أطول وأكثر.
تسمى قدرة الشحوم هذه على احتواء حجم أكبر في مجموعة رأسها مقابل نهايتها غير القطبية "الانحناء الجوهري".

تحتوي كريات الدم الحمراء على بعض الهياكل الهيكلية الخلوية مثل ankyrins التي تعطي الخلية شكلها المنحني المميز `` المستحلب المنبعج '' ، والذي يجب أن يقود أيضًا بعض تكوين الدهون في بعض أجزاء الخلية.


أندروز ، دي إم ، مانيف ، إي دي ، هايدون ، دي إيه. 1970. علاقات التركيب والطاقة لبعض الأغشية الدهنية الرقيقة ، والتشكيل المتسلسل في الطبقات الأحادية عند السطح البيني بين السائل والسائل.المواصفات مناقشة. شركة فاراداي. 1:46–56

Aveyard ، R. ، Mitchell ، R.W. 1969. توزيعن-الكانولات بين الماء ونألكانات.عبر. شركة فاراداي. 65:2645–2653

بوندي ، أ. 1964. مجلدات وأنصاف أقطار فان دير فال.J. فيز. تشيم. 68:441–451

Brahm، J. 1982. نفاذية الماء المنتشر من كريات الدم الحمراء البشرية وأشباحهم.J. الجنرال فيزيول. 79:791–819

Brahm، J. 1953. نفاذية الخلايا الحمراء البشرية لسلسلة متماثلة من الكحولات الأليفاتية.J. الجنرال فيزيول. 81:283–304

Brahm، J. 1983. نفاذية اليوريا للخلايا الحمراء البشرية.J. الجنرال فيزيول. 82:1–23

كارلسن ، أ. ، ويث ، ج. 1976. نقل الجلسرين في خلايا الدم الحمراء البشرية.اكتا فيسيول. سكاند. 97:501–513

Cohen، M.H.، Turnbull، D. 1959. النقل الجزيئي في السوائل والنظارات.J. كيم. فيز. 31:1164–1169

Collander، R.، Bärlund، H. 1933. Permeabilitätsstudien anشارا سيراتوفيلا.اكتا بوت. فين. 11:1–114

Diamond ، J.M. ، Katz ، Y. 1974. تفسير معاملات التقسيم غير المنحل بالكهرباء بين الليسيثين ثنائي الميرستولي والماء.J. غشاء بيول. 17:121–154

Diamond ، J.M. ، Wright ، E.M. 1969. الأغشية البيولوجية: الأساس الفيزيائي للأيونات والانتقائية غير الكهربائية.Annu. القس فيسيول. 31:581–646

ديكس ، ج.أ ، سولومون ، إيه. 1984. دور بروتينات الغشاء والدهون في انتشار الماء عبر أغشية الخلايا الحمراء.بيوكيم. بيوفيز. اكتا 773:219–230

Fettiplace، R. 1978. تأثير الدهن على نفاذية الماء للأغشية الاصطناعية.بيوكيم. بيوفيز. اكتا 513:1–10

Fettiplace ، R. ، Andrews ، D.M. ، Haydon ، D.A. 1971. سمك وتركيب وتركيب بعض طبقات الدهون الثنائية والأغشية الطبيعية.J. غشاء بيول. 5:277–296

Fettiplace ، R. ، Haydon ، D.A. 1980. نفاذية الماء من الأغشية الدهنية.فيسيول. القس. 60:510–550

فنكلستين ، أ. 1976. نفاذية الماء وغير الكهروليتية للأغشية الدهنية ثنائية الطبقة.J. الجنرال فيزيول. 68:127–135

Franks، N.P.، Lieb، W.R. 1978. أين يعمل التخدير العام؟الطبيعة (لندن) 274:339–342

Franks، N.P.، Lieb، W.R. 1979. بنية طبقات الدهون الثنائية وتأثيرات التخدير العام: دراسة حيود الأشعة السينية والنيوترون.جيه مول. بيول. 133:469–500

جاريك ، RA ، باتيل ، BC ، تشينارد ، ف. 1980. نفاذية كريات الدم الحمراء في الكلاب للجزيئات المحبة للدهون: تأثيرات الذوبان والحجم.أكون. J. Physiol. 238:ج107-ج113

جروين ، د. 1981. نموذج المجال المتوسط ​​للطبقة الثنائية للدهون المشبعة بالألكان فوق مرحلة انتقالها: 1. تطوير النموذج.بيوفيز. ج. 33:149–166

جروين ، دي دبليو آر ، هايدون ، دي إيه. 1981. نموذج المجال المتوسط ​​للطبقة المزدوجة للدهون المشبعة بالألكان فوق مرحلة انتقالها: II. النتائج والمقارنة مع التجربة.بيوفيز. ج. 33:167–188

Hanai، T.، Haydon، D.A. 1966. نفاذية الأغشية الدهنية ثنائية الجزيئات للماء.جي ثيوريت. بيول. 11:370–382

Haydon، DA، Hendry، BM، Levinson، S.R.، Requena، J. 1977. التخدير بواسطةن- الألكانات: دراسة مقارنة لانسداد النبضات العصبية وخصائص الأغشية الدهنية السوداء ثنائية الطبقة.بيوكيم. بيوفيز. اكتا 470:17–34

Hayduk، W.، Ioakimidis، S. 1976. توزيع السوائل في محاليل البارافين العادية.J. كيم. م. البيانات 21:255–260

كاتز ، واي ، دياموند ، جي إم 1974. الثوابت الديناميكية الحرارية للتقسيم غير الكهربائي بين الليسيثين ثنائي الميرستويل والماء.J. غشاء بيول. 17:101–120

Klocke، RA، Flasterstein، F. 1982. حركية اختراق كريات الدم الحمراء بواسطة الأحماض الأليفاتية.J. أبل. فيسيول. 53:1138–1143

Leo، A.، Hansch، C.، Elkins، D. 1971. معاملات التقسيم واستخداماتها.تشيم. القس. 71:525–616

Levitt، D.G.، Mlekoday، HJ 1983. معامل الانعكاس ونفاذية اليوريا والإيثيلين جلايكول في غشاء الخلية الحمراء البشرية.J. الجنرال فيزيول. 81:239–253

Lieb، W.R.، Stein، W.D. 1969. تتصرف الأغشية البيولوجية كصفائح بوليمرية غير مسامية فيما يتعلق بانتشار الشوارد غير المنحل بالكهرباء.الطبيعة (لندن) 224:240–243

Lieb ، W.R. ، Stein ، WD 1971. الآثار المترتبة على نوعين مختلفين من الانتشار للأغشية البيولوجية.طبيعة بيول الجديدة. 234:220–222

Lieb ، W.R. ، Stein ، WD 1971. الأساس الجزيئي للانتشار البسيط داخل الأغشية البيولوجية.في: الموضوعات الحالية في الأغشية والنقل. المجلد. 2 ص 1 - 39. F. Bronner & amp A. Kleinzeller ، محرران. المطبعة الأكاديمية ، نيويورك

Lieb ، W.R. ، Stein ، WD 1986. انتشار بسيط عبر طبقة الغشاء الثنائية.في: النقل والانتشار عبر أغشية الخلايا. دبليو دي شتاين. ص 69 - 112. مطبعة أكاديمية ، أورلاندو

ماسي ، R.I. ، كاران ، D.M. ، فارمر ، R.E.L. 1972. خصائص قنوات المياه في خلايا الدم الحمراء البشرية.في: أغشية حيوية. المجلد. 3 ، ص 331 - 340. إف كريوزر وجي إف جي. سليرس ، المحررين. بلينوم ، نيويورك

مايران ، R.R. ، Levitt ، D.G. 1983. نظم نقل ميسرة لليوريا والإيثيلين غليكول في غشاء الخلية الحمراء البشرية.J. الجنرال فيزيول. 81:221–237

مكلوسكي ، إم ، بو ، إم إم. 1984. انتشار البروتين في أغشية الخلايا: بعض الآثار البيولوجية.كثافة العمليات القس Cytol. 87:19–81

Orbach، E.، Finkelstein، A. 1984. النفاذية اللاإلكتروليتية للأغشية ثنائية الطبقة الدهنية المستوية.J. الجنرال فيزيول. 75:427–436

Overton، E. 1895. Über die osmotischen Eigenschaften der lebenden Pflanzen- und Tierzelle.Vierteljahrssch. ناتورفورش. جيس. زوير. 40:159–201

السعر ، HD ، طومسون ، T.E. 1969. خصائص الأغشية السائلة ثنائية الطبقة التي تفصل بين مرحلتين مائيتين: اعتماد درجة الحرارة على نفاذية الماء.جيه مول. بيول. 41:443–457

ريدوود ، دبليو آر ، هايدون ، دي إيه. 1969. تأثير درجة الحرارة وتركيب الغشاء على نفاذية الماء للطبقات الدهنية الثنائية.جي ثيوريت. بيول. 22:1–8

سليمان ، أ.ك. 1960. مسام في غشاء الخلية.علوم. أكون. 203:146–156

تانفورد ، سي. 1961. الكيمياء الفيزيائية للجزيئات الكبيرة. ص 324 - 327. وايلي ، نيويورك

Träuble، H. 1971. حركة الجزيئات عبر الأغشية الدهنية: نظرية جزيئية.J. غشاء بيول. 4:193–208

والتر ، أ ، جوتكنخت ، ج. 1984. نفاذية حمض أحادي الكربوكسيل من خلال أغشية الدهون ثنائية الطبقة.J. غشاء بيول. 77:255–264


العوامل المؤثرة في تكوين الدهون وسيولة أغشية الخلايا الحمراء في المختبر: إنتاج الخلايا الحمراء التي تحتوي على أكثر من اثنين من الكوليسترول لكل فوسفوليبيد

مشاهدات المقالات هي مجموع تنزيلات النصوص الكاملة للمقالات المتوافقة مع COUNTER منذ نوفمبر 2008 (بتنسيق PDF و HTML) عبر جميع المؤسسات والأفراد. يتم تحديث هذه المقاييس بانتظام لتعكس الاستخدام حتى الأيام القليلة الماضية.

