История теории клеточных мембран

редактировать

Теория клеток берет свое начало в семнадцатом веке микроскопических наблюдений, но это было почти за двести лет до того, как была разработана полная теория клеточной мембраны, чтобы объяснить, что отделяет клетки от внешнего мира. К 19 веку было принято, что вокруг клетки должен существовать какой-то полупроницаемый барьер. Исследования действия молекул анестетика привели к теории, что этот барьер может состоять из какого-то вида жира (липид ), но структура все еще остается неизвестной. Серия новаторских экспериментов в 1925 году показала, что эта барьерная мембрана состоит из двух молекулярных слоев липидов - липидного бислоя . Новые инструменты, появившиеся в течение следующих нескольких десятилетий, подтвердили эту теорию, но продолжались споры о роли белков в клеточной мембране. В конечном итоге модель жидкой мозаики была создана, в которой белки «плавают» в жидком липидном бислое «море». Несмотря на то, что эта модель является упрощенной и неполной, она все еще широко используется сегодня.

Набросок пробки через микроскоп. Пробка была одним из первых веществ, исследованных Робертом Гук под микроскопом, и он обнаружил, что она состоит из тысяч мелких карманов, которые он назвал «клетками».

Содержание

  • 1 Ранние теории барьеров
  • 2 Открытие структуры липидного бислоя
    • 2.1 Развитие теории мембран
    • 2.2 Появление концепции стационарного мембранного насоса
  • 3 Модель жидкой мозаики
  • 4 Современные исследования
  • 5 Устаревшие теории
  • 6 Ссылки
  • 7 Дополнительная литература

Ранние теории барьеров

С момента изобретения микроскопа в семнадцатом веке было известно, что ткани растений и животных состоят из клеток : ячейку обнаружил Роберт Гук. Клеточная стенка растений была легко видна даже в эти ранние микроскопы, но на животных клетках не было видно подобного барьера, хотя это было разумным основанием для существования такого барьера. К середине 19 века этот вопрос активно исследовался, и Мориц Траубе отметил, что этот внешний слой должен быть полупроницаемым, чтобы обеспечивать перенос ионов. Однако у Траубе не было прямых доказательств состава этой пленки, и он ошибочно утверждал, что она образовалась в результате межфазной реакции протоплазмы клетки с внеклеточной жидкостью.

липидная природа клеточная мембрана была впервые правильно интуитивно понятна Квинке, который заметил, что клетка обычно образует сферическую форму в воде и, будучи разбитой пополам, образует две меньшие сферы. Единственным известным материалом, демонстрирующим такое поведение, было масло. Он также отметил, что тонкая масляная пленка ведет себя как полупроницаемая мембрана, как и предполагалось. Основываясь на этих наблюдениях, Квинке утверждал, что клеточная мембрана представляет собой жидкий слой жира толщиной менее 100 нм. Эта теория была дополнительно расширена данными исследования анестетиков. Ханс Хорст Мейер и Эрнест Овертон независимо друг от друга заметили, что химические вещества, которые действуют как общие анестетики, также растворимы как в воде, так и в масле. Они интерпретировали это как означающее, что для прохождения через клеточную мембрану молекула должна быть по крайней мере умеренно растворимой в масле, их «липоидная теория наркоза». На основании этих данных и дальнейших экспериментов они пришли к выводу, что клеточная мембрана может состоять из лецитина (фосфатидилхолин ) и холестерина. Одним из первых критиков этой теории было то, что она не включала механизма энергозависимого избирательного транспорта. Этот «недостаток» оставался без ответа почти полвека, пока не было обнаружено, что специализированные молекулы, называемые интегральными мембранными белками, могут действовать как насосы для транспортировки ионов.

Обнаружение структуры липидного бислоя

Микрофотография из просвечивающей электронной микрофотографии, показывающая липидную везикулу. Две темные полосы - это две листочки, составляющие бислой. Подобные изображения, сделанные в 1950-х и 1960-х годах, подтвердили двухслойную природу клеточной мембраны

Таким образом, к началу двадцатого века химическая, но не структурная природа клеточной мембраны была известна. Два эксперимента 1924 года заложили основу для восполнения этого пробела. Путем измерения емкости растворов эритроцитов Фрике определил, что толщина клеточной мембраны составляет 3,3 нм. Хотя результаты этого эксперимента были точными, Фрике неверно истолковал данные, означая, что клеточная мембрана представляет собой единственный молекулярный слой. Поскольку полярные липидные головные группы полностью гидратированы, они не обнаруживаются при измерении емкости, что означает, что в этом эксперименте фактически измерялась толщина углеводородного ядра, а не всего бислоя.. Гортер и Грендель подошли к проблеме с другой точки зрения, выполнив экстракцию липидов эритроцитов растворителем и распределив полученный материал в виде монослоя на желобе Ленгмюра-Блоджетт. Когда они сравнили площадь монослоя с площадью поверхности клеток, они обнаружили соотношение два к одному. Более поздний анализ этого эксперимента показал несколько проблем, включая неправильное давление монослоя, неполную экстракцию липидов и неправильный расчет площади поверхности клетки. Несмотря на эти проблемы, фундаментальный вывод о том, что клеточная мембрана представляет собой липидный бислой, был правильным.

