Войти
До появления электронной микроскопии в 1950-х годах ученые не знали ни структуру клеточной мембраны, ни ее компоненты; Биологи и другие исследователи использовали косвенные доказательства для идентификации мембран до того, как их можно было визуализировать. В частности, именно благодаря моделям Овертон, Ленгмюра, Гортером и Грендель, и Давсона и Danielli, что он сделал вывод, что мембраны имеют липиды, белки, и бислой. Появление электронного микроскопа, открытия Дж. Дэвида Робертсона, предложение Сингера и Николсона, а также дополнительные работы Анвина и Хендерсона внесли свой вклад в развитие современной модели мембраны. Однако понимание прошлых моделей мембран проясняет сегодняшнее восприятие характеристик мембран. После интенсивных экспериментальных исследований модели мембран предыдущего века уступили место модели жидкой мозаики, которая принята сегодня.
Схема расположения молекул амфипатических липидов с образованием липидного двойного слоя. Желтые полярные головные группы отделяют серые гидрофобные хвосты от водной цитозольной и внеклеточной среды. Эверт Гортер и Франсуа Грендель (голландские физиологи) подошли к открытию нашей нынешней модели структуры плазматической мембраны как липидного двойного слоя. Они просто выдвинули гипотезу, что если плазматическая мембрана является двухслойной, то измеренная площадь монослоя липидов будет в два раза больше площади поверхности плазматической мембраны. Чтобы проверить свою гипотезу, они провели эксперимент, в котором они извлекали липиды из известного количества красных кровяных телец ( эритроцитов ) из различных источников млекопитающих, таких как люди, козы, овцы и т. Д., А затем распределяли липиды в виде монослоя. в корыте Ленгмюра-Блоджетт. Они измерили общую площадь поверхности плазматической мембраны красных кровяных телец и, используя метод Ленгмюра, измерили площадь монослоя липидов. Сравнивая эти два, они вычислили примерное соотношение 2: 1 монослой липидов: плазматическая мембрана. Это подтвердило их гипотезу, которая привела к выводу, что клеточные мембраны состоят из двух смежных молекулярных слоев. Два ученых предложили структуру этого двухслойного материала, при котором полярные гидрофильные головки обращены наружу в сторону водной среды, а гидрофобные хвосты обращены внутрь от водной среды по обе стороны мембраны. Хотя они пришли к правильным выводам, некоторые экспериментальные данные были неверными, например, неверный расчет площади и давления липидного монослоя и неполнота экстракции липидов. Они также не смогли описать мембранную функцию и сделали ложные предположения, например, о плазматических мембранах, состоящих в основном из липидов. Однако в целом это представление о двухслойной структуре липидов стало основным допущением для каждого последующего уточнения в современном понимании функции мембран.
Триламинарный вид клеточной мембраны Следуя предложению Гортера и Гренделя, неизбежно возникли сомнения относительно правдивости использования простого двухслойного липида в качестве мембраны. Например, их модель не могла дать ответы на вопросы о поверхностном натяжении, проницаемости и электрическом сопротивлении мембран. Поэтому физиолог Хью Дэвсон и биолог Джеймс Даниелли предположили, что в мембранах действительно есть белки. По их словам, существование этих «мембранных белков» объяснило то, на что не могла ответить модель Гортера-Гренделя.
В 1935 году Дэвсон и Даниелли предположили, что биологические мембраны состоят из липидных двойных слоев, покрытых с обеих сторон тонкими слоями белка, и упростили свою модель до «маломолекулярной» теории. Эта теория утверждает, что все биологические мембраны имеют « липоидный » центр, окруженный монослоями липидов, которые покрыты монослоями белка. Короче говоря, их модель была проиллюстрирована как «бутерброд» белок-липид-белок. Модель Дэвсона-Даниелли пролила новый свет на понимание клеточных мембран, подчеркнув важную роль белков в биологических мембранах.
К 1950-м годам клеточные биологи подтвердили существование плазматических мембран с помощью электронной микроскопии (которая обеспечивала более высокое разрешение). Дж. Дэвид Робертсон использовал этот метод, чтобы предложить модель единичной мембраны. По сути, он предположил, что все клеточные мембраны имеют сходную базовую структуру - единичную мембрану. Предложение Робертсона, использующее окрашивание тяжелыми металлами, также, казалось, мгновенно согласилось с моделью Дэвсона-Даниелли. В соответствии с трехламинарным рисунком клеточной мембраны, рассмотренным Робертсоном, он предположил, что мембраны состоят из двух слоев липидов, покрытых с обеих сторон тонкими слоями белков. Это предложение стало большим толчком к предложению Дэвсона и Даниелли. Однако даже с подтверждением Робертсона модель Дэвсона-Даниелли имела серьезные осложнения, главным из которых было то, что изучаемые белки были в основном глобулярными и поэтому не могли вписаться в утверждение модели о тонких белковых листах. Эти трудности с моделью стимулировали новые исследования в области организации мембран и проложили путь к модели жидкой мозаики, которая была предложена в 1972 году.
