Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Клеточная теория 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 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 ( липида ), но его структура все еще оставалась 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 относительно роли белков в клеточной мембране. В конце концов была составлена модель жидкой мозаики, 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.

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

Ранние теории барьеров [ править ]

С момента изобретения микроскопа в семнадцатом веке стало известно, что ткани растений и животных состоят из клеток  : клетку открыл Роберт Гук . Стенку растительной клетки можно было легко увидеть даже в эти ранние микроскопы, но на клетках животных не было видно подобного барьера, хотя это было разумным основанием для существования. К середине 19 века этот вопрос активно исследовался, и Мориц Траубе отметил, что этот внешний слой должен быть полупроницаемым, чтобы обеспечивать перенос ионов. [1] Однако Траубе не имел прямых доказательств состава этой пленки и ошибочно утверждал, что она образовалась в результате межфазной реакции клеточной протоплазмы с внеклеточной жидкостью.[2]

Липидный характер клеточной мембраны впервые был правильно созерцаемый от Квинки, который отметил , что клетка обычно образует сферическую форму в воде , и, когда ломает пополам, образует два небольших сферы. Единственным другим известным материалом, демонстрирующим такое поведение, было масло. Он также отметил, что тонкая масляная пленка ведет себя как полупроницаемая мембрана, как и предполагалось. [3] Основываясь на этих наблюдениях, Квинке утверждал, что клеточная мембрана представляет собой жидкий слой жира толщиной менее 100 нм. [4] Эта теория была дополнительно расширена данными исследования анестетиков. Ганс Хорст Мейер и Эрнест Овертон независимо друг от друга заметили, что химические вещества, которые действуют как общие анестетикитакже 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». Основываясь на этих доказательствах и дальнейших экспериментах, они пришли к выводу, что клеточная мембрана может состоять из лецитина ( фосфатидилхолина ) и холестерина . [5] Одним из первых критиков этой теории было то, что она не включала механизм энергозависимого избирательного транспорта. [6] 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 [ править ]

Дополнительная информация: Модели мембран
Микрофотография с просвечивающей электронной микрофотографии, показывающая липидный пузырек. Две темные полосы - это две листочки, составляющие бислой. Похожие изображения, сделанные в 1950-х и 1960-х годах, подтвердили двухслойную природу клеточной мембраны.

Таким образом, к началу двадцатого века была известна химическая, но не структурная природа клеточной мембраны. Два эксперимента 1924 года заложили основу для восполнения этого пробела. Путем измерения емкости из эритроцитарных растворов Фрике установлено , что клеточная мембрана имела толщину 3,3 нм. [7] Несмотря на то, что результаты этого эксперимента были точными, Фрике неверно истолковал данные, означающие, что клеточная мембрана представляет собой единый молекулярный слой. Поскольку головные группы полярных липидов 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 по желобу Ленгмюра-Блоджетт . Когда они сравнили площадь монослоя с площадью поверхности клеток, они обнаружили соотношение два к одному. [8] Более поздний анализ этого эксперимента показал несколько проблем, включая неправильное давление монослоя, неполную экстракцию липидов и неправильный расчет площади поверхности клетки. [9] 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 . [10] По их мнению, эта белковая оболочка не имела особой структуры и была просто образована адсорбцией 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 гг. После окрашивания этикеток из тяжелых металлов Sjöstrand et al. отметили две тонкие темные полосы, разделенные светлой областью [11], 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 ассоциированными белками двух сопряженных липидных монослоев. [12] [13] 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 .

Эволюция мембранной теории [ править ]

Идея полупроницаемой мембраны , барьера, проницаемого для растворителя, но непроницаемого для молекул растворенных веществ , была разработана примерно в то же время. Термин « осмос» появился в 1827 году и осознал его важность для физиологических явлений, но только в 1877 году ботаник Вильгельм Пфеффер предложил мембранную теорию клеточной физиологии . С этой точки зрения клетка была окружена тонкой поверхностью, плазматической мембраной , а клеточная вода и растворенные вещества, такие как ион калия, существовали в физическом состоянии, подобном состоянию разбавленного раствора.. В 1889 году гамбургер использовали гемолиз из эритроцитов для определения проницаемости различных растворенных веществ. Путем измерения времени, необходимого клеткам для набухания за предел их упругости, скорость, с которой растворенные вещества проникают в клетки, можно оценить по сопутствующему 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. Основная слабость липидной мембраныотсутствие объяснения 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. Так как мембраны , как правило , менее проницаемы для анионов , Михаэлис пришел к выводу , что ионы будут адсорбироваться на стенки пор, изменение проницаемости поры до ионов электростатического отталкивания . Михаэлис продемонстрировал мембранный потенциал (1926) и предположил, что он связан с распределением ионов по мембране.[14] Харви и Джеймс Даниелли (1939) предложили двухслойную липидную мембрану, покрытую с каждой стороны слоем белка для измерения поверхностного натяжения. В 1941 году Бойл и Конвей показали, что мембрана отдыхающих мышц лягушки была 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 [ править ]