الاقتباسات هي عدد المقالات الأخرى المقتبسة من هذه المقالة ، ويتم حسابها بواسطة Crossref ويتم تحديثها يوميًا. العثور على مزيد من المعلومات حول عدد الاقتباسات Crossref.

درجة الانتباه Altmetric هي مقياس كمي للانتباه الذي تلقته مقالة بحثية عبر الإنترنت. سيؤدي النقر فوق رمز الكعكة إلى تحميل صفحة على altmetric.com تحتوي على تفاصيل إضافية حول النتيجة ووجود وسائل التواصل الاجتماعي للمقالة المحددة. يمكنك العثور على مزيد من المعلومات حول "نقاط الانتباه البديلة" وكيفية احتساب النتيجة.

ملحوظة: بدلاً من الملخص ، هذه هي الصفحة الأولى للمقالة.


خيارات الوصول

احصل على الوصول الكامل إلى دفتر اليومية لمدة عام واحد

جميع الأسعار أسعار صافي.
سيتم إضافة ضريبة القيمة المضافة في وقت لاحق عند الخروج.
سيتم الانتهاء من حساب الضريبة أثناء الخروج.

احصل على وصول محدود أو كامل للمقالات على ReadCube.

جميع الأسعار أسعار صافي.


الانتشار المستعرض للدهون في خلايا الدم الحمراء - علم الأحياء

مشاكل بنية الخلية والانتشار والتناضح وممارسة النقل النشط

الأسئلة 1-2 تشير إلى الحالة التالية:

افترض أن الخليتين المذكورتين أعلاه لا تحتويان على مواد مذابة أخرى فيهما وأن الغشاء الموجود بين الخلايا نافذ للماء ، ولكنه غير منفذ للسكر.

1. في أي اتجاه ستحدث حركة الماء بين الخليتين؟ لماذا ا؟

2. ماذا سيحدث لنسبة السكر في الخلية ب؟ لماذا ا؟

3. افترض أن الخليتين أدناه منفذين لكل من أيونات الكلوريد والكالسيوم. اشرح النتائج التي تظهر في الخلايا أدناه من حيث الانتشار و / أو النقل النشط.

4. بعد حوالي اثني عشر إلى أربع وعشرين ساعة من الوجبة الأخيرة ، يتراوح مستوى السكر في دم الشخص عادةً من 60 إلى 90 ملليجرام (مجم) لكل 100 مللي لتر من الدم ، على الرغم من أنه قد يرتفع إلى 130 ملليجرام / 100 مللي بعد الوجبات الغنية بالكربوهيدرات . إن الحفاظ على مستوى السكر في الدم ضمن نطاق ضيق إلى حد ما على الرغم من تناول السكر غير المتكافئ يرجع إلى قدرة الجسم على القيام بـ _______________________؟ افترض أن مستويات السكر في الدم تعمل ليس تظل ثابتة ، ما هو التأثير الذي قد يحدثه ارتفاع السكر في الدم على خلايا الجسم ، على سبيل المثال. خلايا الدم الحمراء؟ اشرح تنبؤاتك من حيث التناضح.

5. البروتوزوا في المياه العذبة يسمى باراميسيوم يطرد الماء الزائد من جسمه عن طريق بنية خلوية تسمى الفجوة الانقباضية. إذا طاف هذا البرامسيوم أسفل النهر في مصب المياه المالحة ، فتوقع ما سيحدث لمستوى نشاط فجوة الانقباض. اشرح تنبؤاتك من حيث التناضح.

بالنسبة للأسئلة من 6 إلى 8 ، استخدم المفتاح التالي للإجابة على السؤال المطروح.

6. إذا كان تركيز الملح الداخلي هوراشيو 3.6٪ وقمت بوضعه في محلول 3.6٪ ، فماذا تسمي هذا المحلول؟

7. لقد وضعت المخلوق البحري X في محلول بتركيز مذاب غير معروف. في غضون ساعتين تقوم بفحص Critter X وتلاحظ أن جميع خلاياه تتورم وتنفجر. يجب أن يكون تركيز الماء في Critter X. ? من أجل حدوث هذه النتائج.

8. خلايا الدم الحمراء ____؟ ___ لبيئتها.

9. ماذا سيحدث لخلايا نجم البحر إذا وضعته في وسط ناقص التوتر؟ اشرح السبب.

10. ماذا سيحدث لخلايا النبات إذا وضعته في وسط ناقص التوتر؟ اشرح السبب.

أسئلة متعددة للتخمين

11. أي عملية تتضمن حركة صافية لجزيئات السكر عبر غشاء من منطقة ذات تركيز أقل إلى منطقة تركيز أعلى؟ (أ) التناضح (ب) الانتشار (ج) النقل النشط (د) النقل السلبي (هـ) الانتشار الميسر

12. في جسم الإنسان ، يمكن لأيون البوتاسيوم أن يمر بسهولة عبر أغشية الخلايا ، ومع ذلك فإن تركيز أيون البوتاسيوم يكون أعلى داخل العديد من الخلايا مما هو عليه خارج هذه الخلايا. هذا الشرط هو في الأساس نتيجة لعملية

(أ) النقل السلبي (ب) النقل النشط (ج) التناضح (د) البلعمة (هـ) الانتشار الميسر

13. يشير التحليل الكيميائي إلى أن غشاء الخلية يتكون أساسًا من

(أ) البروتينات والنشا (ب) البروتينات والسليلوز (ج) الدهون والنشا (د) الدهون والبروتينات

14. يُعرف التدفق الصافي للمواد عبر غشاء الخلية مقابل تدرج التركيز

(أ) النقل السلبي (ب) النقل النشط (ج) التناضح (د) كثرة الخلايا

15. عندما تستخدم الخلية الطاقة لتحريك المواد عبر غشاء الخلية ، تُعرف العملية باسم

(أ) التناضح (ب) النقل النشط (ج) الانتشار (د) النقل السلبي (هـ) الانتشار الميسر

16. يسمى انتشار جزيئات الماء داخل وخارج الخلايا

(أ) الانتشار (ب) كثرة الخلايا (ج) التناضح (د) النقل النشط (هـ) الانتشار الميسر

17. إن الحركة الصافية للجزيئات إلى الخلايا تعتمد بشكل كبير على
(أ) انتقائية غشاء البلازما
ب) انتقائية جدار الخلية
(ج) عدد النوى
(د) التركيب الجيني للخلية

18. خلية الدم الحمراء الموضوعة في الماء المقطر سوف تنتفخ وتنفجر بسبب انتشار
(أ) ملح من خلايا الدم الحمراء في الماء
(ب) الماء في خلايا الدم الحمراء
(ج) الماء من خلية الدم إلى بيئتها
(د) الأملاح من الماء إلى خلايا الدم الحمراء

  1. الجسيمات المحللة
  2. مجمع جولجي
  3. سلس ER
  4. النواة
  5. الخام ER
  6. الهيكل الخلوي
  7. أهداب
  8. حويصلات
  9. الريبوسومات (حشوية)
  1. صيانة الشكل الخلوي
  2. هيكل طويل يشبه السوط للحركة الخلوية
  3. مركز المعالجة والتعديل الكيميائي للخلية
  4. الهضم
  5. إنتاج الريبوسومات
  6. الحفاظ على التوازن المائي داخل الخلية
  7. تخليق البروتينات المصدرة من الخلية والبروتينات المستخدمة في العضيات الأخرى
  8. هيكل قصير يشبه الشعر للحركة الخلوية.
  9. التخليق الحيوي للدهون
  10. تخزين ونقل المواد داخل الخلية
  11. تخليق البروتينات الموجودة في السيتوبلازم

راجع الشكل أدناه للإجابة على السؤالين التاليين. يتم فصل المحاليل الموجودة في أذرع أنبوب U في الجزء السفلي من الأنبوب بواسطة غشاء قابل للاختراق بشكل انتقائي. الغشاء نافذ لكلوريد الصوديوم ولكن ليس للجلوكوز. يمتلئ الجانب أ بمحلول من 0.4 مولار جلوكوز و 0.5 مول كلوريد صوديوم (NaCl) ويمتلئ الجانب B بمحلول يحتوي على 0.8 مولار جلوكوز و 0.4 مول كلوريد صوديوم. في البداية ، الحجم في كلا الذراعين هو نفسه.

28. في بداية التجربة ،

أ) الجانب أ مفرط التوتر إلى الجانب ب.

ب) الجانب أ ناقص التوتر إلى الجانب ب.

ج) الجانب أ متساوي التوتر إلى الجانب ب.

د) الجانب أ مفرط التوتر إلى الجانب ب بالنسبة للجلوكوز.

هـ) الجانب أ ناقص التوتر إلى الجانب ب بالنسبة إلى كلوريد الصوديوم.

29. إذا قمت بفحص الجانب "أ" بعد 3 أيام ، فيجب أن تجده

أ) انخفاض في تركيز كلوريد الصوديوم والجلوكوز وزيادة في مستوى الماء.

ب) انخفاض في تركيز كلوريد الصوديوم ، وزيادة في مستوى الماء ، وعدم وجود تغيير في تركيز الجلوكوز.

ج) لا يوجد تغيير صاف في النظام.

د) انخفاض في تركيز كلوريد الصوديوم وانخفاض في منسوب المياه.

ه) لا تغيير في تركيز كلوريد الصوديوم والجلوكوز وزيادة في مستوى الماء.


