Липидный бислой: структура и функции

Введение

Мембрана из двух слоев липидных молекул

Липидный бислой (или фосфолипидный бислой) представляет собой тонкую полярную мембрану, состоящую из двух слоев липидных молекул. Эти мембраны представляют собой плоские листы, формирующие непрерывный барьер вокруг всех клеток. Клеточные мембраны почти всех организмов и многих вирусов состоят из липидного бислоя, как и ядерная мембрана, окружающая ядро клетки, и мембраны мембранно-связанных органелл в клетке. Липидный бислой является барьером, который удерживает ионы, белки и другие молекулы там, где они необходимы, и предотвращает их диффузию в области, куда они не должны попадать. Липидные бислои идеально подходят для этой роли, несмотря на то, что их ширина составляет всего несколько нанометров, поскольку они непроницаемы для большинства водорастворимых (гидрофильных) молекул. Бислои особенно непроницаемы для ионов, что позволяет клеткам регулировать концентрацию солей и pH, транспортируя ионы через свои мембраны с помощью белков, называемых ионными насосами. Биологические бислои обычно состоят из амфифильных фосфолипидов, имеющих гидрофильную фосфатную головку и гидрофобный хвост, состоящий из двух цепей жирных кислот. Фосфолипиды с определенными головными группами могут изменять поверхностную химию бислоя и, например, служить сигналами, а также "якорями" для других молекул в клеточных мембранах. Как и головки, хвосты липидов также могут влиять на свойства мембраны, например, определяя фазу бислоя. Бислой может переходить в твердое гелеобразное состояние при более низких температурах, но при более высоких температурах – в текучее состояние, при этом химические свойства хвостов липидов влияют на температуру этого перехода. Упаковка липидов в бислое также влияет на его механические свойства, включая устойчивость к растяжению и изгибу. Многие из этих свойств изучались с использованием искусственных "модельных" бислоев, созданных в лаборатории. Везикулы, созданные на основе модельных бислоев, также использовались в клинической практике для доставки лекарств. Структура биологических мембран обычно включает несколько типов молекул в дополнение к фосфолипидам, составляющим бислой. Особенно важным примером в клетках животных является холестерин, который помогает укрепить бислой и снизить его проницаемость. Холестерин также помогает регулировать активность определенных интегральных мембранных белков. Интегральные мембранные белки функционируют, будучи включенными в липидный бислой, и прочно удерживаются в нем с помощью аннулярной липидной оболочки. Поскольку бислои определяют границы клетки и ее компартментов, эти мембранные белки участвуют во многих внутри- и межклеточных процессах передачи сигналов. Определенные виды мембранных белков участвуют в процессе слияния двух бислоев. Это слияние позволяет соединять две различные структуры, как, например, в акросомной реакции при оплодотворении яйцеклетки сперматозоидом или при проникновении вируса в клетку. Поскольку липидные бислои хрупки и невидимы в традиционный микроскоп, их изучение представляет собой сложную задачу. Эксперименты с бислоями часто требуют использования передовых методов, таких как электронная микроскопия и атомно-силовая микроскопия.

The lipid bilayer (or phospholipid bilayer) is a thin polar membrane made of two layers of lipid molecules. These membranes are flat sheets that form a continuous barrier around all cells. The cell membranes of almost all organisms and many viruses are made of a lipid bilayer, as are the nuclear membrane surrounding the cell nucleus, and membranes of the membrane bound organelles in the cell. The lipid bilayer is the barrier that keeps ions, proteins and other molecules where they are needed and prevents them from diffusing into areas where they should not be. Lipid bilayers are ideally suited to this role, even though they are only a few nanometers in width, because they are impermeable to most water soluble (hydrophilic) molecules. Bilayers are particularly impermeable to ions, which allows cells to regulate salt concentrations and pH by transporting ions across their membranes using proteins called ion pumps. Biological bilayers are usually composed of amphiphilic phospholipids that have a hydrophilic phosphate head and a hydrophobic tail consisting of two fatty acid chains. Phospholipids with certain head groups can alter the surface chemistry of a bilayer and can, for example, serve as signals as well as "anchors" for other molecules in the membranes of cells. Just like the heads, the tails of lipids can also affect membrane properties, for instance by determining the phase of the bilayer. The bilayer can adopt a solid gel phase state at lower temperatures but undergo phase transition to a fluid state at higher temperatures, and the chemical properties of the lipids' tails influence at which temperature this happens. The packing of lipids within the bilayer also affects its mechanical properties, including its resistance to stretching and bending. Many of these properties have been studied with the use of artificial "model" bilayers produced in a lab. Vesicles made by model bilayers have also been used clinically to deliver drugs. The structure of biological membranes typically includes several types of molecules in addition to the phospholipids comprising the bilayer. A particularly important example in animal cells is cholesterol, which helps strengthen the bilayer and decrease its permeability. Cholesterol also helps regulate the activity of certain integral membrane proteins. Integral membrane proteins function when incorporated into a lipid bilayer, and they are held tightly to the lipid bilayer with the help of an annular lipid shell. Because bilayers define the boundaries of the cell and its compartments, these membrane proteins are involved in many intra and inter cellular signaling processes. Certain kinds of membrane proteins are involved in the process of fusing two bilayers together. This fusion allows the joining of two distinct structures as in the acrosome reaction during fertilization of an egg by a sperm, or the entry of a virus into a cell. Because lipid bilayers are fragile and invisible in a traditional microscope, they are a challenge to study. Experiments on bilayers often require advanced techniques like electron microscopy and atomic force microscopy.

Структура и организация

Когда фосфолипиды контактируют с водой, они самопроизвольно собираются в двухслойную структуру, при которой гидрофобные "хвосты" направлены внутрь, к центру слоя. Эта организация формирует два "листочка", каждый из которых представляет собой один молекулярный слой. В центре этого бислоя содержится очень мало воды и он не пропускает водорастворимые молекулы, такие как сахара или соли. Процесс самосборки обусловлен агрегацией гидрофобных молекул (также известный как гидрофобный эффект). Этот сложный процесс включает нековалентные взаимодействия, такие как силы Ван-дер-Ваальса, электростатические взаимодействия и водородные связи.

