История теории клеточных мембран

Теория клеток берет свое начало в микроскопических наблюдениях семнадцатого века , но прошло почти двести лет, прежде чем была разработана полная теория клеточных мембран, объясняющая, что отделяет клетки от внешнего мира. К 19 веку было признано, что вокруг клетки должен существовать некий полупроницаемый барьер. Исследования действия молекул анестетика привели к теории, что этот барьер может состоять из какого-то жира ( липида ), но его структура до сих пор была неизвестна. Ряд новаторских экспериментов 1925 года показал, что эта барьерная мембрана состоит из двух молекулярных слоев липидов — липидного бислоя . Новые инструменты, появившиеся в течение следующих нескольких десятилетий, подтвердили эту теорию, но споры относительно роли белков в клеточной мембране оставались. В конце концов была составлена ​​жидкостно-мозаичная модель , в которой белки «плавают» в жидком липидном бислое «море». Несмотря на упрощенность и неполноту этой модели, она до сих пор широко упоминается.

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

Ранние теории барьеров

Со времени изобретения микроскопа в XVII веке было известно, что ткани растений и животных состоят из клеток : клетка была открыта Робертом Гуком . Стенку растительной клетки можно было легко увидеть даже с помощью этих первых микроскопов, но в клетках животных подобного барьера не было видно, хотя само собой разумеется, что он должен существовать. К середине XIX века этот вопрос активно исследовался, и Мориц Траубе заметил, что этот внешний слой должен быть полупроницаемым, чтобы обеспечить транспорт ионов. Однако Траубе не имел прямых доказательств состава этой пленки и ошибочно утверждал, что она образовалась в результате межфазной реакции протоплазмы клетки с внеклеточной жидкостью.

Липидная Георгом природа клеточной мембраны была впервые правильно понята Германом Квинке в 1888 году , который заметил, что клетка обычно имеет сферическую форму в воде, а при разломе пополам образует две меньшие сферы. Единственным другим известным материалом, демонстрирующим такое поведение, была нефть. Он также отметил, что тонкая пленка масла ведет себя как полупроницаемая мембрана, как и предполагалось. На основании этих наблюдений Квинке предположил, что клеточная мембрана состоит из жидкого слоя жира толщиной менее 100 нм. Эта теория была дополнительно расширена данными исследований анестетиков. Ганс Хорст Мейер и Эрнест Овертон независимо друг от друга заметили, что химические вещества, действующие как общие анестетики, также растворяются 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 растворима в масле, — их «липоидная теория наркоза». Основываясь на этих данных и дальнейших экспериментах, они пришли к выводу, что клеточная мембрана может состоять из лецитина ( фосфатидилхолина ) и холестерина . Одной из первых критических замечаний по поводу 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.

Открытие структуры липидного бислоя

Дополнительная информация: Мембранные модели.

Микрофотография, полученная с помощью трансмиссионного электронного микроснимка, показывающая липидную везикулу. Две темные полосы — это две створки, составляющие бислой. Подобные изображения, сделанные в 1950-х и 1960-х годах, подтвердили двухслойную природу клеточной мембраны.

Таким образом, к началу ХХ века была известна химическая, но не структурная природа клеточной мембраны. Два эксперимента 1924 года заложили основу для заполнения этого пробела. Измерив емкость растворов эритроцитов Фрике определил, что толщина клеточной мембраны составляет 3,3 нм. Хотя результаты этого эксперимента были точными, Фрике неверно истолковал данные, утверждая, что клеточная мембрана представляет собой один молекулярный слой. Поскольку головные группы полярных липидов полностью гидратированы, они не проявляются при измерении емкости. Это 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 в ванночке Ленгмюра-Блоджетт . Когда они сравнили площадь монослоя с площадью поверхности клеток, они обнаружили соотношение два к одному. Более поздний анализ этого эксперимента выявил несколько проблем, включая неправильное давление монослоя, неполную экстракцию липидов и неправильный расчет площади поверхности клеток. Несмотря на эти проблемы, фундаментальный вывод о том, что клеточная мембрана представляет собой липидный бислой, оказался верным.

