pothesis that functional cell membr

pothesis that functional cell membranes
have a long-range mosaic structure with
the lipids constituting the matrix, as is
shown in Fig. 3. Supporting evidence is
discussed later. At this point, let us
consider some of the consequences of
this hypothesis.
1) There should generally be no longrange
order in a mosaic membrane with
a lipid matrix. By long range, we mean
over distances of the order of a few
tenths of a micrometer and greater.
Suppose we have a membrane preparation
containing many different protein
species, and suppose further that 10,000
molecules of protein A are present in
the membrane of a single cell or organelle.
How is protein A distributed
over the membrane surface? If the
membrane proteins formed the matrix
of the mosaic, defined by specific contacts
between the molecules of different
integral proteins, protein A might be
distributed in a highly ordered, twodimensional
array on the surface. On
the other hand, if lipid formed the
matrix of the mosaic, there would be no
long-range interactions intrinsic to the
membrane influencing the distribution
of A molecules, and they should therefore
be distributed in an aperiodic random
arrangement on the membrane
surface.
The absence of long-range order
should not be taken to imply an absence
of short-range order in the membrane.
It is very likely that such shortrange
order does exist, as, for example,
among at least some components of the
electron transport chain in the mitochondrial
inner membrane. Such shortrange
order is probably mediated by
specific protein (and perhaps proteinlipid)
interactions leading to the formation
of stoichiometrically defined aggregates
within the membrane. However,
in a mosaic membrane with a
lipid matrix, the long-range distribution
of such aggregates would be expected
to be random over the entire
surface of the membrane.
The objection may immediately be
raised that long-range order clearly
exists in certain cases where differentiated
structures (for example, synapses)
are found within a membrane. We suggest,
in such special cases, either that
short-range specific interactions among
integral proteins result in the formation
of an unusually large two-dimensional
aggregate or that some agent extrinsic
to the membrane (either inside or outside
the cell) interacts multiply with
specific integral proteins to produce a
clustering of those proteins in a limited
724
area of the membrane surface. In
other words, we suggest that long-range
random arrangements in membranes are
the norm; wherever nonrandom distributions
are found, mechanisms must
exist which are responsible for them.
2) It has been shown that, under
physiological conditions, the lipids of
functional cell membranes are in a
fluid rather than a crystalline state.
(This is not true of myelin, however.)
This evidence comes from a variety of
sources, such as spin-labeling experiments
(25), x-ray diffraction studies
(18), and differential calorimetry (16,
17). If a membrane consisted of integral
proteins dispersed in a fluid lipid matrix,
the membrane would in effect be a twodimensional
liquid-like solution of monomeric
or aggregated integral proteins
(or lipoproteins) dissolved in the lipid
bilayer. The mosaic structure would be
a dynamic rather than a static one. The
integral proteins would be expected to
undergo translational diffusion within
the membrane, at rates determined in
part by the effective viscosity of the
lipid, unless they were tied down by
some specific interactions intrinsic or
extrinsic to the membrane. However,
because of their amphipathic structures,
the integral proteins would maintain
their molecular orientation and their
degree of intercalation in the membrane
while undergoing translational diffusion
in the plane of the membrane (as discussed
below).
In contrast, if the matrix of the mosaic
were constituted of integral proteins,
the long-range structure of the
membrane would be essentially static.
Large energies of activation would be
required for a protein component to
diffuse in the plane of the membrane
from one region to a distant one because
of the many noncovalent bonds
between the proteins that would have
to be simultaneously broken for exchange
to take place. Therefore, a
mosaic membrane with a protein matrix
should make for a relatively rigid
structure with essentially no translational
diffusion of its protein components
within the membrane.
From the discussion in this and the
previous section, it is clear that the
fluid mosaic model suggests a set of
structural properties for functional
membranes at least some of which can
be tested experimentally. In an earlier
article (1), a large body of experimental
evidence was examined for its relevance
to models of membrane structure.
It was concluded that a mosaic structure
was most consistent with the available
evidence. Some more recent results,
however, bear even more directly
on the problem, and only this evidence
is discussed below.
Some Recent Experimental Evidence
Evidence for proteins embedded in
membranes. One proposal of the fluid
mosaic model is that an integral protein
is a globular molecule having a
significant fraction of its volume embedded
in the membrane. The results
of recent freeze-etching experiments
with membranes strongly suggest that a
substantial amount of protein is deeply
embedded in many functional membranes.
In this technique (26) a frozen
specimen is fractured with a microtome
knife; some of the frozen water is sublimed
(etched) from the fractured surface
if desired; the surface is then
shadow cast with metal, and the surface
replica is examined in the electron microscope.
By this method the topography
of the cleaved surface is revealed.
A characteristic feature of the
exposed surface of most functional
membranes examined by this technique,
including plasmalemmal, vacuolar, nuclear,
chloroplast, mitochondrial, and
bacterial membranes (27, 28), is a
mosaic-like structure consisting of a
smooth matrix interrupted by a large
number of particles. These particles
have a fairly characteristic uniform
size for a particular membrane, for
example, about 85-A diameter for erythrocyte
membranes. Such surfaces result
from the cleavage of a membrane
along its interior hydrophobic face
(29). This interior face (Fig. 2) corresponds
to the plane indicated by the
arrow. If cleavage were to occur
smoothly between the two layers of
phospholipid in the bilayer regions, but
were to circumvent the protein molecules
penetrating the mid-plane of the
membrane, then the alternating smooth
and particulate regions observed on the
freeze-etch surfaces can be readily explained
by a mosaic structure for the
membrane (Fig. 2), provided that the
particles can be shown to be protein
in nature. That the particles are indeed
protein has been suggested by recent
experiments (30).
Another consequence of the mosaic
model, suggested from its inception
(3), is that certain integral proteins possessing
the appropriate size and structure
may span the entire thickness of
the membrane and be exposed at both
membrane surfaces. Chemical evidence
SCIENCE, VOL. 175