Десять лет спустя Дэвсон и Даниелли предложили модификацию этой концепции. В их модели липидный бислой был покрыт с обеих сторон слоем глобулярных белков. Согласно их мнению, эта белковая оболочка не имела особой структуры и была просто образована путем адсорбции из раствора. Их теория также была неверной в том смысле, что она приписывала барьерные свойства мембраны электростатическому отталкиванию от белкового слоя, а не энергетическим затратам на пересечение гидрофобного ядра. Более непосредственное исследование мембраны стало возможным благодаря использованию электронной микроскопии в конце 1950-х годов. После окрашивания этикеток из тяжелых металлов Sjöstrand et al. отметили две тонкие темные полосы, разделенные светлой областью, которую они неправильно интерпретировали как единый молекулярный слой белка. Более точная интерпретация была сделана Дж. Дэвидом Робертсоном, который определил, что темные электронно-плотные полосы были головными группами и связанными белками двух сопряженных липидных монослоев. В этой работе Робертсон выдвинул концепцию «единичной мембраны». Это был первый случай, когда двухслойная структура была универсально приписана всем клеточным мембранам, а также мембранам органелл.

Развитие теории мембран

Идея полупроницаемой мембраны, барьера, проницаемого для растворителя, но непроницаемого для растворенного вещества молекулы были разработаны примерно в то же время. Термин осмос возник в 1827 году, и его важность для физиологических явлений осозналась, но только в 1877 году ботаник Вильгельм Пфеффер предложил мембранная теория физиологии клетки. С этой точки зрения клетка была окружена тонкой поверхностью, плазматической мембраной, а вода и растворенные вещества клетки, такие как ион калия, существовали в физическое состояние, подобное состоянию разбавленного раствора. В 1889 году Гамбургер использовал гемолиз эритроцитов для определения проницаемости различных растворенных веществ. Путем измерения времени, необходимого клеткам для набухания за предел их упругости, скорость, с которой растворенные вещества попадают в клетки, можно оценить по соответствующему изменению объема клетки. Он также обнаружил, что в красных кровяных тельцах был очевидный объем нерастворителя около 50%, а позже показал, что он включает воду гидратации в дополнение к белку и другим нерастворителям компонентов клеток. Эрнест Овертон (дальний родственник Чарльза Дарвина) впервые предложил концепцию липидной (масляной) плазматической мембраны в 1899 году. Основным недостатком липидной мембраны было отсутствие объяснения. из-за высокой проницаемости для воды, поэтому Натансон (1904) предложил теорию мозаики. С этой точки зрения мембрана представляет собой не чистый липидный слой, а мозаику участков с липидом и участков с полупроницаемым гелем. Руланд усовершенствовал теорию мозаики, включив в нее поры, позволяющие дополнительное прохождение небольших молекул. Поскольку мембраны обычно менее проницаемы для анионов, Леонор Михаэлис пришел к выводу, что ионы адсорбируются на стенках пор, изменяя проницаемость из пор в ионы за счет электростатического отталкивания Михаэлис продемонстрировал мембранный потенциал (1926) и предположил, что он связан с распределением ионов по мембране. Харви и Джеймс Даниелли (1939) предложили двухслойную липидную мембрану, покрытую с каждой стороны слоем белка для измерения поверхностного натяжения. В 1941 г. Бойл и Конвей показали, что мембрана отдыхающих мышц лягушки проницаема как для K +, так и для Cl-, но, по-видимому, не для Na +, поэтому идея электрических зарядов в порах была ненужной, поскольку единственный критический размер пор объяснял проницаемость для K +., H + и Cl-, а также непроницаемость для Na +, Ca + и Mg ++.

Появление концепции стационарного мембранного насоса

С разработкой радиоактивных индикаторов было показано, что клетки не являются непроницаемыми для Na +. Это было трудно объяснить с помощью теории мембранного барьера, поэтому было предложено использовать натриевый насос для непрерывного удаления Na + по мере его проникновения в клетки. Это привело к мысли, что клетки находятся в состоянии динамического равновесия, постоянно используя энергию для поддержания ионных градиентов. В 1935 году Карл Ломанн открыл АТФ и его роль в качестве источника энергии для клеток, поэтому была предложена концепция метаболически управляемого натриевого насоса. Огромный успех Ходжкина, Хаксли и Каца в разработке мембранной теории потенциалов клеточной мембраны с дифференциальными уравнениями, которые правильно смоделировали явления, обеспечив еще большую поддержку гипотезы мембранного насоса.

Современные представления о плазматической мембране представляют собой жидкий липидный бислой, в который встроены белковые компоненты. Структура мембраны теперь известна очень подробно, включая трехмерные модели многих из сотен различных белков, которые связаны с мембраной. Эти важные достижения в физиологии клетки поставили мембранную теорию на первое место.

