Модели биологических мембран

Первоначальные представления о существовании мембран опирались на физиологические исследования. Первые указания на лимитирующие диффузию свойства клеточной поверхности были получены в середине XIX века К.В.Нагели. Он отметил, что клеточная поверхность является барьером для свободной диффузии красителей внутрь клетки из внеклеточной жидкости. Кроме того, Нагели обнаружил, что клетки проявляют осмотические свойства. На основании этих наблюдений он предположил, что существует некая плазматическая мембрана.

Используя эритроциты в качестве осмометра, Э. Овертон в конце XIX века выявил тесную взаимосвязь между растворимостью вещества в липидах и его способностью проникать в клетку: чем больше эта растворимость, тем меньший осмотический эффект оказывает вещество. Эти данные явились первым свидетельством того, что мембраны содержат большое количество липидов.

Морфологические данные о существовании клеточной мембраны были получены только после разработки методов приготовления ультратонких срезов тканей, фиксированных химическими методами для проведения электронно-микроскопических исследований. Тонкая структура мембран была исследована с помощью метода замораживания – скалывания.

Первыми авторами, которые предложили модель структурной организации мембраны, были Э. Гортер и Ф. Грендель (1925).

Они экстрагировали липиды из теней эритроцитов и приготовляли из них мономолекулярную плёнку на поверхности воды. Амфифильные молекулы липидов распределялись таким образом, что их полярные головки были погружены в воду, а неполярные хвосты торчали наружу. Пленку диспергированных молекул на поверхности воды аккуратно сжимали в латеральном направлении и измеряли силу сжатия. Резкое возрастание этой силы происходило в момент формирования компактного монослоя. Оказалось, что площадь, занимаемая монослоем, в 2 раза превышала поверхность эритроцитов, взятых для экстракции. Именно это послужило основанием для создания Э. Гортером и Ф. Гренделем концепции липидного бислоя, которая впоследствии легла в основу всех дальнейших представлений о структуре мембран.

Измерение поверхностного натяжения липидного бислоя показало, что оно гораздо больше, чем в мембране эритроцитов, и снижается при добавлении в бислой белков. На основании этих данных в 1931 г. Дж. Ф. Даниэлли предложил модель «сэндвича», или унитарную мембранную модель. По его представлению, белки покрывают обе поверхности липидного бислоя, связываясь с ним электростатическими силами. Из расчётов выходило, что белки находятся на мембране в фибриллярной форме. Этой модели неплохо соответствует миелин – мембрана леммоцитов.

Робертсон несколько модифицировал модель Даниэлли (1964), предположив, что глобулярные белки находятся на внешней стороне мембраны, а фибриллярные белки – на внутренней.

Однако с термодинамической точки зрения маловероятно, что белок может успешно конкурировать с водой за полярные головки липидных молекул и что слой белка смог бы экранировать их от водного окружения. Современные методы исследования окончательно опровергли «бутербродную модель» мембраны.

На сегодняшний день общепризнанной является «мозаичная» модель мембраны, предложенная в 1972 г. С. Сингером и Г. Николсоном. Основанием для создания жидкостно-мозаичной модели мембраны послужили данные следующих исследований. Оптические наблюдения показали, что мембранные белки имеют глобулярную структуру.

Было установлено, что некоторые белковые молекулы свободно диффундируют в латеральном направлении, т.е. в плоскости мембраны. Исследования с использованием изотопов и др. показали, что белковые

отличаются от других, выходящих на другую сторону мембраны.

Согласно этой модели, глобулярные белки интегрированы в липидный бислой; при этом одни из них пронизывают его насквозь, другие лишь частично погружены в бислой. Мембрана является лабильной структурой, все её компоненты имеют возможность осуществлять различные формы подвижности – латеральную диффузию, вращательные движения, «флип-флоп» переходы и другие.

Жидкостно-мозаичная модель, по-видимому, дает наиболее адекватные представления о структурной организации поверхностной мембраны и многих внутриклеточных мембран.