سيرة شخصية

سالي بياس هو كيميائي حسابي حاصل على درجة الدكتوراه في الكيمياء الحيوية. تعمل حاليًا أستاذًا مشاركًا في قسم الكيمياء في معهد نيو مكسيكو للتعدين والتكنولوجيا (نيو مكسيكو للتكنولوجيا). لديها اهتمام طويل الأمد بالآلية الفيزيائية لتوصيل الأكسجين على مستوى الأنسجة. تشارك سالي بنشاط في جمعية الفيزياء الحيوية ومجموعتها الفرعية حول الطاقة الحيوية ، والميتوكوندريا ، والتمثيل الغذائي. وهي تشارك أيضًا في قيادة الجمعية الدولية لنقل الأكسجين إلى الأنسجة (ISOTT) وهي حائزة في السابق على جائزة ميلفين إتش.


نتائج

انتشار في غشاء البلازما محور عصبي

في هذه الدراسة ، قمنا بالتحقيق في آثار APMS وتراكم TMPs على انتشار الدهون والبروتين في APM. الأهم من ذلك ، أخذنا في الاعتبار الشكل الأسطواني للمحور عند حساب معلمات الانتشار [58]. لحساب MSD كدالة للوقت باستخدام البيانات الرقمية ، استفدنا من حقيقة أن المسافات على سطح أسطواني يتم الحفاظ عليها أثناء عملية لف اللف. قمنا أولاً بفك مواضع الجسيمات على الأسطوانة عن طريق لفها على مستوى ثنائي الأبعاد ، ثم حسبنا MSD في المستوى ثنائي الأبعاد (S4 الشكل). تمكنا من إهمال الإزاحة الشعاعية الدكتور من جزيئات الغشاء الناتجة عن التقلبات الحرارية لأنها كانت صغيرة مقارنة بنصف القطر ص من محور عصبي (& lt 5٪ من نصف قطر محور عصبي). وبالتالي ، فإن الإحداثيات المتغيرة للجسيم داخل نظام الإحداثيات الأسطوانية (الدكتور,rdθ,دز) إلى سطح مستو ثنائي الأبعاد كـ (rdθ,دز). علاوة على ذلك ، قمنا بقياس MSD (ص 2 دθ 2 +دز 2) على السطح الأسطواني على المستوى مع إحداثيات دو = rdθ و دي في = دز. في عدة حالات ، قمنا بفصل الحركة الحرارية إلى انتشار طولي (انتشار 1D على طول المحور العصبي) والانتشار العرضي (انتشار 1D على طول محيط المحور) كما هو موضح في الشكل S4. أعدنا بناء الحركة الشاملة ثنائية الأبعاد من خلال الجمع بين MSDs للطول الطولي والمكونات العرضية للانتشار.

حلقات الأكتين كالأسوار

أنشأنا أولاً النطاق الزمني لمحاكاة الانتشار. قمنا بقياس انتشار الدهون وقارننا عمليات المحاكاة الخاصة بنا بالنتائج التجريبية لـ Nakada وزملائه [16]. وجدنا أن الاعتماد الزمني لـ MSD كان مشابهًا للدهون في كل من المنشورات الداخلية والخارجية (الشكل 3 أ). يشير هذا إلى أن انتشار الدهون في نموذجنا لم يتأثر بشكل كبير بـ APMS. علاوة على ذلك ، نظرًا لأن اعتماد MSD فيما يتعلق بالوقت كان خطيًا ، فقد خضعت الدهون للانتشار الطبيعي. حسبنا معامل الانتشار ليكون 1.14 × 10 −2 σ 2 /رس، أين σ = 2.227 نانومتر وهو مقياس الوقت. عن طريق مطابقة معامل انتشار الدهون ددهون = 1.14×10 −2 σ 2 /رس مع معامل الانتشار المقاس تجريبياً لـ

0.3 ميكرومتر 2 / ثانية [16] ، قررنا ذلك رس = 1.82 × 10 −7 ث. نلاحظ أنه يمكن العثور على لزوجة الغشاء بواسطة معادلة Stokes-Einstein η = كبتي/6π ددهونصص، أين صص هو نصف قطر جسيمات شحوم الحبوب الخشنة. باستخدام المقياس الزمني المحدد ، وجدنا أن لزوجة الغشاء المقابلة هي 0.6نس/م 2 ، والذي يقارب البيانات التجريبية المبلغ عنها [59]. لقد تحققنا أيضًا من صحة هذه النتيجة عن طريق حساب معامل الانتشار لـ IMPs للنشرة الخارجية. من خلال تركيب MSD لـ IMPs للنشرة الخارجية بوظيفة خطية للوقت (الشكل 3 ب) ، قررنا أن معامل الانتشار كان دخارجي = 3.84×10 −3 σ 2 /رس = 0.11 ميكرومتر 2 / ثانية. هذه النتيجة مشابهة لقيمة معامل الانتشار المُقاسة تجريبياً لـ GPI-GFP في AIS ، قبل إنشاء شرائط الانتشار ، وفي المحور العصبي البعيد ، الذي يفتقر إلى شرائط الانتشار [20]. بعد إنشاء مقياس زمني يتوافق مع النتائج التجريبية ، حددنا الظروف التي يمكن أن تعمل فيها حلقات الأكتين كـ "أسوار" لنشر النشرة الخارجية والنشرة الداخلية وبروتينات الغشاء.

(أ). 2D MSDs من الدهون في المنشورات الداخلية والخارجية. (ب). MSDs من النشرة الخارجية IMPs في الاتجاهات الطولية والعرضية. MSD الكلي هو تجميع MSDs الطولية والعرضية ويمثل الانتشار السطحي.

انتشار IMPs في النشرة الخارجية.

أظهر Albrecht وزملاؤه أن انتشار IMPs للنشرة الخارجية يقتصر على الحلقات التي تتواجد مع حلقات الأكتين في AIS ، والتي من المحتمل أن تكون بمثابة "أسوار" [20]. هذا يطرح السؤال التالي: كيف يتم تقييد حركة IMPs في النشرة الخارجية بواسطة الهيكل الخلوي تحت الغشاء ، وعلى وجه الخصوص ، بواسطة حلقات الأكتين؟ استنتجنا مسارات للنشرة الخارجية IMPs في محاولة لفهم هذه الملاحظة المتناقضة.

لم تُظهر نتائجنا الأولية أي حدود أكتين واضحة لـ IMPs للنشرة الخارجية ، في حين أن MSDs للمكونات الطولية والعرضية للانتشار كانت وظائف خطية للوقت (الشكل 3 ب و S5 الشكل). بعد ذلك نظرنا في العديد من التفسيرات الأخرى حول كيفية قيام الأكتين بإعاقة انتشار المنشور الخارجي. كان أحد الاحتمالات هو أن الارتباط المتزايد بين جسيمات الأكتين والـ IMPs المنتشر للنشرة الخارجية - بغض النظر عن البروتينات المرتبطة بالأكتين - يمكن أن يتسبب في تكوين الحدود ويحد من انتشار IMP. افترضنا أن الارتباط بين الأكتين و IMP يقتصر على بروتين واحد فقط لكل جسيم أكتين. لقد أظهرنا أن جزيئات الأكتين يمكن أن ترتبط بشكل عابر بجزيئات البروتين المنتشرة ، لكن هذا الارتباط لم يؤد إلى تكوين حدود محددة جيدًا لنشر IMPs (S6 الشكل).

أخيرًا ، اختبرنا تفسيرًا بديلاً: أن حلقات الأكتين لم تكن تعيق حركة IMPs ، ولكن سبب هذا العائق هو البروتينات التي تشكل مجمعات تقاطع الأكتين ، وبشكل أكثر تحديدًا ، البروتينات التي تربط حلقات الأكتين بطبقة الفوسفوليبيد الثنائية. في هذا النموذج ، البروتينات المرتبطة بالأكتين هي عقبات لنشر IMPs ، مما يعيق حركتها [14]. لاختبار هذا الاحتمال ، أجرينا عمليات محاكاة باستخدام بروتينات مثبتة في الأكتين بأحجام مختلفة (5 نانومتر و 15 نانومتر و 25 نانومتر). يوضح الشكل 4 مسارات أصغر الجسيمات (5 نانومتر). لم نجد أي حدود واضحة تقيد حركة IMPs في المنشور الخارجي. ومع ذلك ، نظرًا لأن حجم الجسيمات التي تمثل بروتينات تثبيت الأكتين نما إلى 15 نانومتر ، فقد سجلنا انخفاضًا في وتيرة عبور حلقة الأكتين. لاحظنا حدود أكتين واضحة ، وبالتالي اقتصرنا على الانتشار على طول الاتجاهات الطولية عندما كان قطر بروتينات تثبيت الأكتين 25 نانومتر. كما هو متوقع ، تغيرت الحركة الطولية للـ IMPs للنشرة الخارجية أيضًا من الانتشار الحر إلى المحصور عندما تم ضبط قطر الجسيم على 25 نانومتر. لذلك ، تُظهر عمليات المحاكاة التي أجريناها أن البروتينات المرتبطة بالأكتين ضرورية لتقييد الحركة المنتشرة للنشرة الخارجية لـ IMPs.

(أ). MSDs طولية لـ IMPs في النشرة الخارجية بثلاثة أحجام من AAPs. تُظهر اللوحات (B) و (C) و (D) مسارات 5 نانومتر و 15 نانومتر و 25 نانومتر AAPs ، على التوالي.

انتشار IMPs في النشرة الداخلية.

بعد تحديد الشروط التي يمكن أن تقيد بها حلقات الأكتين انتشار IMPs في النشرة الخارجية بين حلقتين متجاورتين ، حددنا دور حلقات الأكتين في انتشار TMPs و IMPs للنشرة الداخلية على طول الاتجاه الطولي للمحور. على حد علمنا ، لا توجد نتائج تجريبية متاحة يمكننا مقارنة نتائجنا العددية بها. وبالتالي ، توفر هذه المحاكاة إطارًا للتجارب المستقبلية. نتوقع أن تتداخل حلقات الأكتين مع الانتشار الطولي. على النقيض من ذلك ، فإن شبكة الطيف الضوئي التي تربط حلقات الأكتين قد تتداخل مع الانتشار المستعرض. لذلك نناقش فقط الانتشار الطولي في هذا القسم. نناقش الانتشار المستعرض في القسم التالي.