С разработкой радиоактивных индикаторов было показано, что клетки непроницаемы 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 появлению концепции, согласно которой 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 развитии мембранной теориипотенциалы клеточной мембраны с дифференциальными уравнениями, которые правильно моделируют явления, еще больше подтвердили гипотезу 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 клеточной физиологии поставили мембранную теорию на первое место.

Модель жидкой мозаики [ править ]

Основная статья: 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 простого искусственного бислоя. 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. [15] 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». [16] [17]

Та же самая боковая текучесть была впервые убедительно продемонстрирована на поверхности клетки Фраем и Эдидином в 1970 году. Они слили две клетки, помеченные разными мембранно-связанными флуоресцентными метками, и наблюдали, как смешиваются две популяции красителей. [18] Результаты этого эксперимента сыграли ключевую роль в разработке «жидкой мозаики» модели клеточной мембраны Сингером и Николсоном в 1972 году. [19]Согласно этой модели, биологические мембраны состоят в основном из голого липидного бислоя с белками, проникающими либо наполовину, либо полностью через мембрану. Эти белки визуализируются как свободно плавающие в полностью жидком бислое. Это было не первое предложение гетерогенной мембранной структуры. Действительно, еще в 1904 году Натансон предложил «мозаику» водопроницаемых и непроницаемых областей. [20] Но модель жидкой мозаики была первой, которая правильно объединила текучесть, мембранные каналы и несколько способов связывания белок / бислой в одну теорию.

Современные исследования [ править ]

Продолжение исследований выявило некоторые недостатки и упрощения исходной теории. [21] Например, канальные белки описываются как имеющие непрерывный водный канал через их центр, что, как теперь известно, в целом неверно (исключение составляют комплексы ядерных пор , которые имеют открытый водный канал длиной 9 нм). [22] Кроме того, свободная диффузия на поверхности клетки часто ограничивается областями в несколько десятков нанометров в поперечнике. Эти ограничения боковой текучести связаны с цитоскелетом.якоря, липидное фазовое разделение и агрегированные белковые структуры. 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 [ править ]

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 транспортерами, вызывающими процессы проницаемости клеток. В прошлом были разработаны альтернативные гипотезы, которые в значительной степени были отвергнуты. Одна из этих противоположных концепций, разработанных ранее в контексте исследований осмоса , проницаемости и электрических свойств клеток, была концепция Гилберта Линга . [23] Современная идея утверждает, что все эти свойства принадлежат плазматической мембране, тогда как точка зрения Линга заключалась в том, что за эти свойства ответственна протоплазма .

По мере роста поддержки теории липидных двухслойных мембран была разработана эта альтернативная концепция, которая отрицает важность липидных двухслойных мембран. 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 мембраны. В частности, он обнаружил, что разность электрических потенциалов между желатином и внешней средой может развиваться на основе концентрации H +.