Анализ поперечного сечения

Липидный бислой очень тонкий по сравнению с его латеральными размерами. Если типичную клетку млекопитающего (диаметр ~10 микрометров) увеличить до размера арбуза (~1 фут / 30 см), липидный бислой, составляющий плазматическую мембрану, будет примерно такой же толщины, как лист офисной бумаги. Несмотря на то, что толщина бислоя составляет всего несколько нанометров, он состоит из нескольких различных химических областей в поперечном сечении. Эти области и их взаимодействие с окружающей водой были охарактеризованы за последние несколько десятилетий с помощью рентгеновской рефлектометрии, нейтронного рассеяния и методов ядерного магнитного резонанса. Первая область с обеих сторон бислоя – гидрофильная головная группа. Эта часть мембраны полностью гидратирована и обычно имеет толщину около 0,8–0,9 нм. В фосфолипидных бислоях фосфатная группа находится в этой гидратированной области, примерно на 0,5 нм за пределами гидрофобного ядра. В некоторых случаях гидратированная область может простираться значительно дальше, например, в липидах с большим белком или длинной сахарной цепью, присоединенной к головке. Одним из распространенных примеров такой модификации в природе является липополисахаридная оболочка на внешней мембране бактерий, которая помогает удерживать водный слой вокруг бактерии для предотвращения обезвоживания. Рядом с гидратированной областью находится промежуточная область, которая гидратирована лишь частично. Этот пограничный слой имеет толщину около 0,3 нм. На этом небольшом расстоянии концентрация воды снижается с 2 М на стороне головки до почти нуля на стороне хвостов (ядра). Гидрофобное ядро бислоя обычно имеет толщину 3–4 нм, но это значение меняется в зависимости от длины цепи и химического состава. Толщина ядра также значительно изменяется с температурой, особенно вблизи фазового перехода.

Асимметрия

Во многих естественных бислоях состав внутренней и внешней мембранных листочек отличается. В красных кровяных клетках человека внутренняя (цитоплазматическая) листовка состоит в основном из фосфатидилэтаноламина, фосфатидилсерина и фосфатидилинозитола и его фосфорилированных производных. В отличие от этого, внешняя (внеклеточная) листовка основана на фосфатидилхолине, сфингомиелине и различных гликолипидах. В некоторых случаях эта асимметрия обусловлена местом синтеза липидов в клетке и отражает их первоначальную ориентацию. Биологические функции липидной асимметрии изучены не до конца, хотя ясно, что она используется в различных ситуациях. Например, при апоптозе фосфатидилсерин, обычно локализованный в цитоплазматической листовке, перемещается на внешнюю поверхность, где распознается макрофагом, который затем активно удаляет умирающую клетку. Липидная асимметрия возникает, по крайней мере частично, из-за того, что большинство фосфолипидов синтезируется и первоначально встраивается во внутренний монослой, а те, что составляют внешний монослой, транспортируются из внутреннего монослоя ферментами, называемыми флиппазами. Другие липиды, такие как сфингомиелин, синтезируются непосредственно во внешней листовке. Флиппазы принадлежат к более широкому семейству транспортных молекул липидов, которое также включает флоппазы, переносящие липиды в противоположном направлении, и скремблазы, которые рандомизируют распределение липидов в бислое (как в апоптотических клетках). Как только липидная асимметрия установлена, она обычно не быстро исчезает, поскольку спонтанный флип-флоп липидов между листовками происходит крайне медленно. Эту асимметрию можно воспроизвести в лаборатории в модельных бислойных системах. Определенные типы очень маленьких искусственных везикул автоматически приобретают некоторую асимметрию, хотя механизм ее возникновения отличается от клеточного. Используя два различных монослоя при осаждении Лангмюра-Блоджетт или комбинацию осаждения Лангмюра-Блоджетт и разрыва везикул, можно также синтезировать асимметричный плоский бислой. Эта асимметрия может со временем теряться, поскольку липиды в поддерживаемых бислоях склонны к флип-флопу. Однако сообщалось, что флип-флоп липидов протекает медленнее, чем транспорт холестерина и других небольших молекул. Также сообщалось, что организация и динамика липидных монослоев в бислое взаимосвязаны. Например, введение препятствий в один монослой может замедлить латеральную диффузию в обоих монослоях. В отличие от бислоев в жидкой фазе, липиды в бислоях в гелевой фазе обладают меньшей подвижностью. Фазовое поведение липидных бислоев в значительной степени определяется силой притягательных взаимодействий Ван-дер-Ваальса между соседними молекулами липидов. Липиды с более длинными хвостами имеют большую площадь для взаимодействия, что усиливает это взаимодействие и, как следствие, снижает подвижность липидов. Таким образом, при заданной температуре липид с коротким хвостом будет более текучим, чем идентичный липид с длинным хвостом, и, следовательно, может локально концентрироваться или активироваться. Особенно важным компонентом многих смешанных фазных систем является холестерин, который модулирует проницаемость бислоя, механическую прочность и биохимические взаимодействия.

In many naturally occurring bilayers, the compositions of the inner and outer membrane leaflets are different. In human red blood cells, the inner (cytoplasmic) leaflet is composed mostly of phosphatidylethanolamine, phosphatidylserine and phosphatidylinositol and its phosphorylated derivatives. By contrast, the outer (extracellular) leaflet is based on phosphatidylcholine, sphingomyelin and a variety of glycolipids. In some cases, this asymmetry is based on where the lipids are made in the cell and reflects their initial orientation. The biological functions of lipid asymmetry are imperfectly understood, although it is clear that it is used in several different situations. For example, when a cell undergoes apoptosis, the phosphatidylserine — normally localised to the cytoplasmic leaflet — is transferred to the outer surface: There, it is recognised by a macrophage that then actively scavenges the dying cell. Lipid asymmetry arises, at least in part, from the fact that most phospholipids are synthesised and initially inserted into the inner monolayer: those that constitute the outer monolayer are then transported from the inner monolayer by a class of enzymes called flippases. Other lipids, such as sphingomyelin, appear to be synthesised at the external leaflet. Flippases are members of a larger family of lipid transport molecules that also includes floppases, which transfer lipids in the opposite direction, and scramblases, which randomize lipid distribution across lipid bilayers (as in apoptotic cells). In any case, once lipid asymmetry is established, it does not normally dissipate quickly because spontaneous flip flop of lipids between leaflets is extremely slow. It is possible to mimic this asymmetry in the laboratory in model bilayer systems. Certain types of very small artificial vesicle will automatically make themselves slightly asymmetric, although the mechanism by which this asymmetry is generated is very different from that in cells. By utilizing two different monolayers in Langmuir Blodgett deposition or a combination of Langmuir Blodgett and vesicle rupture deposition it is also possible to synthesize an asymmetric planar bilayer. This asymmetry may be lost over time as lipids in supported bilayers can be prone to flip flop. However, it has been reported that lipid flip flop is slow compare to cholesterol and other smaller molecules. It has been reported that the organization and dynamics of the lipid monolayers in a bilayer are coupled. For example, introduction of obstructions in one monolayer can slow down the lateral diffusion in both monolayers. Unlike liquid phase bilayers, the lipids in a gel phase bilayer have less mobility. The phase behavior of lipid bilayers is determined largely by the strength of the attractive Van der Waals interactions between adjacent lipid molecules. Longer tailed lipids have more area over which to interact, increasing the strength of this interaction and, as a consequence, decreasing the lipid mobility. Thus, at a given temperature, a short tailed lipid will be more fluid than an otherwise identical long tailed lipid. and thus be locally concentrated or activated. One particularly important component of many mixed phase systems is cholesterol, which modulates bilayer permeability, mechanical strength, and biochemical interactions.

