pienoiskuva|Superhilamallin periaate, jossa kalvoon muodostuu tietyillä koostumuksilla säännöllistä rakennetta. Biologisten lipidikalvojen superhilamalli (engl. lipid superlattice model tai regular distribution model) on biologisten kalvojen, kuten solukalvojen, lipidien eli rasva-aineiden lateraalista eli kalvon tason suuntaista järjestäytymistä kuvaava biofysikaalinen malli. Mallin mukaan eri lipidilajit eivät välttämättä jakaudu nestemäisessä lipidikaksoiskerroksessa täysin satunnaisesti, vaan tietyillä tarkoin määrätyillä mooliosuuksilla ne voivat muodostaa toistuvia, superhilamaisia jakaumia. Näitä koostumuksia kutsutaan mallissa kriittisiksi mooliosuuksiksi. Arkikielellä mallia voidaan kuvata siten, että lipidijoukot muodostavat kalvoon "palikoita", joista edelleen muodostuu suurempia säännöllisiä rakenneyksiköitä.
Mallin kehitys alkoi 1980-luvulla Pentti Somerharjun, Jorma Virtasen, Paavo K. J. Kinnusen ja heidän työtoveriensa tutkimuksista. Ensimmäiset havainnot perustuivat pyreenillä merkittyjen fosfolipidien fluoresenssiin, joka muuttui odottamattoman epäjatkuvasti tietyissä lipidikoostumuksissa. Virtanen, Somerharju ja Kinnunen esittivät vuonna 1988 geometrisen mallin, jossa vähemmistökomponentin molekyylit sijoittuvat kuusikulmaisen lipidihilan säännöllisille paikoille vain tietyillä koostumuksilla.
Superhilamallia on myöhemmin sovellettu erityisesti kolesterolin ja fosfolipidien muodostamiin kalvoihin sekä fosfolipidien erilaisten pääryhmien keskinäiseen järjestäytymiseen. Mallista on myös johdettu hypoteesi, jonka mukaan kalvon fysikaalinen tila voisi osallistua homeostaasiin säätelemällä lipidien synteesiä, hajotusta, siirtymistä ja muokkausta.
Superhilamalli ei ole yleisesti hyväksytty yksityiskohtainen kuvaus kaikkien biologisten kalvojen rakenteesta. Useissa mallikalvoissa on havaittu mallin ennustamien koostumusten lähellä epäjatkuvia muutoksia, mutta alkuperäisen mallin molekyylimekanismia ja etenkin siihen liitettyä yksinkertaista vapaan energian kuvausta on myöhemmin arvosteltu. Monte Carlo -simulaatioihin, lipidien kemialliseen potentiaaliin ja tilastolliseen mekaniikkaan perustuvat myöhemmät mallit ovat säilyttäneet ajatuksen koostumuksesta riippuvista säännöllisistä lipidijakaumista mutta selittäneet niiden syntyä alkuperäistä mallia monimutkaisemmilla monihiukkasvuorovaikutuksilla.
Tausta Solukalvo ja soluelinten kalvot ovat pääasiassa lipidikaksoiskerroksia, joissa lipidit ja monet proteiinit voivat diffundoitua sivusuunnassa. Nestemosaiikkimallin perusteella kalvoa kuvataan kaksiulotteisena nesteenä, mutta nestemäisyys ei merkitse sitä, että kalvon komponentit muodostaisivat ideaalisen, täysin satunnaisen seoksen. Lipidien pääryhmien koko ja varaus, rasvahappoketjujen pituus ja tyydyttyneisyys, kolesterolin jäykkä rengasrakenne, vetysidokset sekä hydrofobiset ja sähköstaattiset vuorovaikutukset vaikuttavat siihen, millaiset naapurustot ja paikalliset rakenteet ovat termodynaamisesti edullisia.
Säännölliseen järjestäytymiseen liittyy samalla entropiakustannus, koska järjestynyt seos sisältää vähemmän mahdollisia mikroskooppisia järjestelyjä kuin satunnainen seos. Siksi superhilamainen järjestäytyminen voi olla termodynaamisesti edullista vain, jos paremmasta molekyylien pakkautumisesta tai niiden keskinäisistä vuorovaikutuksista saatava vapaan energian hyöty korvaa järjestymiseen liittyvän entropian vähenemisen.
Superhilamallissa ei näin ollen tarkoiteta sitä, että koko biologinen kalvo muuttuisi kiinteäksi kiteeksi. Lipidit säilyttävät nopean lateraalisen liikkuvuutensa, ja mahdollisen järjestyksen ajatellaan koskevan pikemminkin molekyylien keskimääräistä jakaumaa ja dynaamisia nanometriluokan alueita.