Некоторая критика мембранной теории, разработанная 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 превращаясь в лоскутное одеяло (тем самым теряя свою 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 желатина и фибрина.гели. 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. [24]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Жак Лоеб , Динамика живой материи . Биологическая серия Колумбийского университета , изд. HF Osborn и EB Wilson . Vol. VIII. 1906. Нью-Йорк: издательство Колумбийского университета.
  2. ^ «Ботаника» . Журнал Королевского микроскопического общества . 2 (5): 592. 1879. DOI : 10.1111 / j.1365-2818.1879.tb01675.x .
  3. Перейти ↑ Loeb, Jacques (9 декабря 1904 г.). «Новейшее развитие биологии» . Наука . 20 (519): 777–86. Bibcode : 1904Sci .... 20..777L . DOI : 10.1126 / science.20.519.777 . PMID 17730464 . 
  4. ↑ О Хертвиг, М. Кэмпбелл и Х. Дж. Кэмпбелл, «Клетка: очертания общей анатомии и физиологии». 1895. Нью-Йорк: Macmillan and Co.
  5. ^ Hintzenstern, Ув; Шварц, Вт; Гериг, М; Петерманн, H (декабрь 2002 г.). «Развитие« липоидной теории наркоза »в немецкоязычных странах в 19 веке: от Бибра / Харлесса до Мейера / Овертона». Серия международных конгрессов . 1242 : 609–612. DOI : 10.1016 / S0531-5131 (02) 00799-9 .
  6. ^ B Мур, Секреция и железистые механизмы, в Последние достижения в физиологии и биохимии, Л. Хилл, редактор. 1908. Эдвард Арнольд: Лондон.
  7. ^ H Fricke. «Электрическая емкость суспензий с особым акцентом на кровь». Журнал общей физиологии, (1925) 9. 137-152.
  8. ^ E Gorter и F Grendel. "О бимолекулярных слоях липидов на хромоцитах крови". Журнал экспериментальной медицины, (1925) 41. 439-443.
  9. ^ PL Йигл, Мембраны клеток. 2-е изд. изд. 1993, Сан-Диего, Калифорния: Academic Press, Inc.
  10. ^ JF Danielli и H Davson. "Вклад в теорию проницаемости тонких пленок". Журнал клеточной и сравнительной физиологии, (1935) 5. 495-508.
  11. ^ Ф. С. Сйостранд, Э. Андерссон-Седергрен и М. М. Дьюи. "Ультраструктура интеркалированных дисков сердечной мышцы лягушки, мыши и морской свинки" Журнал исследований ультраструктуры, (1958) 1. 271-287.
  12. ^ Робертсон Дж. Д. «Молекулярная структура и контактные отношения клеточных мембран». Прогресс биофизики и биофизической химии, (1960) 10, 343-418.
  13. ^ Робертсон Дж. Д. "Ультраструктура клеточных мембран и их производных". Симпозиум Биохимического общества, (1959) 16. 3-43.
  14. ^ Михаэлис, Л. (1925). «Вклад в теорию проницаемости мембран для электролитов» . Журнал общей физиологии . 8 (2): 33–59. DOI : 10,1085 / jgp.8.2.33 . PMC 2140746 . PMID 19872189 .  
  15. ^ P Mueller, DO Rudin, HI Tien и WC Wescott. "Восстановление структуры клеточной мембраны in vitro и ее превращение в возбудимую систему". Природа. (1962) 194. 979-980.
  16. ^ HT Tien, S Carbone и EA Dawidowicz. «Формирование« черных »липидных мембран продуктами окисления холестерина». Природа. (1966) 212. 718-719.
  17. ^ HT Tien и AL Diana. "Некоторые физические свойства бимолекулярных липидных мембран, полученных из новых липидных растворов". Природа. (1967) 215. 1199-1200.
  18. ^ Л. Д. Фрай и М. Эдидин "Быстрое перемешивание антигенов клеточной поверхности после образования гетерокарионов мыши и человека". Журнал клеточной науки. (1970) 7. 319-335.
  19. ^ SJ Singer и GL Nicolson. "Жидкая мозаичная модель структуры клеточных мембран". Наука. (1972) 175. 720-731.
  20. ^ AB Macallum, Значение осмотических мембран в наследственности, в Лекциях Харви. 1910. Дж. Б. Липпинкотт Компания: Филадельфия.
  21. ^ JD Робертсон. «Мембранная структура». Журнал клеточной биологии. (1981) 91. 189с-204с.
  22. ^ Б. Альбертс, А. Джонсон, Дж. Льюис, М. Рафф, К. Робертс и П. Уолтер, Молекулярная биология клетки. 4-е изд. изд. 2002, Нью-Йорк: Garland Science.
  23. ^ Линг, Гилберт Н. (1984). В поисках физической основы жизни . Нью-Йорк: Пленум Пресс. ISBN 0306414090.
  24. ^ SC Brooks; Самнер Кушинг Брукс; Матильда Молденхауэр Брукс (1941). «Проницаемость живых клеток» . Наука . Gebrüder Borntraeger. 100 (2585): 30–1. DOI : 10.1126 / science.100.2585.30 . PMID 17837973 . 

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Едидин М. "Липиды на рубеже: век бислоев клеточных мембран". Nature Reviews Molecular and Cellular Biology, (2003) 4, 414–418.
  • Дж. Д. Робертсон. «Мембранная структура». Журнал клеточной биологии. (1981) 91. 189с-204с.