Проницаемость клеток и модели мембраны

В конца XIX века Э. Пфеффер и Г. де Фриз положили начало изучению клеточной проницаемости, в которой обменные процессы, протекающие в клетках, ставились в тесную связь с наличием полупроницаемой мембраны вокруг клетки. В 1902, изучая проницаемость клеточных мембран, немецкий учёный Э. Овертон заметил, что через мембраны легче всего проникают вещества, хорошо растворимые в липидах, и предположил наличие последних в поверхностной клеточной мембране. Однако постепенно стали накапливаться факты, свидетельствовавшие о несоответствии количеств проникающих в клетку веществ их растворимости в липидах, а также поступлении в нее веществ, в липидах совершенно не растворимых. Пытаясь спасти теорию Овертона, его соотечественник А. Натансон (1904) высказал предположение о мозаичном строении мембраны. В 1908—1913 гг. немецкий физиолог В. Руланд развил получившую широкую известность теорию ультрафильтра, или «сита», согласно которой в полупроницаемой мембране имеются поры определенного диаметра, через которые в клетку могут проникать лишь молекулы соответствующих размеров. Однако теория Руланда не объясняла того факта, что проницаемость многих растительных клеток растет для веществ гомологического ряда по мере увеличения в них числа атомов углерода. Поэтому они предложили соединить липидную теорию с теорией ультрафильтра, допустив тем самым существование двух разнородных механизмов, регулирующих проникновение в клетку молекул различной природы. Эта точка зрения в 1930—1940-е годы получила поддержку многих биологов.

Однако модель мозаичной мембраны оказалась неспособной объяснить стационарное распределение веществ в клетке, качественно отличное от состояния простого водного раствора. Была разработана сорбционная теория проницаемости. Согласно этой теории, решающая роль в распределении веществ, проникающих в клетку, принадлежит сорбционным отношениям, устанавливающимся между протоплазмой клетки в целом и окружающей средой. Сорбционная теория основывается на следующих положениях: растворимость веществ в протоплазме должна отличаться от растворимости в обычной воде; важнейшим фактором распределения веществ в клетке является их адсорбция и химическое связывание в протоплазме. Первоначально казалось, что обе теории совершенно несовместимы. Позже, однако, выяснилось, что их сближение возможно.

В 1926 году американские биологи Э. Гортер и Ф. Грендел выделили из гемолизированных эритроцитов человека липиды и расположили их в виде мономолекулярного слоя на поверхности воды; общая площадь этого слоя примерно в 2 раза превышала поверхность эритроцитов. Из этого они сделали вывод, что липиды мембраны расположены в виде бимолекулярного слоя. Модель двуслойной мембраны противоречила некоторым общеизвестным фактам: высокая ионная проницаемость и низкое поверхностное натяжение по сравнению с модельными липидными пленками. Поверхностное натяжение клеточной мембраны (0,1 мн/м, или дин/см) меньше натяжения слоя чистого липида (10 мн/м, или дин/см) и близко к поверхностному натяжению белков. Напрашивался вывод, что в состав мембран входят кроме липидов и другие биологические молекулы, например, белки, снижающие поверхностное натяжение. Поэтому было предположено, что в клеточной мембране бимолекулярный липидный слой покрыт с двух сторон слоями белка (структура «сэндвича»).

Методом электропроводности удалось измерить электрическую ёмкость клеточной мембраны, равную 1 мкф/см², и рассчитать толщину её липидного слоя, которая оказалась равной 55 ангстрем. На основе всех этих данных и термодинамических соображений английские биологи Л. Даниелли и Г. Даусон в 1935 предложили модель двуслойной мембраны. По их расчетам получалось, что структура двойного слоя наиболее стабильна при физиологических условиях. Изучение клеточной поверхности с помощью поляризационного микроскопа позволило предположить, что молекулы липидов расположены перпендикулярно, а молекулы белка — параллельно клеточной поверхности.