Химия поверхности

В то время как липидные хвосты в основном модулируют фазовое поведение бислоя, именно головная группа определяет поверхностную химию бислоя. Большинство природных бислоев состоят преимущественно из фосфолипидов, но сфинголипиды и стеролы, такие как холестерин, также являются важными компонентами. Среди фосфолипидов наиболее распространенной головной группой является фосфатидилхолин (ФХ), составляющий около половины всех фосфолипидов в большинстве клеток млекопитающих. В то же время, PS в везикулах пластинки роста необходим для нуклеации кристаллов гидроксиапатита и последующей минерализации костей. В отличие от ФХ, некоторые другие головные группы несут чистый заряд, который может изменять электростатические взаимодействия малых молекул с бислоем.

Удерживание и разделение

Основная роль липидного бислоя в биологии заключается в отделении водных компартментов от их окружения. Без какой-либо формы барьера, разграничивающего «свое» от «чужого», трудно даже определить понятие организма или жизни. Этот барьер принимает форму липидного бислоя во всех известных формах жизни, за исключением нескольких видов архей, которые используют специально адаптированный липидный монослой. Способность липидного бислоя к разделению основана на том факте, что гидрофильные молекулы не могут легко пересекать гидрофобное ядро бислоя, как обсуждается в разделе «Транспорт через бислой» ниже. Ядро, митохондрии и хлоропласты имеют два липидных бислоя, в то время как другие субклеточные структуры окружены одним липидным бислоем (такие как плазматическая мембрана, эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи и лизосомы). См. также «Органелла». У прокариот есть только один липидный бислой – клеточная мембрана (также известная как плазматическая мембрана). У многих прокариот также есть клеточная стенка, но она состоит из белков или длинноцепочечных углеводов, а не липидов. В отличие от них, у эукариот есть ряд органелл, включая ядро, митохондрии, лизосомы и эндоплазматический ретикулум. Все эти субклеточные компартменты окружены одним или несколькими липидными бислоями и вместе обычно составляют большую часть площади бислоя в клетке. Например, в гепатоцитах печени плазматическая мембрана составляет всего два процента от общей площади бислоя клетки, в то время как эндоплазматический ретикулум содержит более пятидесяти процентов, а митохондрии – еще тридцать процентов. Некоторые из этих белков связаны с внешней стороной клеточной мембраны. Примером является белок CD59, который идентифицирует клетки как «свои» и, таким образом, ингибирует их разрушение иммунной системой. Вирус ВИЧ избегает действия иммунной системы, частично перенося эти белки с мембраны хозяина на свою собственную поверхность. Кроме того, некоторые мембранные белки проникают сквозь весь бислой и служат для передачи отдельных сигнальных событий извне внутрь клетки. Наиболее распространенным классом таких белков является рецептор, сопряженный с G-белком (GPCR). GPCR отвечают за значительную часть способности клетки воспринимать окружающую среду, и из-за этой важной роли около 40% всех современных лекарств нацелены на GPCR. Помимо процессов, опосредованных белками и раствором, липидные бислои также могут непосредственно участвовать в передаче сигналов. Классическим примером является фагоцитоз, индуцированный фосфатидилсерином. Обычно фосфатидилсерин асимметрично распределен в клеточной мембране и присутствует только на внутренней стороне. Во время запрограммированной клеточной смерти белок, называемый скрамблазой, выравнивает это распределение, экспонируя фосфатидилсерин на внешней поверхности бислоя. Присутствие фосфатидилсерина затем запускает фагоцитоз для удаления мертвой или умирающей клетки.

The primary role of the lipid bilayer in biology is to separate aqueous compartments from their surroundings. Without some form of barrier delineating “self” from “non self”, it is difficult to even define the concept of an organism or of life. This barrier takes the form of a lipid bilayer in all known life forms except for a few species of archaea that utilize a specially adapted lipid monolayer. The partitioning ability of the lipid bilayer is based on the fact that hydrophilic molecules cannot easily cross the hydrophobic bilayer core, as discussed in Transport across the bilayer below. The nucleus, mitochondria and chloroplasts have two lipid bilayers, while other sub cellular structures are surrounded by a single lipid bilayer (such as the plasma membrane, endoplasmic reticula, Golgi apparatus and lysosomes). See Organelle. Prokaryotes have only one lipid bilayer the cell membrane (also known as the plasma membrane). Many prokaryotes also have a cell wall, but the cell wall is composed of proteins or long chain carbohydrates, not lipids. In contrast, eukaryotes have a range of organelles including the nucleus, mitochondria, lysosomes and endoplasmic reticulum. All of these sub cellular compartments are surrounded by one or more lipid bilayers and, together, typically comprise the majority of the bilayer area present in the cell. In liver hepatocytes for example, the plasma membrane accounts for only two percent of the total bilayer area of the cell, whereas the endoplasmic reticulum contains more than fifty percent and the mitochondria a further thirty percent. Some of these proteins are linked to the exterior of the cell membrane. An example of this is the CD59 protein, which identifies cells as “self” and thus inhibits their destruction by the immune system. The HIV virus evades the immune system in part by grafting these proteins from the host membrane onto its own surface. Alternatively, some membrane proteins penetrate all the way through the bilayer and serve to relay individual signal events from the outside to the inside of the cell. The most common class of this type of protein is the G protein coupled receptor (GPCR). GPCRs are responsible for much of the cell's ability to sense its surroundings and, because of this important role, approximately 40% of all modern drugs are targeted at GPCRs. In addition to protein and solution mediated processes, it is also possible for lipid bilayers to participate directly in signaling. A classic example of this is phosphatidylserine triggered phagocytosis. Normally, phosphatidylserine is asymmetrically distributed in the cell membrane and is present only on the interior side. During programmed cell death a protein called a scramblase equilibrates this distribution, displaying phosphatidylserine on the extracellular bilayer face. The presence of phosphatidylserine then triggers phagocytosis to remove the dead or dying cell.

Методы характеристики

Липидный бислой — очень сложная для изучения структура из-за своей чрезвычайной тонкости и хрупкости. Несмотря на эти ограничения, за последние семьдесят лет были разработаны десятки методов, позволяющих исследовать его структуру и функции.