فيما يتعلق بالانتشار الطولي ، وجدنا أن حركات النشرة الداخلية لـ TMPs و IMPs يمكن وصفها بالانتشار المحصور (الشكل 5) بسبب القيود التي تفرضها حلقات الأكتين [26 ، 60-62]. يتم إعطاء MSD لانتشار محصور تمامًا من خلال التعبير ، حيث إل هو الطول المميز و دمجهري هو معامل الانتشار المجهري [60]. من خلال ملاءمة النتائج العددية للتعبير المذكور أعلاه ، وجدنا أنه في حالة TMPs ، كان الطول المميز إل≈48.5σ = 108 نانومتر وكان معامل الانتشار المجهري (جدول S2 و S7 الشكل). بتضمين المسافة الفراغية 30نانومتر بين TMP وجسيم الأكتين على جانبي الشريط الأسطواني للمحور ، حصلنا على عرض شريطي يبلغ 168 نانومتر ، وهو قريب من مسافة 185 نانومتر بين حلقتين أكتين مستخدمتين في نموذجنا. هذه النتيجة تبرر ذلك إل يمكن اعتباره مقياسًا لمتوسط ​​المسافة القصوى التي يغطيها TMP على طول المحور العصبي. بالنسبة إلى IMPs للنشرة الداخلية ، وجدنا أن الطول المميز هو إل≈52σ = 115.8 نانومتر ومعامل الانتشار المجهري. كما هو متوقع ، كانت قيمة معامل الانتشار هذه مماثلة للقيمة التي تم الحصول عليها من أجل IMPs للنشرة الخارجية. اختلفت معاملات الانتشار بين TMPs و IMPs بسبب أنصاف أقطارها المختلفة ، مما تسبب في تفاعل TMPs مع جزيئات من كل من الطبقات الدهنية و IMPs للتفاعل مع جزيئات من طبقة دهنية واحدة فقط.

(أ). MSD الطولي لـ IMPs في النشرة الداخلية. (ب). مسارات IMPs في النشرة الداخلية. (ج). MSD الطولي لـ TMPs. (د). مسارات TMPs.

باختصار ، وجدنا أن حلقات الأكتين يمكن أن تحد من الانتشار الطولي للدهون والبروتينات الداخلية وليس الخارجية. تعتبر البروتينات الإضافية المرتبطة بالأكتين والتي تثبت طبقة ثنائية الفوسفوليبيد في حلقات الأكتين ضرورية للحد من انتشار دهون النشرة الخارجية والبروتينات.

دور خيوط الطيف باعتبارها "أسوار" قابلة للاختراق

بعد ذلك ، درسنا دور خيوط الطيف في انتشار بروتينات الغشاء المحوري. تشير الأدلة الوافرة إلى أن خيوط سبيكترين موجهة على طول المحور العصبي ، وأن الطرف N من الطيف βIV متصل بحلقات الأكتين. لقد أظهرنا سابقًا أن خيوط الطيف الضوئي تخضع للتوتر الحتمي وأن ترتيب الأكتين / الطيف الدوري يوفر للمحور العصبي مقاومة ميكانيكية ومرونة [11]. كما تمت مناقشته في القسم السابق ، تلتف حلقات الأكتين على طول الاتجاه المحيطي للمحور وتقييد حركة TMPs و IMPs للورقة الداخلية في الاتجاه الطولي. هنا ، قمنا بفحص ما إذا كانت خيوط الطيف لها تأثير مماثل على الانتشار العرضي للـ IMPs المحوري للورقات الداخلية والخارجية.

الانتشار المستعرض للـ IMPs للنشرة الخارجية لمختلف الجمعيات ثنائية الطبقة من سبيكترين- فوسفوليبيد.

بالنسبة لهذه المحاكاة ، افترضنا فقط التنافر الفراغي بين خيوط الطيف وطبقة الفوسفوليبيد الثنائية (ن = 0 في المعادلة 4). أظهرت MSDs للنشرة الخارجية IMPs اعتمادًا خطيًا على الوقت (S8 الشكل). كانت معاملات الانتشار المستعرض المقابلة مماثلة لمعامل الانتشار الطولي (الشكل 3). هذا يعني أن IMPs للنشرة الخارجية تخضع لانتشار طبيعي في كلا الاتجاهين الطولي والعرضي ، ولا يتأثر الانتشار المقابل بخيوط الطيف الغشائي الفرعي. هذه النتيجة ليست مفاجئة لأن IMPs للنشرة الخارجية لا تتفاعل مباشرة مع خيوط الطيف.

الانتشار المستعرض لـ TMPs و IMPs للنشرة الداخلية لمختلف الجمعيات ثنائية الطبقة من سبيكترين- فوسفوليبيد.

من المحتمل أن يكون انتشار TMPs و IMPs للنشرة الداخلية غير طبيعي نظرًا لأن TMPs و IMPs يتفاعلان مباشرة مع APMS. يعتمد هذا النوع من الانتشار على التفاعلات بين خيوط سبكترين والجسيمات المنتشرة. إذا كانت الطبقة الدهنية وجزيئات الطيف تحتوي على جاذبية قوية ، فإن خيوط الطيف تبقى قريبة جدًا أو حتى متصلة بطبقة الدهون السيتوبلازمية وتعمل كحواجز عاكسة لا يمكن اختراقها. في هذه الحالة ، نتوقع أن يقتصر الانتشار المستعرض على الشعاب المرجانية القشرة المكونة من خيوط الطيف المتتالية والأجزاء المقابلة من حلقات الأكتين (الشكل 1). إذا كانت جزيئات الدهون والسبكترين تنجذب بشكل ضعيف لبعضها البعض ، فإننا نتوقع أن تشكل خيوط الطيف المتذبذب حواجز عابرة مع طبقة ثنائية الفوسفوليبيد المتذبذبة ، والتي يمكن أن تسمح للجسيمات المنتشرة بالهروب من حين لآخر من حجرة إلى أخرى. تسمى هذه الحركة بانتشار القفزة. يعتمد تأثير العائق الثابت الذي لاحظناه بين خيوط سبيكترين و TMPs و IMPs على المقاييس الزمنية المميزة لتذبذبات الغشاء وتذبذبات الطيف والانتشار. يبلغ زمن التشكل المميز لخيوط الطيف الضوئي حوالي 100 ميكرو ثانية [28 ، 63] على النقيض من ذلك ، تبلغ الفترة المميزة لتذبذبات غشاء البلازما حوالي 500 ميكرو ثانية [64 ، 65]. معامل الانتشار الحر لـ TMPs و IMPs في طبقات الفوسفوليبيد الثنائية هو 5.3 × 10 9 سم 2 س −1 [66]. بناءً على هذه النتيجة ، حسبنا أن البروتين الغشائي يستغرق حوالي 200 ميكرو ثانية للسفر حوالي 10 نانومتر ، وهي المسافة التي يجب أن يقطعها البروتين لمسح حاجز الطيف. بالنظر إلى أن المقاييس الزمنية المميزة المذكورة أعلاه لها نفس الحجم من حيث الحجم ، يمكن أن تعبر TMPs و IMPs الحواجز التي تشكلها خيوط الطيف إذا لم يكن هناك ارتباط بين سبيكترين وطبقة الفوسفوليبيد الثنائية.

عندما درسنا انتشار TMPs و IMPs للنشرة الداخلية ، أظهرت MSDs اعتمادًا غير خطي على الوقت عندما لا ترتبط خيوط الطيف والجزيئات الدهنية (الخطوط الزرقاء في الشكل 6). يمكننا شرح سلوك الانتشار الفرعي من خلال نوعين من الانتشار: (1) الانتشار الشاذ و (2) الانتشار المحصور في نطاقات زمنية قصيرة متراكبة على الانتشار الخطي والبطيء والعادي على نطاقات زمنية أطول.

(أ). مستعرض MSD للنشرة الداخلية IMPs في جمعيات سبكترين - دهون مختلفة. (ب). MSD المستعرض لـ TMPs في جمعيات سبكترين - دهون مختلفة.

من الناحية النظرية ، يتم إنشاء الانتشار الفرعي الشاذ عن طريق التسلسل الهرمي اللانهائي لمواقع الربط والحواجز التي تعيق الانتشار ، ويتناسب MSD الخاص به مع

t a ، حيث & lt1 [67 ، 68]. في الخلايا ، يكون لمواقع وحواجز الربط تسلسل هرمي محدود ، وبالتالي ، يمكن أن يكون الانتشار عبارة عن انتشار فرعي شاذ عابر لفترات قصيرة نسبيًا وانتشارًا طبيعيًا لفترات أطول. ومع ذلك ، فإن نموذجنا لـ APMS يحتوي على عدد لا حصر له من خيوط الطيف ، حيث استخدمنا شروط الحدود الدورية. لذلك ، لن نستبعد إمكانية الانتشار العرضي الشاذ عبر جميع المقاييس الزمنية باستثناء النطاق الزمني الصغير جدًا المتعلق بالحركة الباليستية.

إذا تم استخدام نموذج الانتشار المستعرض المحصور في أوقات قصيرة نسبيًا وتم استخدام الانتشار العرضي البطيء العادي في أوقات طويلة ، فيمكن عندئذٍ وصف MSD بالتعبير [60]. على وجه الخصوص ، نتوقع معاملي انتشار: أحدهما صالح في نطاقات زمنية أصغر بكثير من وقت العبور المميز (دمجهري) ، وهو صالح على نطاقات زمنية أكبر بكثير (ددقيق). في كرات الدم الحمراء ، كشفت النتائج التجريبية أن بروتينات النطاق 3 تخضع لانتشار قفزة. تم الافتراض أن هذا يرجع إلى إعادة تشكيل الهيكل الخلوي وقوى الربط بين سبكترين والدهون التي تعزز انتشار قفزة النطاق 3 [26 ، 66]. أظهرت عمليات المحاكاة التي أجريناها لغشاء كرات الدم الحمراء الطبيعي والمعيب أن نوع انتشار النطاق 3 يتم التحكم فيه عن طريق اتصال الهيكل العظمي للغشاء والارتباط بين طبقة الفوسفوليبيد الثنائية والهيكل العظمي الغشائي [25].