Десять лет спустя Дэвсон и Даниэлли предложили модификацию этой концепции. В их модели липидный бислой с обеих сторон был покрыт слоем глобулярных белков . По их мнению, эта белковая оболочка не имела определенной структуры и просто образовалась путем адсорбции из раствора. Их теория была также неверной, поскольку она приписывала барьерные свойства мембраны электростатическому отталкиванию от белкового слоя, а не энергетическим затратам на прохождение гидрофобного ядра. Более прямое исследование мембраны стало возможным благодаря использованию электронной микроскопии в конце 1950-х годов. После окрашивания метками тяжелых металлов Sjöstand et al. заметил две тонкие темные полосы, разделенные светлой областью, который они ошибочно интерпретировали как единый молекулярный слой белка. Более точную интерпретацию дал Дж. Дэвид Робертсон, который определил, что темные электронно-плотные полосы представляют собой головные группы и связанные с ними белки двух расположенных рядом 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 органелл мембранам .

Эволюция мембранной теории

идея полупроницаемой мембраны — барьера, проницаемого для растворителя , но непроницаемого для растворенных веществ молекул Примерно в то же время была разработана . Термин «осмос» возник в 1827 году, и его значение для физиологических явлений стало понятным, но только в 1877 году ботаник Вильгельм Пфеффер предложил мембранную теорию физиологии клеток . С этой точки зрения считалось, что клетка окружена тонкой поверхностью, плазматической мембраной , а клеточная вода и растворенные вещества, такие как калия, ион существуют в физическом состоянии, подобном состоянию разбавленного раствора . В 1889 году Гамбургер применил гемолиз эритроцитов . для определения проницаемости различных растворенных веществ Измеряя время, необходимое клеткам для того, чтобы набухнуть и превысить предел эластичности, можно было оценить скорость, с которой растворенные вещества проникли в клетки, по сопутствующему изменению объема клеток. Он также обнаружил, что кажущийся объем нерастворителя в эритроцитах составляет около 50%, а позже показал, что сюда входит гидратная вода в дополнение к белку и другим компонентам клеток, не являющимся растворителем. Эрнест Овертон (дальний родственник Чарльза Дарвина) впервые предложил концепцию липидной (масляной) плазматической мембраны в 1899 году. Основным недостатком липидной мембраны было отсутствие объяснения высокой проницаемости для воды, поэтому Натансон (1904) предложил мозаичную теорию. 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, обеспечивающие дополнительный проход небольшим молекулам. как правило, менее проницаемы для анионов , Леонор Михаэлис пришла к выводу, что ионы адсорбируются Поскольку мембраны , на стенках пор, изменяя проницаемость пор для ионов за счет электростатического отталкивания . Михаэлис продемонстрировал мембранный потенциал (1926) и предположил, что он связан с распределением ионов по мембране. Харви и Джеймс Даниэлли (1939) предложили двухслойную липидную мембрану, покрытую с каждой стороны слоем белка для измерения поверхностного натяжения. В 1941 году Бойль и Конвей показали, что мембрана покоящейся мышцы 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 непроницаемы для Na+. Это было трудно объяснить с помощью теории мембранного барьера, поэтому было предложено использовать натриевый насос для постоянного удаления Na+ по мере его проникновения в клетки. Это привело к появлению концепции, что клетки находятся в состоянии динамического равновесия , постоянно используя энергию для поддержания ионных градиентов . В 1935 году Карл Ломанн открыл АТФ и ее роль как источника энергии для клеток, поэтому была предложена концепция метаболически управляемого натриевого насоса .Огромный успех Ходжкина , Хаксли и Каца в разработке мембранной теории клеточных мембранных потенциалов с дифференциальными уравнениями, которые правильно моделировали явления, предоставил еще большую поддержку гипотезе мембранного насоса.

Современный взгляд на плазматическую мембрану представляет собой жидкий липидный бислой , в который встроены белковые компоненты. Структура мембраны теперь известна очень подробно, включая трехмерные модели многих из сотен различных белков, связанных с мембраной.Эти важные достижения в клеточной физиологии поставили мембранную теорию на доминирующее положение.

Модель жидкой мозаики

Основная статья: Модель жидкой мозаики

Схема клеточной мембраны, показывающая интегральные и периферические мембранные белки.

Примерно в то же время разработка первой модели мембраны — окрашенного бислоя — позволила напрямую исследовать свойства простого искусственного бислоя. «Нарисовав» восстановленный липидный раствор через апертуру, Мюллер и Рудин смогли определить, что полученный бислой обладает латеральной текучестью, высоким электрическим сопротивлением и самовосстановлением в ответ на прокол. Эта форма модельного бислоя вскоре стала известна как «BLM», хотя с самого начала значение этой аббревиатуры было неоднозначным. Еще в 1966 году BLM использовалось для обозначения либо «черной липидной мембраны», либо «бимолекулярной липидной мембраны».