Электрические измерения

Электрические измерения – это простой способ характеристики важной функции бислоя: его способности разделять и предотвращать прохождение ионов в растворе. Путем приложения напряжения к бислою и измерения результирующего тока определяется его сопротивление. Это сопротивление обычно очень велико (10⁸ Ом см² и более), поскольку гидрофобное ядро непроницаемо для заряженных частиц. Появление даже нескольких нанометровых отверстий приводит к резкому увеличению тока. Чувствительность этой системы настолько высока, что позволяет регистрировать даже активность отдельных ионных каналов.

Флуоресцентная микроскопия

Липидный бислой нельзя увидеть в традиционный микроскоп из-за его чрезвычайной тонкости, поэтому исследователи часто используют флуоресцентную микроскопию. Образец возбуждают светом одной длины волны и наблюдают в другой, так что видны только флуоресцентные молекулы, чьи спектры возбуждения и излучения соответствуют друг другу. Естественный липидный бислой не флуоресцирует, поэтому к некоторым молекулам в бислое необходимо присоединить хотя бы один флуоресцентный краситель. Разрешение обычно ограничено несколькими сотнями нанометров, что, к сожалению, значительно превышает толщину липидного бислоя.

Электронная микроскопия

Электронная микроскопия обеспечивает изображение с более высоким разрешением. В электронном микроскопе образец взаимодействует с пучком сфокусированных электронов, а не с пучком света, как в традиционной микроскопии. В сочетании с методами быстрой заморозки электронная микроскопия также применялась для изучения механизмов меж- и внутриклеточного транспорта, например, для демонстрации того, что экзоцитозные везикулы обеспечивают химическое высвобождение в синапсах.

Спектроскопия ядерного магнитного резонанса

Спектроскопия 31P ЯМР (ядерного магнитного резонанса) широко используется для изучения фосфолипидных бислоев и биологических мембран в нативных условиях. Анализ 31P ЯМР-спектров липидов позволяет получить широкий спектр информации об упаковке липидов в бислое, фазовых переходах (гелевая фаза, физиологическая жидкокристаллическая фаза, рябь-фазы, небислойные фазы), ориентации и динамике липидных головок, а также об эластических свойствах чистого липидного бислоя и об изменениях, возникающих при связывании с белками и другими биомолекулами.

Атомно-силовая микроскопия

[[Файл: Поддерживаемый липидный бислой и наночастицы AFM.png|left|thumb|250px|3d Адаптированные изображения, полученные с помощью АФМ, демонстрирующие формирование трансмембранных пор (отверстий) в поддерживаемом липидном бислое и фазовые переходы в поддерживаемых бислоях. Еще одно преимущество заключается в том, что АФМ не требует флуоресцентной или изотопной маркировки липидов, поскольку наконечник зонда механически взаимодействует с поверхностью бислоя. Благодаря этому, один и тот же сканер может визуализировать как липиды, так и связанные с ними белки, иногда даже с разрешением в одну молекулу. АФМ также позволяет исследовать механические свойства липидных бислоев.

Интерферометрия двойной поляризации

Липидные бислои демонстрируют высокий уровень двулучепреломления, при котором показатель преломления в плоскости бислоя может отличаться от перпендикулярного на величину до 0,1 единиц показателя преломления. Это используется для характеристики степени упорядоченности и дезорганизации в бислоях с помощью интерферометрии двойной поляризации с целью изучения механизмов взаимодействия белков.

Квантовые химические расчеты

Липидные бислои – сложные молекулярные системы с множеством степеней свободы. Поэтому атомистическое моделирование мембран, и особенно ab initio расчеты их свойств, является сложной и вычислительно затратной задачей. В последнее время квантово-химические расчеты успешно применялись для оценки дипольных и квадрупольных моментов липидных мембран.

Пассивная диффузия

Большинство полярных молекул имеют низкую растворимость в углеводородном ядре липидного бислоя и, как следствие, низкие коэффициенты проницаемости через бислой. Этот эффект особенно выражен для заряженных частиц, которые имеют ещё более низкие коэффициенты проницаемости, чем нейтральные полярные молекулы. Анионы обычно диффундируют через бислои быстрее, чем катионы. По сравнению с ионами, молекулы воды обладают относительно высокой проницаемостью через бислой, что подтверждается осмотическим набуханием. Если клетку или везикулу с высокой внутренней концентрацией соли поместить в раствор с низкой концентрацией соли, она набухнет и в конечном итоге лопнет. Такой результат был бы невозможен, если бы вода не могла относительно легко проникать через бислой. Аномально высокая проницаемость воды через бислои до сих пор полностью не выяснена и остаётся предметом активных дискуссий. Небольшие незаряженные неполярные молекулы диффундируют через липидные бислои на много порядков быстрее, чем ионы или вода. Это относится как к жирам, так и к органическим растворителям, таким как хлороформ и эфир. Независимо от их полярности, более крупные молекулы диффундируют через липидные бислои медленнее, чем мелкие молекулы. Структура калийного ионного канала. Альфа-спирали проникают в бислой (границы обозначены красными и синими линиями), образуя отверстие, через которое могут проходить ионы калия.

Эндоцитоз и экзоцитоз

Некоторые молекулы или частицы слишком велики или слишком гидрофильны, чтобы пройти через липидный бислой. Другие молекулы могут проходить через бислой, но должны быть быстро транспортированы в таком большом количестве, что транспорт через каналы нецелесообразен. В обоих случаях эти типы грузов могут перемещаться через клеточную мембрану путем слияния или почкования везикул. Когда везикула образуется внутри клетки и сливается с плазматической мембраной, высвобождая свое содержимое во внеклеточное пространство, этот процесс называется экзоцитозом. В обратном процессе область клеточной мембраны впячивается внутрь и в конечном итоге отпочковывается, захватывая часть внеклеточной жидкости для транспортировки ее в клетку. Эндоцитоз и экзоцитоз полагаются на совершенно разные молекулярные механизмы для функционирования, но эти два процесса тесно связаны и не могут работать друг без друга. Основным механизмом этой взаимозависимости является большое количество липидного материала. В типичной клетке площадь бислоя, эквивалентная всей плазматической мембране, проходит через цикл эндоцитоза/экзоцитоза примерно за полчаса. Если бы эти два процесса не были сбалансированы, клетка либо раздулась бы до неуправляемых размеров, либо полностью истощила бы свою плазматическую мембрану за короткое время. thumb|right|210px|Экзоцитоз внешних мембранных везикул (ВМВ), высвобождаемых из раздутых периплазматических карманов (п) на поверхности человеческой Salmonella 3,10:r: патогенов, докингующихся к плазматической мембране клеток макрофагов (М) в куриной тонкой кишке, для межклеточной сигнализации хозяина и патогена in vivo. Экзоцитоз у прокариот: мембранный везикулярный экзоцитоз, широко известный как транспорт мембранных везикул, процесс, удостоенный Нобелевской премии (2013 год), традиционно считался прерогативой эукариотических клеток. Однако этот миф был развеян с открытием того, что нановезикулы, широко известные как везикулы внешней мембраны бактерий, выделяемые грамотрицательными микробами, транслоцируют молекулы бактериальных сигналов в клетки-хозяева или клетки-мишени для осуществления множества процессов в пользу секретирующего микроба, например, при инвазии клетки-хозяина и взаимодействиях микроба с окружающей средой в целом.