من أجل توضيح النموذج الذي يشرح أفضل النتائج العددية ، استخدمنا التعبيرات لكل من الانتشار الشاذ MSD(ر) = ط م α وانتشار القفزات المحصورة لتلائم MSDs لـ TMPs و IMPs للورقة الداخلية على طول الاتجاه المحيطي للمحور. كانت قيمة القاعدة التربيعية المتبقية بمثابة معيارنا لأفضل ملاءمة (S9 الشكل). أظهرت النتائج أن انتشار القفزات المحصورة مع الانتشار الطبيعي لفترة طويلة هو تقريب أفضل من الانتشار الشاذ لـ TMPs و IMPs للنشرة الداخلية. من خلال استخدام نموذج الانتشار المحصور ، حصلنا على قيم و ، على التوالي ، كما هو موضح في جدول S3. قمنا بحساب معاملات الانتشار العيانية لـ TMPs و IMPs للنشرة الداخلية على طول الاتجاه المحيطي للمحور ليكون و ، على التوالي. نلاحظ أن هذه القيم أصغر من 10 إلى 20 مرة من معاملات الانتشار المجهري المقابلة.

بعد ذلك ، قمنا بالتحقيق في الانتشار المستعرض لمستويات مختلفة من التجاذب بين سبيكترين والدهون. هذا مهم بشكل خاص لأن βIV سبيكترين يحتوي على مجال pleckstrin يسمح سبيكترين بالتفاعل مع طبقة ثنائية الفوسفوليبيد. أولاً ، وجدنا أن الانتشار المستعرض لـ IMPs للنشرة الخارجية لم يتأثر بخيوط الطيف حتى عندما ارتبطت جزيئات الطيف والدهن بقوة (n = 0.02 أو 0.05 في Eq 4). على وجه التحديد ، لاحظنا اعتمادًا خطيًا تقريبًا على MSDs فيما يتعلق بالوقت (S8 الشكل) الذي أنتج معامل انتشار لـ ددهون,ن = 0.02 = 1.09×10 −2 σ 2 /رس, ددهون,ن = 0.05 = 1.07×10 −2 σ 2 /رس للدهون و دخارجي,ن = 0.02 = 3.77×10 −2 σ 2 /رس, دخارجي,ن = 0.05 = 3.65×10 −2 σ 2 /رس ل IMPs من النشرة الخارجية. هذه القيم تشبه إلى حد كبير معاملات الانتشار (ددهون,ن = 0 = 1.14×10 −2 σ 2 /رس, دخارجي,ن = 0 = 3.84×10 −3 σ 2 /رس) للدهون الحرة و IMPs المجانية للنشرة الخارجية ، على التوالي ، والتي تتحرك في طبقة ثنائية فسفوليبيد مسطحة بدون حواجز سبكترين.

على النقيض من ذلك ، تميزت MSDs لـ TMPs و IMPs للنشرة الداخلية بسلوك انتشار محصور (خطوط سوداء وحمراء الشكل 6). من خلال ملاءمة البيانات الرقمية للتعبير عن إزاحة MSD في الانتشار المحصور ، استخرجنا معاملات الانتشار المجهري المقابلة لها ، عند n = 0.02 ، وعند n = 0.05. قيم معامل الانتشار المجهري في الاتجاه العرضي تشبه القيم التي لوحظت للانتشار الطولي المحصور والانتشار الطبيعي للبروتينات المقابلة. بالنسبة للنشرة الداخلية IMPs ، كان الطول المميز إل≈5.91σ= 13.16 نانومتر عند n = 0.02 و إل≈5.09σ= 11.34 نانومتر عند n = 0.05. بالإضافة إلى ذلك ، قمنا بحساب الطول المميز لـ TMPs ليكون إل≈4.15σ= 9.24 نانومتر عند n = 0.02 و إل≈3.22σ= 7.17 نانومتر عند n = 0.05. من خلال إضافة المسافة الفراغية المقابلة لجسيم سبيكترين ، حصلنا على مسافة قريبة من المسافة المحيطية الدورية بين خيوط الطيف ، والتي كانت حوالي 35 نانومتر.

We conclude that repulsive interaction between the axonal membrane proteins and the spectrin filaments results in confined diffusion of TMPs and IMPs of the inner leaflet when spectrin filaments and lipids are strongly associated. When there is no attraction between the spectrin and lipid particles, the oscillations of lipid layer and spectrin filaments hinder the motion of axonal membrane proteins but do not completely prohibit crossing of the spectrin barriers. Thus, TMPs and IMPs of the inner leaflet can hop over the spectrin corrals, which leads to normal diffusion at a larger time scale. However, this process is characterized by a smaller macroscopic diffusion coefficient compared to the microscopic one. Therefore, MSDs at larger time scales account for the inter-compartmental hop diffusion between spectrin filaments in the circumferential direction.

Effect of accumulation of TMPs on the diffusion of lipids and membrane proteins in the APM of the AIS

In neurons that have matured past ten days في المختبر (DIV), the AIS acts as a diffusion barrier and completely halts diffusion while the structure of the APMS remains essentially the same. By contrast, among neurons that are no older than a week (< DIV 6), proteins within the AIS are diffusive. It is possible that the lack of diffusion in the AIS at the later developmental time points is due to accumulation of ankyrin-binding TMPs in the AIS, such as Na and potassium channels [69, 70]. We have demonstrated that the APMS hinders, but does not completely stop, the thermal motion of axonal membrane proteins. This result is similar to an earlier experimental finding in cochlea outer hair cells that showed cytoskeletal structures alone constraint but do not completely prevent lateral mobility of membrane proteins [71]. We therefore hypothesized that accumulation of TMPs in the AIS plays an important role in ceasing diffusion of APM proteins.

We considered different accumulation levels of TMPs that were anchored to the APMS with a limited motion range as is typically the case with ion channels such as voltage-gated sodium (Naالخامس) and potassium (Kالخامس) channels (i.e KCNQ2). We attached the TMPs particles at random points of the middle surface of the lipid bilayer via a spring with stiffness ك0 = 6.5ε/σ 2. This resulted to an average radius of gyration صز≃4.83 نانومتر of the anchored TMPs in the APM comparable to their diameter. We then created different environments by increasing the initial surface accumulation of TMPs from three particles per rectangular corral (ρ = 3 pprc) to 20, 45, 60, and 90 (S10 Fig). These surface densities of TMPs corresponds to surface area coverages of 0.87%, 5.83%, 13.11%, 17.48%, and 26.22%, respectively. We first measured the MSDs of IMPs of the outer leaflet at the axon’s longitudinal and transverse directions at different TMP densities, with no attraction between spectrin filaments and lipid particles (n = 0 in Eq 4). We observed that increased accumulation of TMPs did not noticeably and for the observed time scale alter the diffusion type of IMPs of the outer leaflet, which remained normal (Fig 7A and 7B). However, it caused a reduction in both the longitudinal and transverse diffusion coefficients and the total corresponding diffusion coefficients from دخارجي,3 pprc = 3.84×10 −3 σ 2 /رس for ρ = 3 pprc to دخارجي,20 pprc = 2.36×10 −3 σ 2 /رس for ρ = 20 pprc, دخارجي,45 pprc = 7.43×10 −4 σ 2 /رس for ρ = 45 pprc, دخارجي,60 pprc = 1.41×10 −4 σ 2 /رس for ρ = 60 pprc, and دخارجي,90 pprc = 2.24×10 −5 σ 2 /رس for ρ = 90 pprc, as shown in S4 Table. From the result it is clear that at ρ = 90 pprc (

26% surface coverage) the diffusive motion of IMPs of the outer leaflet almost ceased since the corresponding diffusion coefficient دخارجي,90 pprc for 90 pprc is more than 500 times smaller than the diffusion coefficient ددهون = 1.14 × 10 −2 σ 2 /رس of particles that represent lipids. It is noted however that this reduction in diffusivity cannot cause the formation of stripes. Similarly with the IMPs of the outer leaflet, diffusion of particles representing lipids remained normal but the diffusion coefficient reduced as the accumulation of TMPs increased and at ρ = 90 pprc diffusion practically ceased (S11 Fig and S4 Table).

(A). Longitudinal and (B). Transverse MSDs of IMPs of the outer leaflet at 3, 20, 45, 60 and 90 pprc. (ج). Longitudinal and (D). Transverse MSDs of IMPs of the inner leaflet at 3, 20, 45, 60 and 90 pprc. The percentages of surface area coverage are 0.87%, 5.83%, 13.11%, 17.48%, and 26.22%, respectively.

Next, we measured the MSDs of IMPs of the inner leaflet at the axon’s longitudinal and transverse directions at different TMP densities, with no attraction between spectrin filaments and lipid particles (n = 0 in Eq 4). As discussed previously, IMPs of the inner leaflet underwent confined longitudinal diffusion. This is apparent in Fig 7C for ρ = 3 pprc and ρ = 20 pprc, where MSDs almost reached their maximum value for the observed number of time steps. For ρ = 45 pprc, ρ = 60 pprc, and ρ = 90 pprc, although the longitudinal diffusion was eventually confined, the required number of time steps for the MSDs to reach their maximum value went beyond the observed time period. For example, if we used the characteristic length إل = 115.8نانومتر, computed in the case of ρ = 3 pprc for IMPs of the inner leaflet, we found that when ρ = 45 pprc, approximately 8×10 7 more time steps were required to reach the maximum MSD value. This meant that at ρ = 45 pprc (13.11% area coverage), the motion of IMPs of the inner leaflet was significantly hindered and the number of time steps in our simulation was not large enough to see the effect of corrals.

The effect of the accumulation of TMPs was clearly reflected on the value of the microscopic diffusion coefficient, which corresponds to the slope of the linear portion of the MSD graph at small time scale. By fitting the corresponding MSDs with the expression of confined-hop diffusion, we found that as the density ρ increased from 3 to 20, 45, 60, and 90 pprc, the microscopic diffusion coefficient for the IMPs of the inner leaflet decreased from to to and to respectively (Fig 7C and S5 Table). In transverse diffusion, accumulation of TMPs once again failed to change the nature of diffusion and merely reduced the micro-diffusion coefficient. As discussed above, transverse diffusion can be described as confined hop diffusion. For the values ρ = 3, 20, 45, 60, and 90 pprc the micro-diffusion coefficients for the IMPs of the inner leaflet decreased from to to , and to (Fig 7D and S5 Table).

For completeness, we also investigated how accumulation of TMPs, which are not anchored to the APMS but that can thermally diffuse, affects the diffusive motion of IMPs of the inner and outer leaflet. We previously considered the effect of APMS, when the density of TMPs between the actin rings was set to ρ = 3 pprc, which was a very low density compared to the density of membrane proteins in the axons of mature neurons (no accumulation of TMPs S10 Fig) [69, 70]. To study the effect of the accumulation of TMPs, we again created different environments by increasing the initial surface density of TMPs from ρ = 3 to 20, 45, 60, and 90 pprc. We found that the TMPs behave similarly to IMPs of the inner leaflet. The longitudinal diffusion was confined and the transverse diffusion was confined hop-diffusion. We also found that the diffusion types of IMPs of the outer and inner leaflets were similar with the cases when TMPs were fixed (Fig 7, S12 and S13 Figs). The results are discussed in detail in Supporting Information (S1 Text).


الملخص

Objective—

Reverse cholesterol transport (RCT) involves the removal of cholesterol from peripheral tissue for excretion in the feces. Here, we determined whether red blood cells (RBCs) can contribute to RCT.

الطرق والنتائج -

We performed a series of studies in apolipoprotein AI-deficient mice where the high-density lipoprotein–mediated pathway of RCT is greatly diminished. RBCs carried a higher fraction of whole blood cholesterol than plasma in apolipoprotein AI-deficient mice, and as least as much of the labeled cholesterol derived from injected foam cells appeared in RBCs compared with plasma. To determine whether RBCs mediate RCT to the fecal compartment, we measured RCT in anemic and control apolipoprotein AI-deficient mice and found that anemia decreased RCT to the feces by over 35% after correcting for fecal mass. Transfusion of [ 3 H]cholesterol-labeled RBCs led to robust delivery of the labeled cholesterol to the feces in apolipoprotein AI-deficient hosts. In wild-type mice, the majority of the blood cholesterol mass, as well as [ 3 H]cholesterol derived from the injected foam cells, was found in plasma, and anemia did not significantly alter RCT to the feces after correction for fecal mass.

الاستنتاجات -

The RBC cholesterol pool is dynamic and facilitates RCT of peripheral cholesterol to the feces, particularly in the low high-density lipoprotein state.

It is generally accepted that lipoproteins carry cholesterol in plasma throughout the body. Increasing high-density lipoprotein cholesterol (HDL-C) via apolipoprotein AI (apoAI) gene transfer in mice has been shown to increase reverse cholesterol transport (RCT), as measured by tracing the levels of [ 3 H]cholesterol transferred from injected macrophages to the plasma, liver, and feces. 1 Yet, in humans, whole blood is composed of ≈45% red blood cells (RBCs) by volume, and the cholesterol concentration in RBCs is comparable to that found in the plasma, carried by lipoproteins. 2 RBC plasma membranes contain free cholesterol that can bidirectionally exchange with plasma lipoprotein cholesterol approaching equilibrium ex vivo in ≈6 hours, with the kinetics indicating transfer via aqueous diffusion. 3 Despite their significant carrying capacity for cholesterol, the role that RBCs may play in RCT has not been previously addressed. Here we show that apoAI-deficient (apoAI −/− ) mice carry most of their cholesterol in the RBC compartment as opposed to the plasma compartment. When we made these apoAI −/− mice anemic, RCT to the fecal compartment was reproducibly decreased.

أساليب

Wild-type (WT), apoAI −/− , 4 and apoAI transgenic mice, 5 all on the C57BL/6 background, were purchased from The Jackson Laboratory. All experiments were performed in accordance with the Cleveland Clinic Institutional Animal Care and Use Committee.

RCT Assays

These studies were performed using methods similar to those described previously. 6 Murine bone marrow macrophages were cultured from WT mice for 11 to 14 days in DMEM supplemented with 20% L-cell conditioned medium (as a source of macrophage colony-stimulating factor) and 10% fetal bovine serum. To load and label macrophages with [ 3 H]cholesterol, cells were incubated with DMEM containing 20% L-cell conditioned medium, acetylated low-density lipoprotein (50 µg/mL), and [ 3 H]cholesterol (2 µCi/mL Perkin Elmer) for 1 to 2 days. Foam cells were washed twice with DMEM before harvesting for in vivo injection, and ≈2 million cells containing ≈3 million [ 3 H]cholesterol dpm in a volume of 0.25 mL were injected subcutaneously between the shoulder blades of recipient mice. The injected dpm was quantified from an aliquot of the foam cell suspension intended for in vivo injection by extracting [ 3 H]cholesterol with hexane:isopropanol (3:2) and measuring radioactivity by liquid scintillation counting. Blood (75 to 100 µL) was collected daily from the tail vein or retro-orbitally and centrifuged to isolate plasma. The plasma radioactivity was determined, and total plasma dpm was calculated by estimating blood volume to be equal to 7% of the body weight and plasma to be 55% of the blood volume, unless a hematocrit value was obtained, in which case the actual percentage of plasma was used in the calculations. RCT to the plasma was calculated as the percentage of dpm appearing in plasma/total dpm injected. To quantify [ 3 H]cholesterol in RBCs, typically 20 µL of whole blood was centrifuged to isolate cells. The cell pellets were carefully washed twice with PBS, [ 3 H]cholesterol was extracted with hexane:isopropanol (3:2), and the radioactivity was measured by liquid scintillation counting. The total RBC dpm was calculated by estimating blood volume to be equal to 7% of the body weight and RBC volume to be 45% of the blood volume, or the value based on the observed hematocrits. RCT to the RBC compartment was quantified as the percentage of dpm in total RBCs/injected dpm. Feces were collected daily and allowed to soften in a 50% ethanol solution. In certain experiments, feces collected daily were first dried overnight at 55°C, weighed, and then softened in 50% ethanol solution. After hydration, the feces were homogenized, and an internal recovery standard of 10 000 dpm of [14C]cholesterol (Perkin Elmer) was added to each sample. The radioactivity in a 0.3-mL aliquot of the fecal homogenate was measured by liquid scintillation counting after chemiluminescence had decayed. The [14C]cholesterol dpm was used to back calculate the [ 3 H] recovery for the entire fecal homogenate. RCT to the feces was calculated as the percentage of dpm in feces/injected dpm. We have observed that fecal RCT can be artificially high for some mice if any of the injected labeled cells leak out of the injection site and are consumed orally by the mice. Thus, any mouse with fecal RCT >2 SDs above the mean of the remaining data within each group was excluded from analysis. Fecal neutral sterols were analyzed by modification of a previously described protocol. 7 Sterols were saponified in 0.3 mL aliquots of fecal homogenates by adding 0.3 mL of ethanol and 0.4 mL of 1M NaOH. After heating at 95°C for 2 hours, neutral sterols were extracted 3× with 9 mL hexane, pooled, dried, and counted. The bottom phase was adjusted to neutral pH and counted as the bile acid fraction. Average recovery of the [14C]cholesterol internal standard in the neutral sterol fraction was 96.5±6.2%. Upon euthanization, each mouse was perfused with PBS by making an incision in the right atrium and injecting the left ventricle with 10 mL of PBS. The liver was harvested, weighed, suspended in PBS, homogenized, and 10 000 dpm of [14C]cholesterol was added as a recovery standard, with aliquot counting and RCT calculation as described above.

Plasma and RBC Cholesterol Assays

Whole blood was centrifuged at 305 x g for 5 minutes to separate the plasma from cellular compartments. For simplicity, we refer to the cellular fraction as the RBC compartment, although it also contains leukocytes and platelets. The plasma cholesterol concentration was determined using an enzymatic assay from StanBio Laboratory. The RBC fraction was carefully washed twice in PBS to remove any plasma contamination, and lipids in the cell pellet were extracted with hexane:isopropanal (3:2). After drying the solvent, lipids were dissolved in isopropanol:nonyl phenoxylpolyethoxylethanol-40 (9:1), and cholesterol was measured as previously described. 8 The concentrations of the plasma and cellular cholesterol pools were normalized to 1 dL of whole blood assuming that the cellular and plasma fractions make up 45% and 55%, respectively, of whole blood volume.

Induction of Anemia

ApoAI −/− or WT mice were anesthetized with isoflurane and bled retro-orbitally into a heparinzed capillary tube for 3 consecutive days (≈290 µL of blood per day) to induce hemorrhagic anemia. In specified studies, the blood was centrifuged to isolate the plasma, and then the plasma was reinjected retro-orbitally with a 26-gauge needle into the contralateral retro-orbital plexus while the mouse was under anesthesia. An additional 60 µL of blood was removed retro-orbitally to determine daily hematocrits. Thus, a total of ≈350 µL of blood was bled from each mouse in the anemic group daily. Control mice were anesthetized with isoflurane and then allowed to recover without bleeding. The anemic and control mice were used for RCT studies as described above.