Такая же латеральная текучесть была впервые убедительно продемонстрирована на поверхности клеток Фраем и Эдидином в 1970 году. Они объединили две клетки, помеченные разными мембраносвязанными флуоресцентными метками, и наблюдали, как смешиваются две популяции красителей. модели «жидкой мозаики» клеточной мембраны Результаты этого эксперимента сыграли ключевую роль в разработке Сингером и Николсоном в 1972 году. Согласно этой модели, биологические мембраны состоят в основном из голого липидного бислоя, причем белки проникают либо наполовину, либо полностью через мембрану. Эти белки визуализируются как свободно плавающие внутри полностью жидкого бислоя. Это было не первое предложение гетерогенной мембранной структуры. Действительно, еще в 1904 году Натансон предложил «мозаику» водопроницаемых и непроницаемых областей. Но модель жидкостной мозаики была первой, которая правильно объединила текучесть, мембранные каналы и несколько способов соединения белка и бислоя в одну теорию.

Современные исследования

Продолжение исследований выявило некоторые недостатки и упрощения исходной теории. Например, белки-каналы описываются как имеющие непрерывный водный канал через свой центр, что, как теперь известно, в целом неверно (исключением являются комплексы ядерных пор , которые имеют открытый водный канал размером 9 нм). Кроме того, свободная диффузия на поверхности клеток часто ограничивается областями размером в несколько десятков нанометров. Эти ограничения латеральной текучести обусловлены якорями цитоскелета , разделением липидных фаз и агрегированными белковыми структурами. Современные исследования также показывают, что гораздо меньшая часть плазматической мембраны состоит из «голых» липидов, чем считалось ранее, и фактически большая часть клеточной поверхности может быть связана с белками. Несмотря на эти ограничения, модель жидкостной мозаики остается популярным и часто упоминаемым общим понятием структуры биологических мембран.

Устаревшие теории

Современная общепринятая модель клеточных мембран основана на модели жидкостной мозаики, которая предполагает наличие липидного бислоя, отделяющего внутреннюю часть клетки от внешней, с соответствующими ионными каналами, насосами и транспортерами, вызывающими процессы проницаемости клеток. В прошлом были разработаны альтернативные гипотезы, которые по большей части были отвергнуты. Одной из этих противоположных концепций, разработанных в 1980-х годах в контексте 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 за эти свойства отвечает .

По мере роста поддержки теории липидных двухслойных мембран была разработана альтернативная концепция, отрицающая важность липидной двухслойной мембраны. В 1916 году Проктер и Уилсон продемонстрировали, что гели, не имеющие полупроницаемой мембраны , набухают в разбавленных растворах . Леб (1920) также широко изучал желатин с мембраной и без нее, показав, что большинство свойств, приписываемых плазматической мембране, можно воспроизвести в гелях без мембраны. В частности, он обнаружил, что в зависимости от концентрации H+ может возникнуть разность электрических потенциалов между желатином и внешней средой.

Некоторая критика мембранной теории возникла в 1930-х годах на основе таких наблюдений, как способность некоторых клеток набухать и увеличивать площадь своей поверхности в 1000 раз (как в жировой ткани ). Липидный слой не может растянуться до такой степени, не превратившись в лоскутное одеяло (тем самым потеряв свои барьерные свойства). Такая критика стимулировала продолжение исследований протоплазмы как основного агента, определяющего свойства клеточной проницаемости. В 1938 г. Фишер и Суэр предположили, что вода в протоплазме находится не в свободной, а в химически связанной форме и что протоплазма представляет собой сочетание белка, соли и воды. Они продемонстрировали основное сходство между набуханием живых тканей и набуханием гелей желатина и фибрина . Дмитрий Насонов (1944) рассматривал белки как центральные компоненты, ответственные за многие свойства клетки, в том числе за электрические свойства.

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

Дальнейшее чтение

• М. Эдидин. «Липиды на переднем крае: век бислоев клеточных мембран». Обзоры природы по молекулярной и клеточной биологии, (2003) 4, 414–418.
• Джей Ди Робертсон. «Мембранная структура». Журнал клеточной биологии. (1981) 91. 189–204 с.