Some molecules or particles are too large or too hydrophilic to pass through a lipid bilayer. Other molecules could pass through the bilayer but must be transported rapidly in such large numbers that channel type transport is impractical. In both cases, these types of cargo can be moved across the cell membrane through fusion or budding of vesicles. When a vesicle is produced inside the cell and fuses with the plasma membrane to release its contents into the extracellular space, this process is known as exocytosis. In the reverse process, a region of the cell membrane will dimple inwards and eventually pinch off, enclosing a portion of the extracellular fluid to transport it into the cell. Endocytosis and exocytosis rely on very different molecular machinery to function, but the two processes are intimately linked and could not work without each other. The primary mechanism of this interdependence is the large amount of lipid material involved. In a typical cell, an area of bilayer equivalent to the entire plasma membrane will travel through the endocytosis/exocytosis cycle in about half an hour. If these two processes were not balancing each other, the cell would either balloon outward to an unmanageable size or completely deplete its plasma membrane within a short time. thumb|right|210px|Exocytosis of outer membrane vesicles (MV) liberated from inflated periplasmic pockets (p) on surface of human Salmonella 3,10:r: pathogens docking on plasma membrane of macrophage cells (M) in chicken ileum, for host pathogen signaling in vivo. Exocytosis in prokaryotes: Membrane vesicular exocytosis, popularly known as membrane vesicle trafficking, a Nobel prize winning (year, 2013) process, is traditionally regarded as a prerogative of eukaryotic cells. This myth was however broken with the revelation that nanovesicles, popularly known as bacterial outer membrane vesicles, released by gram negative microbes, translocate bacterial signal molecules to host or target cells to carry out multiple processes in favour of the secreting microbe e. g., in host cell invasion and microbe environment interactions, in general.

Электропорация

Электропорация – это быстрое увеличение проницаемости бислоя, индуцированное приложением сильного искусственного электрического поля к мембране. Экспериментально электропорация используется для введения гидрофильных молекул в клетки. Это особенно полезная техника для крупных высокозаряженных молекул, таких как ДНК, которые не способны пассивно диффундировать через гидрофобное ядро бислоя. Благодаря этому электропорация является одним из ключевых методов трансфекции и бактериальной трансформации. Даже было предложено, что электропорация, возникающая в результате ударов молнии, может быть механизмом естественного горизонтального переноса генов. Это увеличение проницаемости в первую очередь влияет на транспорт ионов и других гидратированных частиц, что указывает на то, что механизм заключается в образовании наноразмерных водозаполненных пор в мембране. Хотя электропорация и диэлектрический пробой оба являются результатом приложения электрического поля, лежащие в их основе механизмы принципиально различны. При диэлектрическом пробое барьерный материал ионизируется, создавая проводящий путь. Таким образом, изменение материала носит химический характер. В отличие от этого, во время электропорации молекулы липидов не претерпевают химических изменений, а лишь смещаются, открывая поры, которые служат проводящим путем через бислой, когда они заполняются водой.

Механика

Схема, показывающая две возможные конформации липидов на краю поры. На верхнем изображении липиды не перестроились, поэтому стенка поры гидрофобна. На нижнем изображении некоторые липидные головки согнулись, поэтому стенка поры гидрофильна. Липидные бислои – это достаточно крупные структуры, обладающие некоторыми механическими свойствами жидкостей или твердых тел. Для их описания можно использовать модуль сжатия площади Ka, модуль изгиба Kb и энергию края. Твердые липидные бислои также имеют модуль сдвига, но, как и любая жидкость, модуль сдвига равен нулю для текучих бислоев. Эти механические свойства влияют на функционирование мембраны. Ka и Kb влияют на способность белков и малых молекул внедряться в бислой, а механические свойства бислоя, как было показано, изменяют функцию механически активированных ионных каналов. Механические свойства бислоя также определяют, какие типы напряжений клетка может выдержать без разрыва. Хотя липидные бислои легко изгибаются, большинство из них не могут растянуться более чем на несколько процентов, прежде чем произойдет разрыв. Как обсуждалось в разделе «Структура и организация», гидрофобное притяжение липидных хвостов в воде является основной силой, удерживающей липидные бислои вместе. Таким образом, модуль упругости бислоя в первую очередь определяется тем, какая дополнительная площадь подвергается воздействию воды при растяжении молекул липидов. Неудивительно, что, учитывая это понимание сил, исследования показали, что Ka сильно зависит от осмотического давления, но лишь слабо от длины хвоста и ненасыщенности. В отличие от Ka, который является мерой энергии, необходимой для растяжения бислоя, Kb является мерой энергии, необходимой для изгиба или сгиба бислоя. Формально, модуль изгиба определяется как энергия, необходимая для деформации мембраны от ее собственной кривизны до какой-либо другой кривизны. Собственная кривизна определяется отношением диаметра головной группы к диаметру хвостовой группы. Для двуххвостых PC-липидов это отношение почти равно единице, поэтому собственная кривизна почти равна нулю. Если у определенного липида слишком большое отклонение от нулевой собственной кривизны, он не будет образовывать бислой и вместо этого будет образовывать другие фазы, такие как мицеллы или инвертированные мицеллы. Добавление небольших гидрофильных молекул, таких как сахароза, в смешанные липидные ламеллярные липосомы, изготовленные из богатых галактолипидами тилакоидных мембран, дестабилизирует бислои, переводя их в мицеллярную фазу. Обычно Kb не измеряется экспериментально, а рассчитывается на основе измерений Ka и толщины бислоя, поскольку эти три параметра взаимосвязаны. является мерой энергии, необходимой для обнажения края бислоя на воздействие воды путем разрыва бислоя или создания в нем отверстия. Источником этой энергии является то, что создание такого интерфейса подвергает некоторые липидные хвосты воздействию воды, но точная ориентация этих краевых липидов неизвестна. Существуют некоторые данные, свидетельствующие о том, что могут сосуществовать как гидрофобные (с прямыми хвостами), так и гидрофильные (с изогнутыми головками) поры.