Superhilan geometrinen periaate
Kriittisten mooliosuuksien syntyä voidaan havainnollistaa yksinkertaisella kaksiulotteisella hilalla. Oletetaan, että kalvon enemmistökomponentin lipidit muodostavat keskimäärin kuusikulmaisen pakkauksen kaltaisen isäntähilan ja että vähemmistökomponentin lipidit voivat korvata osan tämän hilan paikoista. Jos vähemmistölipidit sijoittuvat täysin satunnaisesti, niiden keskinäiset etäisyydet ja paikalliset molekyyliympäristöt vaihtelevat. Tietyillä koostumuksilla vähemmistölipidit voidaan sen sijaan sijoittaa hilan keskenään samanarvoisille paikoille siten, että muodostuu säännöllisesti toistuva suurempi rakenneyksikkö eli superhila.
Tällöin superhilan geometria määrää samalla vähemmistökomponentin mooliosuuden. Jos esimerkiksi toistuva rakenneyksikkö sisältää neljä lipidipaikkaa, joista yksi kuuluu vähemmistökomponentille, tämän osuus on eli 25 %. Jos vastaava yksikkö sisältää kolme paikkaa, joista yksi kuuluu vähemmistökomponentille, osuus on eli noin 33,3 %. Näillä koostumuksilla kaikki vähemmistölipidit voidaan periaatteessa sijoittaa samanlaiseen geometriseen ympäristöön ja tasaisin välimatkoin toisistaan. Tästä syystä superhilamalli ennustaa joukon diskreettejä eli toisistaan erillisiä kriittisiä mooliosuuksia jatkuvan koostumusalueen sijasta.
Kun kalvon koostumus sijaitsee kahden tällaisen kriittisen mooliosuuden välissä, kaikkia vähemmistökomponentin molekyylejä ei voida sijoittaa saman säännöllisen superhilan keskenään vastaaville paikoille. Osa molekyyleistä joutuu tällöin geometrisesti epäedullisempiin ympäristöihin, tai kalvoon voi muodostua pakkautumisvirheitä sekä eri tavoin järjestyneitä alueita. Kalvon ei siten tarvitse siirtyä yhtenä kokonaisuutena äkillisesti superhilasta toiseen, vaan eri järjestysten muodostamia dynaamisia domeeneja ja epäsäännöllisempiä alueita voi esiintyä samanaikaisesti. Koostumuksen lähestyessä kriittistä mooliosuutta kyseistä superhilajärjestystä vastaavan rakenteen osuus voi kasvaa.
Pelkkä geometria osoittaa kuitenkin vain, millä koostumuksilla säännöllinen jakauma on mahdollinen; se ei yksin osoita, että tällainen rakenne olisi termodynaamisesti suotuisin. Alkuperäisessä kolesterolin superhilamallissa säännöllisen etäisyyden oletettiin vähentävän kolesterolin aiheuttamia pakkautumishäiriöitä ympäröivässä fosfolipidikalvossa. Myöhemmissä malleissa säännöllisten jakaumien fysikaalista perustaa on selitetty muun muassa kolesterolin hydrofobisen pinnan suojaamisella, monihiukkasvuorovaikutuksilla sekä kolesteroli–fosfolipidiklustereiden muodostumisella. Näin ollen kriittinen mooliosuus tarkoittaa ensisijaisesti koostumusta, jolla tietty säännöllinen lateraalinen järjestys on geometrisesti mahdollinen, kun taas se, kuinka voimakkaasti kyseistä järjestystä todellisessa kalvossa suositaan, riippuu lipidien molekyylivuorovaikutuksista ja termodynamiikasta.
Miksi järjestystä suositaan kriittisillä mooliosuuksilla?
Kriittinen mooliosuus ei pakota lipidejä muodostamaan superhilaa. Myös täysin satunnainen jakauma on mahdollinen samalla kokonaiskoostumuksella. Superhilamallin mukaan tietty koostumus on erityinen siksi, että juuri sillä mooliosuudella vähemmistökomponentin molekyylit voidaan sijoittaa keskenään samanarvoisille hilapaikoille siten, että niiden keskinäiset etäisyydet ja paikalliset molekyyliympäristöt toistuvat säännöllisesti. Tällainen järjestys voi pienentää kalvon molekyylivuorovaikutuksiin ja pakkautumiseen liittyvää energiaa verrattuna satunnaiseen jakaumaan.
Järjestyneen tilan muodostuminen määräytyy kuitenkin vapaan energian perusteella. Yksinkertaistetusti
,
missä kuvaa molekyylien vuorovaikutuksiin ja pakkautumiseen liittyvää energiaa, lämpötilaa ja entropiaa. Satunnaisella lipidijakaumalla on suuri konfiguraatioentropia, koska sama kokonaiskoostumus voidaan toteuttaa hyvin monella tavalla. Järjestynyt superhila puolestaan sisältää vähemmän mahdollisia mikroskooppisia järjestyksiä ja on siten entropian kannalta epäedullisempi. Superhilamainen järjestys voi siis muodostua vain, jos säännöllisestä pakkautumisesta saatava energinen hyöty on riittävän suuri korvaamaan järjestymisestä aiheutuvan entropiahaitan.
Tätä periaatetta voidaan havainnollistaa pyreenillä merkityillä fosfolipideillä, joita käytettiin varhaisissa superhilatutkimuksissa. Pyreeniryhmä on tavallista lipidin hiilivetyketjua kookkaampi ja voi siksi häiritä ympäröivän lipidikaksoiskerroksen pakkautumista. Jos pyreenilipidit jakautuvat satunnaisesti, osa niistä voi joutua hyvin lähelle toisiaan ja osa kauas toisistaan, jolloin paikalliset pakkautumishäiriöt vaihtelevat. Tietyllä kriittisellä mooliosuudella pyreenilipidit voidaan sen sijaan sijoittaa keskimäärin tasaisin välimatkoin, jolloin niiden aiheuttamat paikalliset häiriöt voivat jakautua kalvoon mahdollisimman säännöllisesti.
Kun koostumus poikkeaa hieman kriittisestä arvosta, täydellisesti samanlaista toistuvaa rakennetta ei enää voida muodostaa koko näytteeseen. Jos esimerkiksi tietty superhila vastaa 25 mooliprosentin vähemmistökomponenttia, 26 prosentin koostumuksessa ylimääräiset molekyylit eivät mahdu kaikki saman superhilan vastaaville paikoille. Tällöin rakenteeseen on muodostuttava esimerkiksi ylimääräisiä molekyylejä, tyhjiä paikkoja, erilaisia paikallisia järjestyksiä tai järjestyneiden ja epäjärjestyneiden alueiden sekoitus. Vastaavasti kriittisen mooliosuuden alapuolella täydellisestä rakenteesta puuttuu molekyylejä. Tämän vuoksi säännöllisen järjestyksen osuus voi saavuttaa paikallisen maksimin juuri tietyllä koostumuksella.
Pyreenifosfolipidikokeissa järjestäytymistä arvioitiin fluoresenssin avulla. Kun kaksi pyreeniryhmää joutuu riittävän lähelle toisiaan, ne voivat muodostaa viritystilassa eksimeerin. Eksimeerin ja monomeerin fluoresenssien suhde (E/M-suhde) riippuu siten siitä, kuinka usein pyreeniryhmät kohtaavat toisensa kalvossa. Useissa tutkimuksissa E/M-suhteessa havaittiin poikkeamia tai minimejä juuri sellaisilla pyreenilipidien mooliosuuksilla, joilla superhilamalli ennusti erityisen säännöllisen jakauman. Tulkinnan mukaan pyreeniryhmien tasaisempi erottuminen vähensi niiden lähikontakteja ja siten eksimeerien muodostumista.
Geometrinen superhilamalli kertoo näin ensisijaisesti, millä koostumuksilla säännöllinen jakauma on mahdollinen. Se ei yksin määrää, kuinka suuri järjestäytymisen termodynaaminen hyöty on. Myöhemmät tutkimukset ovat osoittaneet, että erityisesti kolesterolia sisältävissä kalvoissa yksinkertainen kahden molekyylin välinen hylkiminen ei riitä selittämään kaikkia havaittuja kriittisiä koostumuksia, vaan järjestäytymiseen osallistuu todennäköisesti usean molekyylin yhteisvaikutuksia, pakkautumista ja muita kalvon fysikaalisia vuorovaikutuksia.
Superhilamallin perusajatus voidaan siksi tiivistää siten, että kriittinen mooliosuus tekee mahdolliseksi erityisen säännöllisen rakenteen, mutta molekyylien väliset vuorovaikutukset ja entropia ratkaisevat, kuinka voimakkaasti tätä rakennetta todellisessa kalvossa suositaan.
Mallin synty
Pyreenifosfolipidit Somerharjun ryhmä havaitsi vuonna 1985, että pyreenillä merkittyjen fosfolipidien fluoresenssi ei muuttunut tasaisesti niiden mooliosuuden mukana. Pyreeniryhmien väliseen läheisyyteen perustuva eksimeeri–monomeeri-fluoresenssisuhde osoitti poikkeamia tietyissä koostumuksissa. Havainnot tulkittiin merkiksi siitä, että pyreenillä merkityt lipidit saattoivat jakautua nestemäisessä fosfatidyylikoliinikalvossa säännöllisemmin kuin satunnaisessa seoksessa.
Virtanen, Somerharju ja Kinnunen muotoilivat vuonna 1988 geometrisen superhilamallin. Mallissa lipidiketjujen muodostama perusrakenne oletettiin kuusikulmaiseksi hilaksi. Kun kalvoon lisätään kooltaan tai muodoltaan poikkeavaa niin sanottua vieraskomponenttia, säännöllinen jakauma voidaan muodostaa vain sellaisilla mooliosuuksilla, joilla vierasmolekyylien paikat täyttävät hilan translaatio- ja kiertosymmetrian ehdot.
Tang ja Chong havaitsivat vuonna 1992 pyreenifosfolipidi–DMPC-seoksissa sarjan fluoresenssiminimejä, joiden sijainnit vastasivat suurelta osin mallin ennustamia kriittisiä mooliosuuksia. He laajensivat alkuperäistä mallia siten, että sekä vähemmistö- että enemmistökomponentti voivat muodostaa säännöllisiä jakaumia eri koostumusalueilla.