4.2. Организация мембран

 

Молекулярные механизмы функционирования мембран детально не изучены. Чтобы исследовать эти механизмы, полезно знать, как мембранные компоненты собираются в функционирующие единицы. Но структурная и функциональная целостность мембран утрачивается с выделением и очисткой их компонент, и это затрудняет исследование организации мембран и их субструктуры. Дело осложняется еще и тем, что существует очень много разных типов мембран. Сейчас ясно, что во многом споры между создателями разных теорий организации мембран возникали именно в результате этого разнообразия.

Структуру   и   организацию   мембран   можно изучать с помощью трех разных подходов: 1) химическое фракционирование; 2) исследование физических свойств мембран; 3) получение искусственных мембран и включение в них определенных молекул для изучения их функций.

 

4.2.1. Простые модели бислоев

 

В 1925 г. Э. Гортер и Ф. Грендел опубликовали результаты экспериментов, на основе которых была построена одна из основополагающих моделей организации мембран. Они экстрагировали липиды теней эритроцитов (Тени – это пустые мембранные «мешки», остающиеся после гемолиза эритроцитов в гипотонической среде.) и создали условия для распределения их по поверхности воды, налитой в кювету. Асимметричные липидные молекулы ориентировались таким образом, что их полярные головки образовывали водородные связи с водой, а гидрофобные углеводородные цепочки торчали наружу, как показано на рис. 4–3. Пленку диспергированных липидных молекул на поверхности воды аккуратно сжимали в латеральном направлении и измеряли необходимую для этого силу. Она оставалась небольшой до тех пор, пока молекулы липида были диспергированы по поверхности, а затем резко возрастала. Это возрастание происходило в момент формирования компактного монослоя (рис. 4–6).

 

Рис. 4.6. Эксперимент Гортера и Грендела, послуживший основой для создания модели липидного бислоя мембраны. При латеральном сжатии липидной пленки в некоторый момент наблюдается резкое увеличение прилагаемой силы, свидетельствующее об образовании сплошного монослоя.

 

Измерение площади, занимаемой монослоем липидов, показало, что она примерно вдвое больше площади поверхности клеточной мембраны, из которой были экстрагированы липиды. Из своих наблюдений Гортер и Грендел сделали вывод, что липиды клеточной мембраны организованы в бислой, состоящий из двух монослоев молекул, ориентированных таким образом, что гидрофобные углеводородные хвосты упорядоченных молекул контактируют друг с другом, а полярные головки направлены наружу, в водную фазу (рис. 4–7, А).Такая организация липидов лежит в основе модели липидного бислоя мембранной структуры. Данные, свидетельствующие о правильности этой концепции, представлены в дополнении 4–1. Более поздние исследования показали, что содержание липидов в мембранах эритроцитов таково, что площадь образуемого ими монослоя равна величине, лишь в 1,5 раза превышающей площадь клеточной поверхности. Как оказалось, остальная площадь приходится на долю белков, о чем мы будем говорить в следующем разделе.

 

Рис. 4.7. А. Бимолекулярный слой Гортера–Грендела. Б. Мембранная модель Даниэлли, где изображены липидные и белковые компоненты мембраны.

 

 

Аналогичная модель, тоже основанная на концепции бислоя фосфолипидных молекул, была построена Дж. Ф. Даниелли, однако эта модель предполагала наличие выстланных белками пор и слоя белковых молекул на поверхности липидного бислоя (рис. 4–7, Б).Даниелли включил в свою модель поверхностные белки, поскольку по оценкам поверхностное натяжение клеточных мембран бы ниже, чем поверхностное натяжение на границе масло–вода. Впоследствии стало ясно, что низкое поверхностное натяжение обусловлено гидрофильностью полярных головок фосфолипидов.