thumb|280px|Schematic showing two possible conformations of the lipids at the edge of a pore. In the top image the lipids have not rearranged, so the pore wall is hydrophobic. In the bottom image some of the lipid heads have bent over, so the pore wall is hydrophilic. Lipid bilayers are large enough structures to have some of the mechanical properties of liquids or solids. The area compression modulus Ka, bending modulus Kb, and edge energy , can be used to describe them. Solid lipid bilayers also have a shear modulus, but like any liquid, the shear modulus is zero for fluid bilayers. These mechanical properties affect how the membrane functions. Ka and Kb affect the ability of proteins and small molecules to insert into the bilayer, and bilayer mechanical properties have been shown to alter the function of mechanically activated ion channels. Bilayer mechanical properties also govern what types of stress a cell can withstand without tearing. Although lipid bilayers can easily bend, most cannot stretch more than a few percent before rupturing. As discussed in the Structure and organization section, the hydrophobic attraction of lipid tails in water is the primary force holding lipid bilayers together. Thus, the elastic modulus of the bilayer is primarily determined by how much extra area is exposed to water when the lipid molecules are stretched apart. It is not surprising given this understanding of the forces involved that studies have shown that Ka varies strongly with osmotic pressure but only weakly with tail length and unsaturation. In contrast to Ka, which is a measure of how much energy is needed to stretch the bilayer, Kb is a measure of how much energy is needed to bend or flex the bilayer. Formally, bending modulus is defined as the energy required to deform a membrane from its intrinsic curvature to some other curvature. Intrinsic curvature is defined by the ratio of the diameter of the head group to that of the tail group. For two tailed PC lipids, this ratio is nearly one so the intrinsic curvature is nearly zero. If a particular lipid has too large a deviation from zero intrinsic curvature it will not form a bilayer and will instead form other phases such as micelles or inverted micelles. Addition of small hydrophilic molecules like sucrose into mixed lipid lamellar liposomes made from galactolipid rich thylakoid membranes destabilises bilayers into micellar phase. Typically, Kb is not measured experimentally but rather is calculated from measurements of Ka and bilayer thickness, since the three parameters are related. is a measure of how much energy it takes to expose a bilayer edge to water by tearing the bilayer or creating a hole in it. The origin of this energy is the fact that creating such an interface exposes some of the lipid tails to water, but the exact orientation of these border lipids is unknown. There is some evidence that both hydrophobic (tails straight) and hydrophilic (heads curved around) pores can coexist.

Слияние

right|thumb|280px| Иллюстрация слияния липидных везикул, демонстрирующая два возможных исхода: гемифузию и полное слияние. При гемифузии смешиваются только внешние листки бислоя. При полном слиянии смешиваются оба листка, а также внутреннее содержимое. Слияние – это процесс, при котором два липидных бислоя объединяются, образуя единую связанную структуру. Если это слияние происходит полностью через оба листка обоих бислоев, формируется заполненный водой мостик, и растворы, содержащиеся в бислоях, могут смешиваться. В качестве альтернативы, если в процессе слияния участвует только один листок из каждого бислоя, бислои считаются гемифузированными. Слияние вовлечено во многие клеточные процессы, особенно в эукариотах, поскольку эукариотическая клетка интенсивно подразделена липидными бислойными мембранами. Экзоцитоз, оплодотворение яйцеклетки активацией сперматозоида и транспорт отходов в лизосому – лишь некоторые из множества эукариотических процессов, которые зависят от той или иной формы слияния. Даже проникновение патогенов может регулироваться слиянием, поскольку многие вирусы, покрытые бислоем, обладают специализированными белками слияния для проникновения в клетку-хозяина. В процессе слияния выделяют четыре основных этапа. Одной из важнейших ролей кальция в организме является регуляция слияния мембран. Третьим этапом является формирование дестабилизации в одной точке между двумя бислоями, локально искажающей их структуру. Точная природа этого искажения неизвестна. Одна из теорий предполагает, что между двумя бислоями должна образоваться сильно изогнутая «ножка». Сторонники этой теории полагают, что это объясняет, почему фосфатидилэтаноламин, липид с высокой кривизной, способствует слиянию. Наконец, на последнем этапе слияния эта точечная дефект растет, и компоненты двух бислоев смешиваются и диффундируют от места контакта. left|thumb|420px| Схематическая иллюстрация процесса слияния через формирование ножки. right|thumb|330px| Диаграмма действия SNARE-белков, осуществляющих докинг везикулы для экзоцитоза. Комplementные версии белка на везикуле и целевой мембране связываются и обматываются друг вокруг друга, в процессе приближая два бислоя друг к другу. Ситуация усложняется при рассмотрении слияния in vivo, поскольку биологическое слияние почти всегда регулируется действием белков, связанных с мембраной. Первыми изученными белками этого типа были вирусные белки слияния, которые позволяют вирусной оболочке вводить свой генетический материал в клетку-хозяина (вирусы с оболочкой – это вирусы, окруженные липидным бислоем; некоторые другие имеют только белковую оболочку). Эукариотические клетки также используют белки слияния, наиболее изученными из которых являются SNARE-белки. SNARE-белки используются для направления всего везикулярного внутриклеточного транспорта. Несмотря на многолетние исследования, многое остается неизвестным о функции этого класса белков. Фактически, до сих пор ведутся активные дебаты относительно того, связаны ли SNARE-белки с ранним докингом или участвуют позже в процессе слияния, облегчая гемифузию. В исследованиях молекулярной и клеточной биологии часто желательно искусственно индуцировать слияние. Добавление полиэтиленгликоля (ПЭГ) вызывает слияние без значительной агрегации или биохимических нарушений. Эта процедура широко используется, например, при слиянии B-клеток с миеломными клетками. Полученный «гибридом» из этой комбинации экспрессирует желаемое антитело, определяемое вовлеченной B-клеткой, но становится бессмертным благодаря компоненту меланомы. Слияние также может быть искусственно индуцировано посредством электропорации в процессе, известном как электрофузия. Считается, что это явление является результатом энергетически активных краев, образующихся во время электропорации, которые могут действовать как локальная дефектная точка для зарождения роста ножки между двумя бислоями.