В 1972 году С. Джонатан Сингер и Гарт Николсон разработали новые идеи мембранной структуры. Их предложением была модель жидкой мозаики, которая сейчас является доминирующей моделью. У него есть две ключевые особенности: мозаика белков, встроенных в мембрану, и мембрана, представляющая собой жидкий двухслойный слой липидов. Предположение о двухслойности липидов согласуется с предыдущими моделями, но рассматривает белки как глобулярные образования, встроенные в слой, а не тонкие слои на поверхности.
Согласно модели, мембранные белки делятся на три класса в зависимости от того, как они связаны с двухслойным липидом:
Что касается жидкой природы мембраны, липидные компоненты способны двигаться параллельно поверхности мембраны и находятся в постоянном движении. Многие белки также способны к такому движению внутри мембраны. Однако некоторые из них ограничены в своей подвижности из-за того, что они прикреплены к структурным элементам, таким как цитоскелет, по обе стороны от мембраны.
В целом эта модель объясняет большую часть критики модели Дэвсона – Даниелли. Он устранил необходимость размещать мембранные белки в тонких поверхностных слоях, предположил, что вариабельность в соотношении белок / липид различных мембран просто означает, что разные мембраны различаются по количеству белка, который они содержат, и продемонстрировал, как экспонирование групп липидных головок на поверхности мембраны совместима с их чувствительностью к перевариванию фосфолипазой. Кроме того, текучесть двухслойных липидов и перемешивание их компонентов внутри мембраны позволяет легко визуализировать подвижность как липидов, так и белков.
Жидкая мозаичная модель Сингера и Николсона 
Переходный рецепторный потенциал катионного канала V член 1 подсемейства ( TRPV1 ). Ионные каналы - это интегральные мембранные белки, имеющие большое значение для живых организмов. Хендерсон и Анвин изучали пурпурную мембрану с помощью электронной микроскопии, используя метод определения предполагаемых структур неокрашенных кристаллических образцов. Применяя этот метод к наклонным образцам и используя принципы, предложенные ДеРозье и Клуг для комбинирования таких двухмерных изображений, они получили трехмерную карту мембраны с разрешением 7 Å. Карта показывает расположение белковых и липидных компонентов, расположение полипептидных цепей внутри каждой белковой молекулы и взаимосвязь белковых молекул в решетке.
Микрофотографии с высоким разрешением кристаллических массивов мембранных белков, полученные при низкой дозе электронов для минимизации радиационного повреждения, были использованы для определения трехмерной структуры с помощью преобразования Фурье. Недавние исследования отрицательно окрашенных соединений Gap ™ гепатоцитов крыс, подвергнутых 3-мерным реконструкциям Фурье ( электронных микрофотографий с низкой дозой), показывают, что шесть белковых субъединиц расположены в цилиндре, слегка наклоненном по касательной, охватывая канал шириной 2 нм в месте расположения. внеклеточная область. Размеры канала внутри мембраны были более узкими, но не могли быть разрешены (Unwin and Zampighi, 1980). Небольшое радикальное движение субъединиц на концах цитоплазмы могло бы уменьшить наклон субъединицы по касательной к шестикратной оси и закрыть канал.
Дальнейшие подробности молекулярной организации должны появиться по мере того, как станет доступным больше методов приготовления, чтобы получить трехмерные изображения с высоким разрешением, сопоставимые с пурпурными мембранами. Используя изобретательные процедуры для анализа периодических массивов биологических макромолекул, в которых были объединены данные из электронных изображений с низкой дозой и дифракционных картин, Хендерсон и Анвин (1975) реконструировали трехмерное изображение пурпурных мембран с разрешением 0,7 нм. Заливку глюкозой использовали для уменьшения повреждений от дегидратации, а низкие дозы (lt;0,5 e / A *) - для уменьшения повреждений от облучения. Электронные микрофотографии неокрашенных мембран были записаны так, что единственным источником контраста был слабый фазовый контраст, вызванный дефокусировкой.
В своем эксперименте Анвин и Хендерсон обнаружили, что белок простирается к обеим сторонам липидного двойного слоя и состоит из семи α-спиралей, расположенных на расстоянии примерно 1–1,2 нм друг от друга, длиной 3,5–4,0 нм, идущих перпендикулярно плоскости мембраны.. Молекулы организованы вокруг 3-кратной оси с пространством шириной 2 нм в центре, заполненным липидами. Эта элегантная работа представляет собой наиболее значительный шаг вперед на данный момент, поскольку она впервые предоставила нам структуру интегрального мембранного белка in situ. Доступность аминокислотной последовательности вместе с информацией о плотности рассеяния электронов из работ Хендерсона и Анвина стимулировала усилия по построению модели (Engleman et al., 1980), чтобы подогнать информацию о последовательности бактериородопсина к ряду α- винтовые сегменты.
