Biological membrane lipids in norm and pathology (literature review)
https://doi.org/10.12737/article_59e8bcd3d6fcb1.49315019
Abstract
This article discusses modern ideas about the structure of biological membranes, presents their basic physicochemical properties, and describes composition and structure of phospholipids from the chemical point of view. Plasmatic membrane has unique receptor-signaling functions regulating essential cellular processes, damage to which can lead to cell death. The article introduces such features of membrane lipids and proteins as fluidity or ability to lateral shift, their permeability and phase conditions; describes the effects of cholesterol on phase transitions, fluidity, elasticity, permeability and mechanical strength of the bilayer. The paper discusses transmembrane or lateral asymmetry of lipid membranes, how it is supported, and what functions it has. Different configurations of hydrocarbon chains of fatty acids and their value are considered. Because the development of various pathological processes and conditions accompanied by molecular biological changes of cell membranes, it primarily concerns erythrocyte membrane, as they are composed of many easily-oxidized phospholipids and they come in contact with relatively high concentrations of oxygen, it is important to examine the role of erythrocyte lipid layer. The impact of various damaging factors on the tissues of cells and organs triggers the universal response as consequence of such molecular mechanisms as intensification of lipid peroxidation, activation of endogenous phospholipases and proteases, reduced activity of antioxidant defense system of the cell.
About the Authors
S. V. Mukhomedzyanova
Irkutsk Scientific Center of Surgery and Traumatology
Russian Federation
Russian Federation
Yu. I. Pivovarov
Irkutsk Scientific Center of Surgery and Traumatology
Russian Federation
Russian Federation
O. V. Bogdanova
Irkutsk Scientific Center of Surgery and Traumatology
Russian Federation
Russian Federation
L. A. Dmitrieva
Irkutsk Scientific Center of Surgery and Traumatology
Russian Federation
Russian Federation
A. A. Shulunov
Irkutsk Scientific Center of Surgery and Traumatology
Russian Federation
Russian Federation
References
1. Аристархова С.А., Бурлакова Е.Б., Гвахария В.О. Регуляторная роль взаимосвязи изменений в концентрации антиоксидантов в составе липидов клеточных мембран // Доклады Академии наук СССР. - 1976. -Т. 228, № 1. - С. 215-218
2. Боровская М.К., Кузнецова Э.Э., Горохова В.Г. Корякина Л.Б., Курильская Т.Е., Пивоваров Ю.И. Структурно-функциональная характеристика мембраны эритроцита и ее изменения при патологиях разного генеза // Бюл. ВСНЦ СО РАМН. - 2010. - № 3 (73). С. 334-354
3. Владимиров Ю.А. Биомембраны. Строение, свойства, функции // Биологические мембраны. -2002. - Т. 19, № 5. - C. 355
4. Владимиров Ю.А. Роль нарушений свойств липидного слоя мембран в развитии патологических процессов // Патологическая физиология и экспериментальная терапия. - 1989. - № 4. - С. 7-19
5. Геннис Р. Биомембраны: молекулярная структура и функции. - М.: Мир, 1997. - 624 c
6. Журавлева Т.Д., Долгов В.В., Суплотов С.Н., Киянюк Н.С. Особенности липидного состава мембран эритроцитов у здоровых людей разного возраста // Клиническая лабораторная диагностика. - 2003. -№ 5. - С. 50-52
7. Зленко Д.В., Красильников П.М. Молекулярное моделирование липидных бислойных мембран // Компьютерные исследования и моделирование. -2009. - Т. 1, № 4. - С. 423-436
8. Карпунин Д.В., Акимов С.А., Фролов В.А. Формирование пор в плоских липидных мембранах, содержащих лизолипиды и холестерин // Биологические мембраны. - 2005. - Т. 22, № 5. - С. 429-432
9. Кожевников Ю.Н. О перекисном окислении липидов в норме и при патологии // Вопросы медицинской химии. - 1985. - № 5. - С. 2-7
10. Крыжановский Г.Н., Гольдберг Е.Д. Дизрегуляционная патология системы крови. - М.: МИА, 2009. - С. 432