right|thumb|280px| Illustration of lipid vesicles fusing showing two possible outcomes: hemifusion and full fusion. In hemifusion, only the outer bilayer leaflets mix. In full fusion both leaflets as well as the internal contents mix. Fusion is the process by which two lipid bilayers merge, resulting in one connected structure. If this fusion proceeds completely through both leaflets of both bilayers, a water filled bridge is formed and the solutions contained by the bilayers can mix. Alternatively, if only one leaflet from each bilayer is involved in the fusion process, the bilayers are said to be hemifused. Fusion is involved in many cellular processes, in particular in eukaryotes, since the eukaryotic cell is extensively sub divided by lipid bilayer membranes. Exocytosis, fertilization of an egg by sperm activation, and transport of waste products to the lysozome are a few of the many eukaryotic processes that rely on some form of fusion. Even the entry of pathogens can be governed by fusion, as many bilayer coated viruses have dedicated fusion proteins to gain entry into the host cell. There are four fundamental steps in the fusion process. One of the critical roles of calcium in the body is regulating membrane fusion. Third, a destabilization must form at one point between the two bilayers, locally distorting their structures. The exact nature of this distortion is not known. One theory is that a highly curved "stalk" must form between the two bilayers. Proponents of this theory believe that it explains why phosphatidylethanolamine, a highly curved lipid, promotes fusion. Finally, in the last step of fusion, this point defect grows and the components of the two bilayers mix and diffuse away from the site of contact. left|thumb|420px| Schematic illustration of the process of fusion through stalk formation. right|thumb|330px| Diagram of the action of SNARE proteins docking a vesicle for exocytosis. Complementary versions of the protein on the vesicle and the target membrane bind and wrap around each other, drawing the two bilayers close together in the process. The situation is further complicated when considering fusion in vivo since biological fusion is almost always regulated by the action of membrane associated proteins. The first of these proteins to be studied were the viral fusion proteins, which allow an enveloped virus to insert its genetic material into the host cell (enveloped viruses are those surrounded by a lipid bilayer; some others have only a protein coat). Eukaryotic cells also use fusion proteins, the best studied of which are the SNAREs. SNARE proteins are used to direct all vesicular intracellular trafficking. Despite years of study, much is still unknown about the function of this protein class. In fact, there is still an active debate regarding whether SNAREs are linked to early docking or participate later in the fusion process by facilitating hemifusion. In studies of molecular and cellular biology it is often desirable to artificially induce fusion. The addition of polyethylene glycol (PEG) causes fusion without significant aggregation or biochemical disruption. This procedure is now used extensively, for example by fusing B cells with myeloma cells. The resulting “hybridoma” from this combination expresses a desired antibody as determined by the B cell involved, but is immortalized due to the melanoma component. Fusion can also be artificially induced through electroporation in a process known as electrofusion. It is believed that this phenomenon results from the energetically active edges formed during electroporation, which can act as the local defect point to nucleate stalk growth between two bilayers.

Коммерческие применения

На сегодняшний день наиболее успешным коммерческим применением липидных бислоев является использование липосом для доставки лекарственных средств, особенно в лечении рака. (Обратите внимание, что термин «липосома» по сути является синонимом «везикулы», за исключением того, что «везикула» – это общий термин для обозначения структуры, в то время как «липосома» относится только к искусственным, а не к естественным везикулам). Основная идея липосомальной доставки лекарств заключается в том, что препарат инкапсулируется в раствор внутри липосомы, а затем вводится пациенту. Эти, нагруженные лекарственным средством, липосомы циркулируют в организме, пока не свяжутся с целевым участком и не разрушатся, высвобождая препарат. В теории, липосомы должны представлять собой идеальную систему доставки лекарств, поскольку они способны изолировать практически любое гидрофильное лекарственное средство, могут быть модифицированы молекулами для нацеливания на конкретные ткани и могут быть относительно нетоксичными, так как организм обладает биохимическими путями для расщепления липидов. Липосомы первого поколения для доставки лекарств имели простой липидный состав и обладали рядом ограничений. Их циркуляция в кровотоке была крайне ограничена из-за почечного клиринга и фагоцитоза. Улучшение липидного состава для регулирования текучести, плотности поверхностного заряда и поверхностной гидратации привело к созданию везикул, которые адсорбируют меньше белков из сыворотки и, следовательно, менее легко распознаются иммунной системой. Наиболее значительным достижением в этой области стала модификация поверхности липосом полиэтиленгликолем (ПЭГ) для получения «стелс-везикул», которые циркулируют в течение длительного времени, не подвергаясь иммунному или почечному клирингу. Первые «стелс-липосомы» были пассивно нацелены на опухолевые ткани. Поскольку опухоли индуцируют быстрый и неконтролируемый ангиогенез, они особенно «проницаемы» и позволяют липосомам покидать кровоток с гораздо большей скоростью, чем в нормальных тканях. В последнее время проводятся работы по модификации поверхности липосом антителами или другими молекулярными маркерами в надежде на их активное связывание с определенным типом клеток или тканей. Некоторые примеры такого подхода уже проходят клинические испытания. Другим потенциальным применением липидных бислоев является область биосенсоров. Поскольку липидный бислой является барьером между внутренней и внешней средой клетки, он также является местом интенсивной трансдукции сигнала. На протяжении многих лет исследователи пытались использовать этот потенциал для разработки устройств на основе бислоев для клинической диагностики или обнаружения биологической угрозы. Прогресс в этой области был медленным, и хотя несколько компаний разработали автоматизированные системы обнаружения на основе липидов, они по-прежнему ориентированы на исследовательское сообщество. К ним относятся Biacore (теперь GE Healthcare Life Sciences), предлагающая одноразовый чип для использования липидных бислоев в исследованиях кинетики связывания, и Nanion Inc., разработавшая автоматизированную систему патч-клемпинга. Также изучаются другие, более экзотические применения, такие как использование пор липидной бислойной мембраны для секвенирования ДНК в Oxford Nanopore. На сегодняшний день эта технология не доказала свою коммерческую жизнеспособность. Поддерживаемый липидный бислой (SLB), как описано выше, достиг коммерческого успеха в качестве метода скрининга для измерения проницаемости лекарственных средств. Этот метод измерения проницаемости параллельной искусственной мембраны (PAMPA) измеряет проницаемость через специально разработанные липидные коктейли, которые, как было установлено, тесно коррелируют с культурами Caco-2, желудочно-кишечным трактом, гематоэнцефалическим барьером и кожей.