Hasil (Bahasa Indonesia) 1:

pothesis bahwa membran sel fungsional
memiliki struktur mosaik jarak jauh dengan
lipid merupakan matriks, seperti
yang ditunjukkan pada gambar. 3. bukti pendukung adalah
dibahas kemudian. pada saat ini, mari kita
mempertimbangkan beberapa konsekuensi
hipotesis ini.
1) ada umumnya harus ada longrange
urutan membran mosaik dengan
matriks lipid. dengan jarak jauh, kita berarti
lebih dari jarak urutan dari persepuluh
beberapa mikrometer dan lebih besar.
misalkan kita memiliki persiapan membran
mengandung banyak protein yang berbeda
spesies, dan misalkan lebih lanjut bahwa 10.000
molekul protein yang hadir dalam
membran tunggal sel atau organel.
bagaimana protein
didistribusikan ke permukaan membran? jika protein membran

membentuk matriks mosaik,didefinisikan oleh kontak tertentu
antara molekul protein yang berbeda
integral, protein mungkin
didistribusikan dalam sangat memerintahkan, dua dimensi
array pada permukaan.
di sisi lain, jika lipid membentuk
matriks mosaik, tidak akan ada
interaksi jarak jauh intrinsik membran

mempengaruhi distribusi suatu molekul, dan oleh karena itu mereka harus
didistribusikan dalam susunan
aperiodik acak pada membran
permukaan.
adanya tatanan rentang-jauh
tidak harus diambil untuk menyiratkan adanya
pesanan jarak pendek dalam membran.
sangat mungkin bahwa shortrange tersebut
Agar tidak ada, seperti, misalnya,
di antara setidaknya beberapa komponen
rantai transpor elektron dalam mitokondria
membran dalam. shortrange seperti
order mungkin dimediasi oleh
protein spesifik (dan mungkin proteinlipid)
interaksi yang mengarah pada
pembentukan agregat didefinisikan stoikiometri
dalam membran. Namun,
dalam membran mosaik dengan matriks lipid
,
distribusi yang jangka panjang agregat tersebut akan diharapkan
menjadi acak di atas permukaan
seluruh membran.
keberatan mungkin segera
mengangkat bahwa perintah jangka panjang jelas
ada dalam kasus-kasus tertentu di mana dibedakan
struktur (misalnya, sinapsis)
ditemukan dalam membran. kami sarankan,
dalam kasus khusus seperti, baik itu
interaksi spesifik jarak pendek antara
terpisahkan protein mengakibatkan
pembentukan biasa besar dua dimensi
agregat atau bahwa beberapa agen
ekstrinsik membran (baik di dalam atau di luar
sel) berinteraksi kalikan dengan
protein integral tertentu untuk menghasilkan pengelompokan
protein-protein secara terbatas