Ex Vivo Labeling and Transfusion of RBCs

A WT mouse was bled retro-orbitally to collect 1 mL of whole blood. The blood was spun at 400ز for 15 minutes, and the plasma and buffy coat layers removed. To label RBCs, the RBC pellet was resuspended to 1 mL of PBS and incubated with 10 µCi [ 3 H]cholesterol (1% ethanol final concentration) for 10 minutes at 37°C. The RBCs were washed twice by suspension in PBS and centrifugation at 400ز for 15 minutes, resuspended into 1.5 mL PBS, and injected (100 µL per mouse) retro-orbitally into each recipient mouse while the mouse was anesthetized with isoflurane. At ≈1 minute after injection, blood was obtained from the tail vein to calculate injected radioactivity at time zero. After 48 hours, the recovery of [ 3 H] radioactivity and calculation of the percentage of the time zero dose in the plasma, RBCs, liver, and feces were performed as described above.

نتائج ومناقشة

A series of observations led us to hypothesize the existence of a novel non-HDL pathway involving RBCs that contributes to fecal RCT. First, RCT was assessed in murine models by subcutaneous injection of cholesterol-labeled foam cells and following the cholesterol radioactivity into the plasma, hepatic, and fecal compartments over 3 days. RCT was compared in apoAI −/− , WT, and human-apoAI transgenic mice, with varying levels of HDL-C (12.2±13.5, 92.9±10.5, and 135.7±12.1 mg/dL, respectively ص<0.001 by ANOVA posttest). Compared with apoAI transgenic hosts, apoAI −/− hosts had ≈18-fold less [ 3 H]cholesterol transfer to the plasma but only 2.2-fold less transfer to the feces (Figure 1A). Thus, in apoA1 −/− mice, where HDL-mediated RCT is greatly diminished, RCT to the feces was relatively preserved. Secondly, we examined the steady-state cholesterol content in whole blood and found that the plasma and RBC (including other minor cellular fractions) cholesterol pools were roughly equivalent in WT mice. However, in apoAI −/− mice, the RBC compartment had >2-fold higher cholesterol level than the plasma compartment (Figure 1B). Thirdly, we followed [ 3 H]cholesterol appearing in both the plasma and RBC compartments in an RCT study of apoAI −/− hosts. Over 4 days, we observed a trend that more of the cholesterol tracer was found in the RBC versus the plasma pool (Figure 1C), implicating a role for RBCs in RCT. Based on these initial observations, we hypothesized the existence of an alternative non-HDL pathway by which peripheral cholesterol reaches the feces, involving RBCs, the other major reservoir of cholesterol in blood.

RBCs serving as a non-HDL pathway for RCT would be especially evident in apoAI −/− mice because they carry a greater fraction of cholesterol in the RBC compartment versus the plasma compartment compared with WT mice. Thus, decreasing the quantity of RBCs in apoAI −/− mice would be expected to decrease the transfer of [ 3 H]cholesterol from foam cells to the feces. To test this hypothesis, we induced hemorrhagic anemia in apoAI −/− female mice by removing ≈0.3 mL of blood from the retro-orbital plexus for 3 consecutive days, and on the third day (day 0 of the RCT assay in Figure 2A) cholesterol-labeled macrophages were injected subcutaneously into anemic and control apoAI −/− mice. Blood was drawn from each mouse on 2 subsequent days to determine hematocrits as well as the RCT to the plasma and RBC compartments. Feces were collected daily, and perfused livers were harvested on day 2. On days 1 and 2 of the RCT study, the hematocrits of the anemic mice were significantly lower than the control mice (Figure 2A, ص& lt0.001). The decreased hematocrit of the control mice on day 2 versus day 1 was significant (ص<0.01) and reproducible in response to the diagnostic bleeding on day 1. The increase in hematocrits in the anemic mice on day 2 versus day 1 (ص<0.001) was reproducible, and presumably reflects increased erythropoiesis induced by mild hypoxia that can overcome the small blood loss due to diagnostic bleeding on day 1. RCT to the plasma pool was low in both groups and not altered by anemia on either day (Figure 2B). RCT to the RBCs was higher in the control group than the anemic group on both days (ص<0.05), reflecting the smaller RBC pool in anemic mice. The sum of the RCT to the plasma and RBC compartments, namely RCT to whole blood, was reduced by 49% on day 1 and 25% on day 2. Anemia had no statistically significant effect on RCT to the liver, although there was a trend toward lower hepatic RCT in the anemic group. Cumulatively over 2 days, RCT to the feces was reduced by 54% in the anemic mice (Figure 2B, ص<0.01). We repeated the anemia experiment in male apoAI −/− mice and observed similar effects with a 38% decrease in fecal RCT (ص<0.05) and no significant effect on hepatic RCT (data not shown). The experiment was repeated again in female apoAI −/− mice with 2 modifications: plasma removed during bleeding to induce anemia was reinjected intravenously to restore plasma protein, and dried fecal weights were determined to ensure that decreased fecal RCT in the anemic group was not due to decreased fecal output. Anemia led to a 58% decrease in RCT to the feces over 2 days (ص<0.01), no significant effect on hepatic RCT, but there was also a 33% decrease in dried fecal weight (ص<0.05), which we attribute to the observed lethargy and presumed lower food consumption in the anemic mice. After normalizing RCT to the dried fecal mass, anemia still led to a 35% decrease in RCT/g feces (ص& lt0.05). Thus, the decreased RBC pool size in anemic mice decreased RCT to the feces independent of any effects on decreased fecal output.

Our observation that anemia greatly impairs RCT to the feces without a significant effect on RCT to the liver suggests that RBCs may deliver their cholesterol to the feces by >1 route, such as the direct transintestinal cholesterol efflux pathway, 9 or that cholesterol delivered to the liver by RBCs versus HDL is handled differently in the liver. Alternatively, anemia may modestly impair RCT to the liver, but this difference may be too small to be detected without more power. To determine whether RBC cholesterol is efficiently transferred to the feces, we labeled mouse RBCs ex vivo with [ 3 H]cholesterol and transfused them into apoAI −/− mice. Radioactivity in the RBCs, plasma, liver, and feces was measured 2 days later. Only 4.5% of the injected cholesterol tracer remained in the RBC fraction, demonstrating rapid turnover of this pool, and even less (1.3%) was found in the plasma (Figure 3A). Most of the radioactivity was recovered in the liver (21.5%) and feces (32%). The observation that the feces and liver contain more of the tracer than the rest of the carcass is remarkable because it demonstrates highly robust transfer of RBC cholesterol to the liver and feces despite diminished HDL, which is thought to mediate much of the hepatobiliary RCT pathway. To determine whether the transintestinal cholesterol efflux pathway might play a prominent role in the delivery of RBC cholesterol to the feces, we compared the fraction of fecal [ 3 H]cholesterol in neutral sterols (because direct intestinal cholesterol secretion would increase the fraction in neutral sterols versus bile acids) between WT mice (where plasma and RBC cholesterol pools are similar) and apoAI −/− mice (where RBCs constitute the major blood cholesterol pool). We found that the neutral sterol 3 H fraction was 20.7±3.1% in WT mice, but only 13.0±2.4% in apoAI −/− mice (ص<0.05, Figure 3B). We observed a compensatory change for the 3 H recovered in the bile acid fraction with 80.2±2.2% in WT mice and 88.6±1.9% in apoAI −/− mice (ص<0.01). Thus, in apoAI −/− mice where the majority of the RCT [ 3 H]cholesterol pool of whole blood is in RBCs, this cholesterol is more efficiently converted into bile acids compared with WT mice, suggesting more efficient bile acid synthesis from the RBC cholesterol pool versus the HDL-C pool. Combined with the finding of robust transfer of RBC-derived cholesterol tracer to the liver, our data support the model that RBC cholesterol traffics through the liver more efficiently than HDL-C, whose uptake and metabolism are dependent on scavenger receptor class B type I trafficking. Furthermore, our data suggest that the transintestinal pathway does not play a prominent role in RCT mediated through the RBC cholesterol pool.

To determine whether anemia could modulate RCT in mice with normal HDL-C levels, we repeated the anemia study previously done on apoA1 −/− hosts, but this time in WT male mice. We induced anemia by bleeding on days −2 to 0 of the anemia time course, and the plasma recovered from whole blood was reinjected intravenously (n=7 each in the control and anemic groups), On days 1 and 2 of the RCT study, the hematocrits of the anemic mice were significantly lower than the control mice (Figure 4A, ص& lt0.001). RCT to the plasma pool in WT mice was robust, compared with apoAI −/− mice, and not altered by anemia on either day (Figure 4B). RCT to the RBCs was higher in the control group than the anemic group on both days (ص<0.001), reflecting the smaller RBC pool in anemic mice. RCT to whole blood, the sum of RCT to the plasma and RBC compartments, was reduced by 20% on day 1 and only 7% on day 2 (compared with 49% and 25% reductions on days 1 and 2, respectively, in the experiment performed in apoA1 −/− deficient hosts shown in Figure 1B), reflecting the larger proportion of RCT mediated through the plasma (lipoprotein) compartment. Anemia had no statistically significant effect on RCT to the liver. Cumulatively over 2 days, RCT to the feces was reduced by 39% in the anemic mice (Figure 4B, ص& lt0.001). However, this effect was due to the significantly lower fecal mass in the anemic group (ص<0.001), because after correction for fecal mass, there was only a nonsignificant trend with 17.4% reduced fecal RCT in the anemic group (Figure 4B). A power analysis based on these data demonstrated that we would need ≈30 mice per group to have 80% power to detect this effect at ص& lt0.05. Because mice are by nature a high HDL species, it is not surprising that anemia did not have a significant impact on total fecal RCT in WT mice over the 2-day time course. On further examination, we found that RBCs accounted for 53.4% and 59.9% of whole blood RCT in apoAI −/− mice (day 1 and day 2, respectively), while only accounting for 9.6% and 12.1% of whole blood RCT in WT mice (Figures 2B and 4B).