To date, the most successful commercial application of lipid bilayers has been the use of liposomes for drug delivery, especially for cancer treatment. (Note the term “liposome” is in essence synonymous with “vesicle” except that vesicle is a general term for the structure whereas liposome refers to only artificial not natural vesicles) The basic idea of liposomal drug delivery is that the drug is encapsulated in solution inside the liposome then injected into the patient. These drug loaded liposomes travel through the system until they bind at the target site and rupture, releasing the drug. In theory, liposomes should make an ideal drug delivery system since they can isolate nearly any hydrophilic drug, can be grafted with molecules to target specific tissues and can be relatively non toxic since the body possesses biochemical pathways for degrading lipids. The first generation of drug delivery liposomes had a simple lipid composition and suffered from several limitations. Circulation in the bloodstream was extremely limited due to both renal clearing and phagocytosis. Refinement of the lipid composition to tune fluidity, surface charge density, and surface hydration resulted in vesicles that adsorb fewer proteins from serum and thus are less readily recognized by the immune system. The most significant advance in this area was the grafting of polyethylene glycol (PEG) onto the liposome surface to produce “stealth” vesicles, which circulate over long times without immune or renal clearing. The first stealth liposomes were passively targeted at tumor tissues. Because tumors induce rapid and uncontrolled angiogenesis they are especially “leaky” and allow liposomes to exit the bloodstream at a much higher rate than normal tissue would. More recently work has been undertaken to graft antibodies or other molecular markers onto the liposome surface in the hope of actively binding them to a specific cell or tissue type. Some examples of this approach are already in clinical trials. Another potential application of lipid bilayers is the field of biosensors. Since the lipid bilayer is the barrier between the interior and exterior of the cell, it is also the site of extensive signal transduction. Researchers over the years have tried to harness this potential to develop a bilayer based device for clinical diagnosis or bioterrorism detection. Progress has been slow in this area and, although a few companies have developed automated lipid based detection systems, they are still targeted at the research community. These include Biacore (now GE Healthcare Life Sciences), which offers a disposable chip for utilizing lipid bilayers in studies of binding kinetics and Nanion Inc., which has developed an automated patch clamping system. Other, more exotic applications are also being pursued such as the use of lipid bilayer membrane pores for DNA sequencing by Oxford Nanolabs. To date, this technology has not proven commercially viable. A supported lipid bilayer (SLB) as described above has achieved commercial success as a screening technique to measure the permeability of drugs. This parallel artificial membrane permeability assay PAMPA technique measures the permeability across specifically formulated lipid cocktail(s) found to be highly correlated with Caco 2 cultures, the gastrointestinal tract, blood–brain barrier and skin.

История

К началу XX века ученые пришли к выводу, что клетки окружены тонким, похожим на масло, барьером, но структурная природа этой мембраны оставалась неизвестной. Два эксперимента, проведенных в 1925 году, заложили основу для восполнения этого пробела. Измеряя емкость растворов эритроцитов, Хьюго Фрике определил, что толщина клеточной мембраны составляет 3,3 нм. Хотя результаты этого эксперимента были точными, Фрике неверно интерпретировал данные, полагая, что клеточная мембрана состоит из одного молекулярного слоя. Профессор доктор Эверт Гортер (1881–1954) и Ф. Грендель из Лейденского университета подошли к проблеме с другой стороны, распределив липиды эритроцитов в виде монослоя на ванне Лангмура-Блоджетта. Сравнив площадь монослоя с площадью поверхности клеток, они обнаружили соотношение два к одному. Последующий анализ выявил несколько ошибок и неверных предположений в этом эксперименте, но, к счастью, эти ошибки компенсировали друг друга, и на основе этих ошибочных данных Гортер и Грендель пришли к правильному выводу о том, что клеточная мембрана представляет собой липидный бислой. Эта теория была подтверждена с помощью электронной микроскопии в конце 1950-х годов. Хотя Дж. Дэвид Робертсон и не опубликовал первое исследование электронной микроскопии липидных бислоев, он первым предположил, что две темные, электронно-плотные полосы соответствуют головным группам и ассоциированным белкам двух соприкасающихся липидных монослоев. В этой работе Робертсон выдвинул концепцию «единой мембраны». Это был первый случай, когда бислойная структура была повсеместно признана для всех клеточных и органелльных мембран. Примерно в то же время разработка модельных мембран подтвердила, что липидный бислой является стабильной структурой, способной существовать независимо от белков. Мюллер и Рудин, «нанося» раствор липида в органическом растворителе через апертуру, смогли создать искусственный бислой и установить, что он обладает латеральной текучестью, высоким электрическим сопротивлением и способностью к самовосстановлению при проколе – все это свойства естественной клеточной мембраны. Спустя несколько лет Алек Бангем показал, что бислои в форме липидных везикул также могут образовываться просто путем воздействия высушенного образца липида на воду. Это был важный шаг вперед, поскольку продемонстрировало, что липидные бислои формируются спонтанно посредством самосборки и не требуют поддерживающей структуры. В 1977 году Кунитаке и Окахата синтезировали полностью синтетическую бислойную мембрану из единственного органического соединения – дидодецилдиметиламмонийбромида. Это наглядно показало, что бислойная мембрана собирается за счет межмолекулярных сил.

By the early twentieth century scientists had come to believe that cells are surrounded by a thin oil like barrier, but the structural nature of this membrane was not known. Two experiments in 1925 laid the groundwork to fill in this gap. By measuring the capacitance of erythrocyte solutions, Hugo Fricke determined that the cell membrane was 3.3 nm thick. Although the results of this experiment were accurate, Fricke misinterpreted the data to mean that the cell membrane is a single molecular layer. Prof. Dr. Evert Gorter (1881–1954) and F. Grendel of Leiden University approached the problem from a different perspective, spreading the erythrocyte lipids as a monolayer on a Langmuir Blodgett trough. When they compared the area of the monolayer to the surface area of the cells, they found a ratio of two to one. Later analyses showed several errors and incorrect assumptions with this experiment but, serendipitously, these errors canceled out and from this flawed data Gorter and Grendel drew the correct conclusion that the cell membrane is a lipid bilayer. This theory was confirmed through the use of electron microscopy in the late 1950s. Although he did not publish the first electron microscopy study of lipid bilayers J. David Robertson was the first to assert that the two dark electron dense bands were the headgroups and associated proteins of two apposed lipid monolayers. In this body of work, Robertson put forward the concept of the “unit membrane.” This was the first time the bilayer structure had been universally assigned to all cell membranes as well as organelle membranes. Around the same time, the development of model membranes confirmed that the lipid bilayer is a stable structure that can exist independent of proteins. By “painting” a solution of lipid in organic solvent across an aperture, Mueller and Rudin were able to create an artificial bilayer and determine that this exhibited lateral fluidity, high electrical resistance and self healing in response to puncture, all of which are properties of a natural cell membrane. A few years later, Alec Bangham showed that bilayers, in the form of lipid vesicles, could also be formed simply by exposing a dried lipid sample to water. This was an important advance, since it demonstrated that lipid bilayers form spontaneously via self assembly and do not require a patterned support structure. In 1977, a totally synthetic bilayer membrane was prepared by Kunitake and Okahata, from a single organic compound, didodecyldimethylammonium bromide. It clearly shows that the bilayer membrane was assembled by the intermolecular forces.