724 daerah permukaan membran. di
kata lain, kami menyarankan jangka panjang
pengaturan acak dalam membran
norma; dimanapun distribusi nonrandom
ditemukan, mekanisme harus
ada yang bertanggung jawab untuk mereka
2) telah menunjukkan bahwa, di bawah
fisiologis. kondisi,lipid dari membran sel
fungsional berada dalam cairan
daripada keadaan kristal.
(ini tidak benar mielin, namun.)
bukti ini berasal dari berbagai sumber
, seperti eksperimen spin-label
(25 ), studi difraksi sinar-x
(18), dan kalorimetri diferensial (16
17). jika membran terdiri dari protein
terpisahkan tersebar dalam matriks lipid cairan,
membran akan berlaku menjadi solusi dua dimensi
cairan-seperti
monomer atau protein integral agregat
(atau lipoprotein) dilarutkan dalam lipid bilayer
. struktur mosaik akan
daripada satu statis dinamis. protein terpisahkan
akan diharapkan untuk menjalani difusi

translasi dalam membran, dengan tarif ditentukan
sebagian oleh viskositas efektif dari lipid
,kecuali mereka terikat oleh
beberapa interaksi spesifik intrinsik atau ekstrinsik
pada membran. Namun,
karena struktur amphipathic mereka,
protein terpisahkan akan mempertahankan
orientasi molekul dan derajat
mereka interkalasi dalam membran

saat menjalani difusi translasi pada bidang membran (seperti dibahas
di bawah).
kontras , jika matriks mosaik
yang merupakan protein integral,
struktur jangka panjang dari membran
akan dasarnya statis.
energi besar aktivasi akan
diperlukan untuk komponen protein
difus pada bidang membran
dari satu daerah ke daerah yang jauh satu karena
dari banyak obligasi noncovalent
antara protein yang akan memiliki
untuk secara bersamaan rusak untuk pertukaran
berlangsung. Oleh karena itu,
amosaik membran dengan protein matriks
harus membuat struktur
relatif kaku dengan dasarnya tidak ada
difusi translasi komponen protein dalam membran
.
dari diskusi ini dan bagian
sebelumnya, jelas bahwa mosaik fluida
Model menunjukkan satu set
sifat struktural untuk membran
fungsional setidaknya beberapa di antaranya dapat
diuji secara eksperimental.dalam artikel sebelumnya
(1), tubuh besar bukti eksperimental

diperiksa untuk relevansinya dengan model struktur membran.
disimpulkan bahwa struktur
mosaik adalah yang paling konsisten dengan bukti
tersedia. beberapa hasil lebih baru,
bagaimanapun, menanggung lebih langsung
pada masalah, dan hanya bukti ini
dibahas di bawah ini.
beberapa bukti eksperimental baru-baru
bukti untuk protein tertanam dalam membran
. satu proposal dari cairan
Model mosaik adalah bahwa
protein terpisahkan adalah molekul bulat memiliki fraksi yang signifikan

volume tertanam dalam membran. hasil
eksperimen freeze-etsa baru
dengan membran sangat menyarankan bahwa sejumlah besar protein

secara mendalam tertanam dalam banyak membran fungsional.
dalam teknik ini (26) a
spesimen beku retak dengan mikrotom
pisau, beberapa dari air beku sublimasi
(terukir) dari permukaan retak
jika diinginkan; permukaan kemudian
bayangan dengan logam, dan permukaan
replika diperiksa di mikroskop elektron.
oleh metode ini
topografi permukaan dibelah terungkap.
fitur karakteristik
terkena permukaan yang paling membran
fungsional diperiksa oleh teknik ini,
termasuk plasmalemmal, vakuolar, nuklir,
kloroplas, mitokondria, dan
membran bakteri (27, 28), adalah mosaik seperti struktur