Here we show that the RBC cholesterol pool may play a previously unknown role in mediating RCT. We propose a model (Figure 5) in which interstitial apoAI, apoE, HDL, and low-density lipoprotein can accept or exchange foam cell cholesterol and deliver it to the blood stream. In our studies in apoAI −/− mice, we suggest that lipid-free apoE or other exchangeable apolipoproteins can pick up free cholesterol and phospholipids to form nascent HDL by interacting with ABCA1 on the foam cells. ApoE-containing HDL as well as low-density lipoprotein can also pick up or exchange with [ 3 H]cholesterol in the foam cells and carry it into the blood stream. In whole blood, the free cholesterol pool can passively equilibrate between lipoproteins and cell membranes, with RBCs providing the bulk of cell membranes. Although cholesteryl ester transfer protein is not expressed in mice, it may contribute to cholesterol ester exchange from HDL to low-density lipoprotein in humans and other species where it is expressed. When RBCs pass through the liver, they can deliver their cholesterol to sinusoidal endothelial cells which in turn can pass it to hepatocytes. Whether this step is entirely passive or may be facilitated by a transporter is unknown. Alternatively, cholesterol transfer from RBCs to hepatocytes may again be mediated via exchange to lipoproteins that can then migrate into the space of Disse and deliver cholesterol to hepatocytes. However, our finding of a smaller fraction of RCT-derived fecal neutral sterols in apoAI −/− versus WT mice supports the notion that the transfer of RBC cholesterol to hepatocytes may at least partially be independent of lipoproteins. Once in the hepatocyte, most of the RBC-derived free cholesterol is efficiently converted to bile acids, which along with the remaining free cholesterol is excreted into the bile and then into the intestine.

In a longitudinal study of 14 410 human subjects, anemia at baseline was associated with a significant hazard ratio of 1.41 for subsequent coronary vascular disease over a 6-year follow-up. 10 Although the mechanism for this association is unknown, our findings suggest that diminished RCT in anemic subjects may play a role in this association. Low HDL-C levels are common in men, and men with 35 mg/dL have HDL levels closer to those seen in apoAI −/− mice (12 mg/dL) than seen in WT mice (93 mg/dL). Thus, anemia and hematocrits should not be overlooked in ongoing clinical studies of RCT and HDL function.

شكل 1. أ, Reverse cholesterol transport (RCT) to the plasma and fecal compartments 3 days after subcutaneous injection of [ 3 H]cholesterol-labeled foam cells into apolipoprotein AI-deficient (apoAI −/− ), wild-type (WT), and apolipoprotein A-I transgenic (apoAItg) hosts, shown as the percentage of the injected radioactivity (n=5±SD *ص<0.001 vs each other by ANOVA Newman-Keuls posttest). ب, Cholesterol concentrations in plasma and RBC pools normalized to whole blood volume assuming 45% hematocrit (n=2–5±SD *ص<0.001 from each other by ANOVA posttest). ج, RCT to the plasma and red blood cell (RBC) compartments over 4 days after subcutaneous injection of [ 3 H]cholesterol-labeled foam cells into apoAI −/− hosts (n=3±SD).

الشكل 2. أ, Hematocrits of apolipoprotein AI-deficient (apoAI −/− ) mice throughout the reverse cholesterol transport (RCT) assay (n=4–5±SD *ص<0.001 vs controls by 2-tailed ر اختبار). ب, RCT to various compartments in anemic and control mice (*ص<0.05 vs control **ص<0.01 vs control). RCT to the feces is cumulative over 2 days.

الشكل 3. أ, Yields of radioactivity in various compartments 2 days after intravenous transfusion of [ 3 H]cholesterol-labeled red blood cells (RBCs) into apolipoprotein AI-deficient (apoAI −/− ) hosts (n=4±SD). ب, Percentage of fecal [ 3 H] in neutral sterols from feces collected on day 2 after subcutaneous injection of [ 3 H]cholesterol-labeled foam cells into wild-type (WT) and apoAI −/− hosts (n=3 WT and 4 apoAI −/− , ±SD *ص<0.05 vs WT).

الشكل 4. أ,Hematocrits of wild-type mice throughout the reverse cholesterol transport (RCT) assay (n=7±SD *ص<0.001 vs controls by 2-tailed ر اختبار). ب, RCT to various compartments in anemic and control mice along with fecal weight (right axis) and fecal RCT adjusted to fecal weight (***ص<0.001 vs control).

الشكل 5. Working model for the role of red blood cells (RBCs) in reverse cholesterol transport (RCT). Interstitial apolipoprotein E (apoE), apoAI, high-density lipoprotein (HDL), and low-density lipoprotein (LDL) can accept or exchange free cholesterol from foam cells and enter the blood stream. Lipoprotein-free cholesterol can then be transferred to RBC plasma membranes. RBCs transit to the liver where they can donate free cholesterol directly to sinusoidal endothelial cells that are in contact with hepatocyte projections, or can deliver cholesterol to hepatocytes indirectly through cholesterol transfer to lipoproteins that can enter the space of Disse. Illustration by David Schumick, BS, CMI. Reprinted with the permission of the Cleveland Clinic Center for Medical Art & Photography © 2012. All Rights Reserved. CETP indicates cholesteryl ester transfer protein VLDL, very low-density lipoprotein.


Diffusion and Passive Transport

Passive transport is the diffusion of substances across a membrane. This is a spontaneous process and cellular energy is not expended. Molecules will move from where the substance is more concentrated to where it is less concentrated.

Although the process is spontaneous, the rate of diffusion of different substances is affected by membrane permeability. Since cell membranes are selectively permeable (only some substances can pass), different molecules will have different rates of diffusion.

For instance, water diffuses freely across membranes, an obvious benefit for cells since water is crucial to many cellular processes. Some molecules, however, must be helped across the phospholipid bilayer of the cell membrane through a process called facilitated diffusion.


النقل النشط

Active transport is the movement of substances across the membrane in combination with a carrier protein against energy gradients: uphill. It requires an additional source of energy derived from the cell. There are two major mechanisms of active membrane transport: primary and secondary active transport.

Active transport occurs only through the lipid layer of the cell membrane where the transported substance combines with a specific carrier protein. It requires energy derived directly from the breakdown of adenosine triphosphate (ATP) or another high-energy phosphate compound (creatine phosphate). This leads to the conformational change in the carrier and it pumps the carried substance across the membrane. The most important example of a primary active transport is the sodium-potassium (Na + -K + ) pump.

Sodium-potassium (Na + -K + ) pump

It is a transport process that pumps sodium ions outward of the cell through the cell membrane and at the same time pumps potassium ions from the outside to the inside of the cell against their concentration gradient.

The concentration of K + inside the cell is 30 times higher than that outside, and the reverse is true of Na + . because Na + and K + leak slowly but continuously through leakage channels in the plasma membrane along their concentration gradient, the Na + -K + pump operates more or less continuously to drive Na + out of the cell and pump K + back into the cell, against their concentration gradient.

In Na + -K + pump, the carrier protein is a complex of two separate globular proteins: a larger one called the “a” subunit, and a smaller one, the “b” subunit. The larger protein has three specific features:

  1. It has 3 receptor sites for binding sodium ions on the surface facing the inside of the cell.
  2. It has 2 receptor sites for potassium ions on the outside surface.
  3. It has an ATPase activity.

When potassium ions bind on the outside of the carrier protein and the sodium ions bind on the inside, the ATPase function of the protein becomes activated. This then cleaves one molecule of ATP, splitting it and liberating a high-energy phosphate bond. This energy causes a conformational change in the carrier molecule and extruding the sodium ions to the outside and potassium ions to the inside.

Electrogenic nature of the Na + -K + pump

The fact that the Na + -K + pump moves three Na + ions to the exterior for every two K + ions to the interior creates positivity outside the cell and negativity on the inside (membrane potential). Na + -K + pump is said to be electrogenic because it creates an electrical potential across the cell membrane, which is a basic requirement for the functions of excitable tissues.

Importance of Na + -K + pump

  1. Na + -K + pump is responsible for maintaining the sodium & potassium concentration differences across the cell membrane.
  2. Maintenance of intracellular potassium is necessary for protein metabolism.
  3. It maintains a negative electrical voltage inside the cells.
  4. It keeps the osmotic equilibrium and controlling cell volume.

النقل النشط الثانوي

In this type of transport, there is a carrier existing in the lipid layer of the membrane, which has one site for one sodium ion and the other site may be used by one molecule of glucose, galactose or amino acids. The two sites must be occupied at the same time before the carrier can act. As in primary active transport, the molecules move against their electrochemical gradient. The energy supplied for this process comes from the movement of sodium along its electrochemical gradient.

All secondary active transport systems are coupled systems, they move more than one substance at a time. If the two transported substances are moved in the same direction, the system is a symport system (Co-transport). If the transported substances cross the membrane in opposite directions, the system is an antiport system (Counter-transport).

Co-Transport

Glucose and amino acids are transported into most cells against large concentration gradients by the co-transport mechanism. The excess sodium outside the membrane always attempts to diffuse to the interior, uses the stored energy to pull other substances along with it through the membrane. This is achieved by means of a carrier protein that serves as an attachment point for both the sodium ion and the substance to be co-transported.

Counter-transport

There are two especially important counter-transport mechanisms (transport in a direction opposite to the primary ion), they are sodium-calcium counter-transport and sodium-hydrogen counter-transport.


شاهد الفيديو: أضرار زيادة كرات الدم الحمراء. د. جودة عواد II تبسيط الطب 54 (يونيو 2022).


تعليقات:

  1. Eth

    معلومات مثيرة للاهتمام. شكرًا!

  2. Atmore

    شكرا لك! ، إلى وسادة الاقتباس!

  3. Cinneididh

    أنا لك سوف أتذكرها! وسوف تؤتي ثمارها معك!

  4. Lukas

    تم حذف السؤال

  5. Jericho

    من فضلك ، مزيد من التفاصيل

  6. Mikataxe

    أوصي لك بالبحث في google.com

  7. Reeve

    أنا مستعد لمساعدتك ، وطرح الأسئلة. معا نستطيع أن نتوصل إلى الإجابة الصحيحة.



اكتب رسالة