11. Морозова В.Т., Луговская С.А., Почтарь М.Е. Эритроциты: структура, функции, клинико-диагностическое значение // Клиническая лабораторная диагностика. - 2007. - № 10. - С. 21-35
12. Новицкий В.В., Рязанцева Н.В., Степовая Е.А. Физиология и патофизиология эритроцита. - Томск, 2004. - 202 c
13. Новицкий В.В., Рязанцева Н.В., Степовая Е.А. Молекулярные нарушения мембраны эритроцитов при патологии разного генеза являются типовой реакцией организма: контуры проблемы // Бюллетень сибирской медицины. - 2006. - № 2. - С. 62-69
14. Ноздрачев А.Д. Начало физиологии. - СПб.: Лань, 2001. - 1088 c
15. Овсепян Л.П., Зангинян А.В., Казарян Г.С. Исследование липидного спектра мембран эритроцитов и процесса перекисного окисления фосфолипидов при эхинококкозе печени // Эпидемиология и инфекционные болезни. - 2012. - № 4. - С. 21-23
16. Пивоваров Ю.И., Кузнецова Э.Э., Корякина Л.Б., Горохова В.Г., Курильская Т.Е. Реакция мембраны эритроцитов у больных стенокардией напряжения и гипертонической болезнью при кратковременной ишемии // Тромбоз, гемостаз и реология. - 2013. -№ 2 (54). - С. 39-45
17. Пивоваров Ю.И., Кузнецова Э.Э., Корякина Л.Б., Горохова В.Г., Курильская Т.Е. Роль эндогенных факторов в характере ответной реакции мембраны эритроцитов в условиях ишемической нагрузки у больных сердечно-сосудистой патологией // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. - 2015. - Т. 159, № 1. - С. 30-35
18. Пивоваров Ю.И., Курильская Т.Е., Сергеева А.С., Бабушкина И.В., Корякина Л.Б., Кузнецова Э.Э., Горохова В.Г. Характер нарушений состояния мембраны эритроцитов в зависимости от различных эндогенных факторов у больных ишемической болезнью сердца и гипертонической болезнью // Тромбоз, гемостаз и реология. - 2014. - № 1. - С. 23-30
19. Рабинович А.Л., Корнилов В.В., Балабаев Н.К. Свойства бислоев ненасыщенных фосфолипидов: влияние холестерина // Биологические мембраны. - 2007. - Т. 24, № 6. - С. 490-505
20. Рязанцева Н.В., Новицкий В.В. Типовые нарушения молекулярной организации мембраны эритроцита при соматической и психической патологии // Успехи физиологических наук. - 2004. - Т. 35, № 1. - С. 53-65
21. Рязанцева Н.В., Степовая Е.А., Ткаченко С.Б. Эритроцит при патологии: размышления у электронного микроскопа // Архив патологии. - 2004. - № 3. - С. 53-61
22. Степанов Е.А., Краснопольский Ю.М., Швец В.И. Физиологически активные липиды. - М.: Наука, 1991. - 136 c
23. Сюсин И.В., Девяткин А.А., Ревин В.В. Влияние липидов и их метаболитов на регуляцию выброса ядра из эритроцитов голубя // Журнал мембранной и клеточной биологии. - 2013. - Т. 30, № 1. - С. 1-52
24. Трофимов В.А., Киселева Р.Е., Власов А.П. Влияние изучения He-Ne лазера на липиды тромбоцитов // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. - 1999. - Т. 127, № 1. - С. 43-45
25. Трошкина Н.А., Циркин В.И., Дворянский С.А. Эритроцит: строение и функции его мембраны // Вятский медицинский вестник. - 2007. - № 2-3. - С. 32-40
26. Урнышева В.В. Взаимосвязь параметров системы регуляции перекисного окисления липидов и морфофизиологических показателей печени мышей // Журнал эволюционной биохимии и физиологии. - 2008. - Т. 44, № 4. - С. 398-402
27. Черницкий Е.А., Воробей А.В. Структура и функции эритроцитарных мембран. - Минск: Наука и техника, 1981. - 216 c
28. Шевченко О.Г. Роль холестерина в структурной организации мембран эритроцитов // Вестник Института биологии. - 2010. - № 6. - С. 10-14
29. Шевченко О.Г. Фосфолипидная компонента мембран эритроцитов в норме и патологии // Вестник Института биологии. - 2007. - № 2. - С. 2-8
30. Arashiki N.S.M., Koshino I., Kamata K., Hale J., Mohandas N., Manno S., Takakuwa Y. (2017). Maintenance and regulation of asymmetric phospholipid distribution in human erythrocyte membranes: implications for erythrocyte functions. Curr Opin in Hematol, 24 (5), 409-410
31. Baxter A.A., Poon I.K., Hulett M.D. (2017) The lure of the lipids: how defensins exploit membrane phospholipids to induce cytolysis in target cells. Cell Death Dis, 8 (3), 2712.
32. Bhuyan A.M., Cao H., Lang F. (2017) Triggering of eryptosis, the suicidal erythrocyte death by mammalian target of rapamycin (mTOR) inhibitor temsirolimus. Cell Physiol Biochem, 42 (4) 1575-1591.
33. Biswas D., Banerjee M., Sen G. (2008). Mechanism of erythrocyte death in human population exposed to arsenic through drinking water. Toxicol Appl Pharmacol, 230 (1), 57-66.
34. Bobone S., Hilsch M., Storm J., Dunsing V., Herrmann A., Chiantia S. (2017). Phosphatidylserine lateral organization influences the interaction of influenza matrix protein 1 with lipid membranes. J Virol, 91 (12). pii: e00267-17. doi: 10.1128/JVI.00267-17.
35. Bouyer G., Egée S., Thomas S.L. (2006). Three types of spontaneously active anionic channels in malaria-infected human red blood cells. Blood Cells Mol Dis, 36 (2), 248-254.
36. Daleke DL. (2003). Regulation of transbilayer plasma membrane phospholipid asymmetry. J Lipid Res, 44, 233-242.
37. Danielli J.F. (1935). Contribution to the theory of permeability of membranes for electrolytes. J Gen Physiol, 5, 495-508.
38. Degreif D., de Rond T., Bertl A., Keasling J.D., Budin I. (2017). Lipid engineering reveals regulatory roles for membrane fluidity in yeast flocculation and oxygen-limited growth. Metab Eng, 41, 46-56.
39. Demchenko A.P. (2012) Modern views on the structure and dynamics of biological membranes. Biopolimers and Cell, 28 (1), 24-38.
40. Diesen D.L., Douglas T.H., Jonathan S.S. (2008). Hypoxic vasodilation by red blood cells. Evidence for an S-nitrosothiol-based signal. Circ Res, 103, 545-553.
41. Filippov A., Oradd G., Lindblom G. (2003). The effect of cholesterol on the lateral diffusion of phospholipids in oriented bilayers. Biophys J, 84, 3079-3086.
42. Jiang N., Tan N.S., Ho B., Ding J.L. (2007). Respiratory proteingenerated reactive oxygen species as an antimicrobial strategy. Nat Immunol, 8 (10), 1114-1122.
43. Kagan V.E., Fabisiak J.P., Shvedova A.A. (2000). Oxidative signaling patthway for externalization of plasma membrane phosphatidylserine during apoptosis. FEBS Letters, 477, 1-7.
44. Kobayashi T. (1998). Lipid, lipid domains and lipid-protein interactions in endocytic membrane traffic. Semin Cell Dev Biol, 9 (5), 517-526.
45. Lindblom G., Oradd G., Filippov A. (2006). Lipid lateral diffusion in bilayers with phosphathidylcholine, sphingomeelin and cholesterol. An NMR study of dynamics and lateral phaseseparation. Chem Phys Lipids, 141, 179-184.
46. Ohvo-Rekila H., Ramstedt P., Leppimaki B. (2002). Cholesterol interaction with phospholipids in membranes. Prog Lipid Res, 41, 66-97.
47. Rodriguez-Cuenca S., Pellegrinelli V., Campbell M., Oresic M., Vidal-Puig A. (2017). Sphingolipids and glycer-ophospholipids - The "ying and yang" of lipotoxicity in metabolic diseases. Prog Lipid Res, 66, 14-29.
48. Sezgin E., Levental I., Mayor S., Eggeling C. (2017). The mystery of membrane organization: composition, regulation and roles of lipid rafts. Nat Rev Mol Cell Biol, 18 (6), 361-374.
49. Somerharju P., Virtanen J.A., Cheng K.H. (2009). The superlattice model of lateral organization of membranes and its implications on membrane lipid homeostasis. Biochim Biophys Acta, 1788, 12-23.
50. Singer S.J. (1972). The fluid mosaic model of the structure of cell membrane. Science, 175, 720-731.
51. Svetina S. (2004). The cooperative role of membrane skeleton and bilayer in the mechanical behavior of red blood cells. Bioelectrochemistry, 62, 107-113.
Review
For citations:
Mukhomedzyanova S.V., Pivovarov Yu.I., Bogdanova O.V., Dmitrieva L.A., Shulunov A.A. Biological membrane lipids in norm and pathology (literature review). Acta Biomedica Scientifica. 2017;2(5(1)):43-49. (In Russ.) https://doi.org/10.12737/article_59e8bcd3d6fcb1.49315019
Views:
1727
Email this article 