terdiri dari matriks halus terganggu oleh sejumlah besar partikel
. partikel ini
memiliki seragam yang cukup karakteristik
ukuran untuk membran tertentu, misalnya
,sekitar 85-diameter untuk membran eritrosit
. permukaan seperti hasil
dari pembelahan membran
sepanjang hidrofobik wajah interior
(29). wajah interior (gbr. 2) sesuai
dengan bidang yang ditunjukkan oleh panah
. jika pembelahan yang terjadi
lancar antara dua lapisan
fosfolipid di daerah bilayer, tapi
adalah untuk menghindari molekul protein
menembus pertengahan pesawat dari
membran, maka
halus bergantian dan partikulat daerah diamati pada permukaan
beku-etch dapat segera dijelaskan
oleh struktur mosaik untuk membran
(gbr. 2), dengan ketentuan bahwa partikel
dapat terbukti
protein dalam alam. bahwa partikel memang
protein telah disarankan oleh percobaan
baru (30).
lain konsekuensi dari mosaik
Model, disarankan dari awal
(3),adalah bahwa protein integral tertentu memiliki
ukuran yang sesuai dan struktur
dapat span seluruh ketebalan
membran dan terkena pada kedua permukaan membran
. bukti kimia
sains, vol. 175

Hasil (Bahasa Indonesia) 2:

pothesis yang fungsional sel membran
memiliki struktur mosaik jangka panjang dengan
lipid merupakan matriks, seperti
ditampilkan dalam Fig. 3. Pendukung bukti
dibahas kemudian. At this Point, marilah kita
mempertimbangkan beberapa konsekuensi dari
hipotesis ini.
1) umumnya harus ada jarak jauhnya
urutan mosaik membran dengan
matriks lipid. Dengan jarak jauh, berarti
jarak dari beberapa
persepuluh micrometer dan lebih besar.
Misalkan kita memiliki persiapan membran
yang mengandung banyak protein yang berbeda
spesies, dan rasa lebih lanjut bahwa 10, 000
molekul protein A hadir dalam
membran sel tunggal atau organel.
Bagaimana adalah protein A didistribusikan
atas permukaan membrane? Jika
membran protein membentuk matriks
mosaik, didefinisikan oleh kontak tertentu
antara molekul berbeda
integral protein, protein A mungkin
didistribusikan di twodimensional sangat memerintahkan,
array pada permukaan. Pada
sisi lain, jika lipid membentuk
matriks mosaik, akan ada tidak
jangka panjang interaksi intrinsik
membran yang mempengaruhi distribusi
a molekul, dan mereka harus karena itu
didistribusikan di aperiodic acak
pengaturan pada membrane
permukaan.
ketiadaan urutan jangka panjang
tidak harus diambil untuk menyiratkan adanya
Orde jangka pendek dalam membran
itu adalah sangat kemungkinan bahwa shortrange seperti
urutan memang ada, seperti, misalnya,
antara setidaknya beberapa komponen dari
pengangkutan elektron rantai di mitokondria
membran batin. Shortrange seperti
order mungkin dimediasi oleh
spesifik protein (dan mungkin proteinlipid)
interaksi menuju pembentukan
dari agregat stoichiometrically didefinisikan
dalam membran. Namun,
dalam suatu membran mosaik dengan
lipid matrix, distribusi jangka panjang
dari agregat tersebut akan diharapkan
menjadi acak atas seluruh
permukaan membrane.
keberatan segera mungkin
mengangkat urutan jangka panjang itu jelas
ada dalam kasus tertentu mana dibedakan
struktur (misalnya, sinapsis)
ditemukan di dalam membran. Kami sarankan,
dalam kasus khusus tersebut, entah itu
jangka pendek tertentu interaksi antara
integral protein mengakibatkan pembentukan
dari luar biasa besar dua-dimensi
agregat atau bahwa beberapa agen ekstrinsik
dengan membran (baik di dalam atau di luar
sel) berinteraksi kalikan dengan
protein integral yang spesifik untuk menghasilkan
clustering-protein yang terbatas
724
luas permukaan membrane. Di
kata-kata lain, kami sarankan bahwa kisaran panjang
acak pengaturan dalam membran
norma; dimanapun distribusi acak
ditemukan, mekanisme harus
ada yang bertanggung jawab mereka.
2) telah menunjukkan bahwa, di bawah
kondisi fisiologis, lipid dari
fungsional membran sel di
cairan daripada negara kristalin.
(This is not true of myelin, however.)
Bukti ini datang dari berbagai
sumber, experiments
(25) spin-pelabelan, Difraksi sinar x studies
(18) dan diferensial kalorimetri (16,
17). Jika membran terdiri dari integral
tersebar dalam matriks lipid cairan, protein
membran berlaku akan twodimensional
larutan cairan seperti monomeric
atau dikumpulkan integral protein
(or lipoproteins) dilarutkan dalam lipid
bilayer. Struktur mosaik akan
dinamis daripada yang statis.
Protein integral akan diharapkan untuk
menjalani translational difusi dalam
membran, harga yang ditentukan dalam
bagian oleh viskositas efektif
lipid, kecuali mereka sedang terikat oleh
beberapa interaksi tertentu yang intrinsik atau
ekstrinsik dengan membran. Namun,
karena struktur amphipathic mereka,
protein integral akan mempertahankan
orientasi molekul mereka dan mereka
tingkat interkalasi dalam membran
saat menjalani translational difusi
dalam pesawat membran (seperti dibahas
di bawah).
sebaliknya, jika matriks mosaik
yang merupakan bagian integral protein,
struktur jangka panjang
membran akan pada dasarnya statis.
besar energi aktivasi akan
diperlukan untuk komponen protein untuk
menyebar di bidang membran
dari satu daerah ke yang jauh karena
dari banyak ikatan non kovalen
antara protein yang akan memiliki
untuk dilanggar secara bersamaan untuk pertukaran
untuk mengambil tempat. Oleh karena itu,
mosaik membran dengan matriks protein
harus membuat untuk relatif kaku
struktur yang pada dasarnya tidak translational
difusi komponen protein
dalam membran.
dari diskusi ini dan
bagian sebelumnya, itu adalah jelas bahwa
cairan mosaik model menunjukkan satu set
properti struktural fungsional
membran di paling tidak beberapa diantaranya dapat
diuji secara eksperimental. Di awal
artikel (1), tubuh besar eksperimental
bukti diteliti untuk relevansinya
model membran struktur.
itu menyimpulkan bahwa struktur mosaik
paling konsisten dengan yang tersedia
bukti. Beberapa hasil yang lebih baru,
namun, menanggung bahkan lebih langsung
pada masalah, dan hanya bukti ini
dibahas di bawah ini.
beberapa bukti eksperimental baru
Bukti untuk protein tertanam dalam
membran. Satu usulan cairan
mosaik model adalah bahwa protein integral
adalah molekul bulat memiliki
signifikan fraksi volume tertanam
dalam membran. Hasil
hari percobaan freeze-etching
dengan membran sangat menyarankan bahwa
substansial jumlah protein secara mendalam
tertanam di banyak membran fungsional.
Dalam teknik ini (26) beku
spesimen retak dengan microtome
pisau; beberapa air beku adalah sublimed
(etched) dari permukaan retak
jika diinginkan; permukaan ini kemudian
shadow pemain dengan logam, dan permukaan
replika dikaji dalam mikroskop elektron
dengan metode ini topografi
permukaan cacad terungkap.
sebuah fitur Karakteristik dari
permukaan terkena paling fungsional
membran diperiksa dengan teknik ini,
termasuk plasmalemmal, vacuolar Opak, nuklir,
kloroplas, mitokondria, dan
adalah bakteri membran (27, 28),
mosaik-seperti struktur yang terdiri dari
halus matriks terganggu oleh besar
jumlah partikel. Partikel-partikel ini
memiliki seragam cukup karakteristik
ukuran untuk membran tertentu, untuk
contoh, tentang 85-A diameter untuk eritrosit
membran. Hasil permukaan tersebut
dari pembelahan membran
sepanjang face
(29) hidrofobik yang interior. Wajah interior ini (Fig. 2) sesuai
ke pesawat yang ditunjukkan oleh
panah. Jika pembelahan terjadi
lancar antara dua lapis
fosfolipid di daerah bilayer, tapi
untuk menghindari molekul protein
menembus bidang pertengahan
membran, kemudian halus bergantian
dan partikulat daerah yang diamati pada
etch membekukan permukaan dapat mudah dijelaskan
oleh mosaik struktur untuk
membran (Fig. 2), asalkan
partikel dapat ditampilkan untuk protein
di alam. Partikel yang memang
protein telah diusulkan oleh hari
percobaan (30).
konsekuensi lain dari mosaik
model, diusulkan dari inception
(3) nya, adalah bahwa protein integral tertentu memiliki
sesuai ukuran dan struktur
dapat menjangkau seluruh ketebalan
membran dan terkena baik
membran permukaan. Kimia bukti
ilmu, VOL. 175