Нейротон. Занимательные истории о нервном импульсе

1Cell-attache, Inside-out, Whole-cell и Outside-out – четыре различные конфигурации схемы подключения patch-clamp

История биологических мембран

Любопытно, что одним из первых исследователей свойств липидов стал Бенджамин Франклин, который в 1773 году измерял площади масляных пятен на поверхности пруда, остающихся от ложки (5 мл) растекающегося оливкового масла: пятна неизменно оказывались размером ≈2000 м². Если бы любознательный сэр имел в те давние времена представление о молекулярном строении вещества, он без особого труда смог бы вычислить площадь, приходящуюся на одну молекулу (!) триглицерида олеиновой кислоты (основного компонента оливкового масла) в этом мономолекулярном пятне, и, причём, довольно точно:

где M_r – масса 1 моля триолеина, N_A – число Авогадро, S _пятна – площадь пятна, V _ложки – объем ложки, ρ _масла – плотность масла.

В результате значение площади S_мол оказалось бы примерно равным 1 нм². Следующим шагом могла быть вычислена и толщина мономолекулярного слоя, равная размеру одной молекулы триолеина, для чего достаточно разделить V_ложки на S_пятна ≈ 2,5 нм.

В более близкие нам времена Юлиуса Бернштейна, учёные только предполагали наличие у нервной клетки мембраны, не было экспериментальных доказательств существования таковой (её увидели в электронный микроскоп лишь в 1950 г.)

Но, несмотря на неопределённость, первая модель строения биологических мембран была предложена в 1902 году. Чарльз Овертон заметил, что через биологические мембраны лучше всего проникают вещества, хорошо растворимые в липидах, и на основании этого предположил, что они состоят из тонкого слоя фосфолипидов. И действительно, на поверхности раздела полярной и неполярной сред (например, воды и воздуха) молекулы фосфолипидов образуют мономолекулярный (одномолекулярный) слой. Их полярные «головы» погружены в полярную среду, а неполярные «хвосты» ориентированы в сторону неполярной.

В 1923 году Гортер и Грендел показали, что площадь монослоя липидов, выделенных из мембран эритроцитов, в два раза больше общей площади самих эритроцитов. На основе результатов этих исследований было сделано предположение, что липиды в мембране располагаются в два слоя.

Благодаря двойному фосфолипидному слою биологическая мембрана была уподоблена конденсатору, в котором слои играют роль обкладок. Это предположение использовали Кол и Кетртис в своих исследованиях электрических параметров биологических мембран в конце 1940-х. Тогда ими были вычислены и высокое электрическое сопротивление монослоя липидов – 10⁷ Ом/м², и его большая электрическая ёмкость С_уд = 10^—2 Ф/м².

Вместе с тем имелись экспериментальные данные, свидетельствовавшие, что биологическая мембрана содержит в своём составе и белковые молекулы. Например, было обнаружено, что значения коэффициента поверхностного натяжения клеточных мембран существенно ближе к коэффициенту поверхностного натяжения на границе раздела «белок – вода» (около 0,1 дин/см), нежели на границе раздела «липид – вода» (около 10 дин/см). Эти противоречия экспериментальных результатов были устранены Хью Дэвсоном и Джеймсом Даниелли, которые в 1935 году предложили так называемую «бутербродную» модель (сэндвич-модель) строения биологических мембран, которая претерпев несущественные изменения продержалась в мембранологии в течении почти сорока лет. Согласно этой модели, мембрана – трёхслойная: она образуется двумя слоями белковых молекул, с липидным бислоем посередине; образуется нечто вроде бутерброда – липиды, наподобие масла, между двумя «ломтиками» белка. Однако по мере накопления экспериментальных данных от этой модели мембранной структуры пришлось отказаться.

В 1972 году Джонатан Сингер и Гарт Николсон предложили жидкостно-мозаичную модель, объясняющую в общих чертах организацию биологических мембран. В соответствии с этой моделью, мембраны представляют собой двумерные растворы определённым образом ориентированных фосфолипидов, а белки пронизывают мембрану насквозь или погружены в неё.

Липиды в мембране находятся в жидком агрегатном состоянии, это позволяет сравнить её с фосфолипидным морем, по которому плавают «айсберги» белков. Подтверждением жидкостно-мозаичной модели является тот факт, что соотношение белков и фосфолипидов между мембранами сильно варьируется: например, количество белков в миелиновой мембране в 2,5 раза ниже, чем липидов, и, напротив, в митохондриях в 2,5 раза выше, чем липидов, тогда как согласно бутербродной модели, соотношение белков и липидов должно быть одинаковым во всех мембранах. Помимо фосфолипидов и белков, в биологических мембранах присутствуют и иные химические соединения, а количество холестерина вообще сопоставимо с количеством фосфолипидов и белков. Жидкостно-мозаичная модель строения мембраны в настоящее время общепринята.