Модель жидкой мозаики

Схема клеточной мембраны, показывающая интегральные и периферические мембранные белки

Примерно в то же время разработка первой модельной мембраны, окрашенного бислоя, позволила напрямую исследовать свойства простой искусственный бислой. Путем «закрашивания» восстановленного липидного раствора через апертуру Мюллер и Рудин смогли определить, что полученный бислой демонстрирует боковую текучесть, высокое электрическое сопротивление и самовосстановление в ответ на прокол. Эта форма модельного бислоя вскоре стала известна как «BLM», хотя с самого начала значение этого акронима было неоднозначным. Еще в 1966 году BLM использовалось для обозначения «черной липидной мембраны» или «бимолекулярной липидной мембраны».

Эта же латеральная текучесть была впервые убедительно продемонстрирована на поверхности клетки Фраем и Эдидином в 1970 году. две клетки помечали разными мембраносвязанными флуоресцентными метками и наблюдали, как смешиваются две популяции красителей. Результаты этого эксперимента сыграли ключевую роль в разработке Сингером и Николсоном в 1972 г. модели «жидкой мозаики» клеточной мембраны. Согласно этой модели, биологические мембраны в основном состоят из голого липидного бислоя с белками, проникающими либо наполовину, либо полностью через мембрану. Эти белки визуализируются как свободно плавающие в полностью жидком бислое. Это не было первым предложением гетерогенной мембранной структуры. Действительно, еще в 1904 году Натансон предложил «мозаику» водопроницаемых и непроницаемых областей. Но модель жидкой мозаики была первой, которая правильно объединила в одну теорию текучесть, мембранные каналы и несколько способов соединения белок / бислой.

Современные исследования

Продолжение исследований выявило некоторые недостатки и упрощения в исходной теории. Например, канальные белки описываются как имеющие непрерывный водный канал через их центр, что, как теперь известно, в целом неверно (за исключением комплексов ядерных пор, которые имеют канал с открытой водой длиной 9 нм). Кроме того, свободная диффузия на поверхности клетки часто ограничивается областями в несколько десятков нанометров в поперечнике. Эти ограничения латеральной текучести обусловлены якорями цитоскелета, разделением липидной фазы и агрегированными белковыми структурами. Современные исследования также показывают, что гораздо меньше липидов в плазматической мембране, чем считалось ранее, и на самом деле большая часть клеточной поверхности может быть связана с белками. Несмотря на эти ограничения, модель жидкой мозаики остается популярным и часто упоминаемым общим понятием для структуры биологических мембран.

Устаревшие теории

Современная общепринятая консенсусная модель клеточных мембран основана на жидко-мозаичной модели, которая предполагает липидный бислой, отделяющий внутреннюю часть от внешней части клеток с соответствующими ионными каналами, насосами и переносчики, вызывающие процессы проницаемости клеток. В прошлом были разработаны альтернативные гипотезы, которые в значительной степени были отвергнуты. Одной из этих противоположных концепций, разработанных на ранних этапах исследований осмоса, проницаемости и электрических свойств клеток, была концепция Гилберта Линга. Современная идея утверждает, что все эти свойства принадлежат плазматической мембране, тогда как точка зрения Линга заключалась в том, что протоплазма была ответственна за эти свойства.

По мере роста поддержки теории двухслойной липидной мембраны была разработана эта альтернативная концепция, которая отрицала важность двухслойной липидной мембраны. Procter Wilson (1916) продемонстрировали, что гели, не имеющие полупроницаемой мембраны, набухают в разбавленных растворах. Loeb (1920) также широко изучал желатин с мембраной и без нее, показывая, что больше свойств, приписываемых плазматической мембране, можно воспроизвести в гелях без мембрана. В частности, он обнаружил, что разность электрических потенциалов между желатином и внешней средой может развиваться на основе концентрации H +.

Некоторая критика мембранной теории, разработанной в 1930-х годах, основана на таких наблюдениях, как способность некоторых клеток набухать и увеличивать свою площадь поверхности в 1000 раз. Липидный слой не может растягиваться до такой степени, не становясь лоскутное одеяло (теряя тем самым свои барьерные свойства). Такая критика стимулировала продолжение исследований протоплазмы как основного агента, определяющего свойства проницаемости клеток. В 1938 году Фишер и Суэр предположили, что вода в протоплазме не свободна, а находится в химически комбинированной форме, и что протоплазма представляет собой комбинацию белка, соли и воды. Они продемонстрировали основное сходство между набуханием в живых тканях и набуханием гелей желатина и фибрина. Дмитрий Насонов (1944) рассматривал белки как центральные компоненты, ответственные за многие свойства клетки, включая электрические свойства.

К 1940-м годам теории объемной фазы не были так хорошо развиты, как теории мембран, и были в значительной степени отвергнуты. В 1941 году Brooks Brooks опубликовали монографию «Проницаемость живых клеток», в которой отвергаются теории объемной фазы.

Ссылки

Дополнительная литература

  • М. Эдидин. «Липиды на границе: a века клеточно-мембранных бислоев ". Nature Reviews Molecular and Cellular Biology, (2003) 4, 414–418.
  • Дж. Д. Робертсон. «Мембранная структура». Журнал клеточной биологии. (1981) 91. 189s-204s.
Последняя правка сделана 2021-05-23 14:43:58
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте