Нейротон. Занимательные истории о нервном импульсе - Александр Иванович Волошин

пятен на поверхности пруда, остающихся от ложки (5 мл) растекающегося оливкового масла: пятна неизменно оказывались размером ≈2000 м2. Если бы любознательный сэр имел в те давние времена представление о молекулярном строении вещества, он без особого труда смог бы вычислить площадь, приходящуюся на одну молекулу (!) триглицерида олеиновой кислоты (основного компонента оливкового масла) в этом мономолекулярном пятне, и, причём, довольно точно:

где Mr – масса 1 моля триолеина, NA – число Авогадро, S пятна – площадь пятна, V ложки – объем ложки, ρ масла – плотность масла.

В результате значение площади Sмол оказалось бы примерно равным 1 нм2. Следующим шагом могла быть вычислена и толщина мономолекулярного слоя, равная размеру одной молекулы триолеина, для чего достаточно разделить Vложки на Sпятна ≈ 2,5 нм.

В более близкие нам времена Юлиуса Бернштейна, учёные только предполагали наличие у нервной клетки мембраны, не было экспериментальных доказательств существования таковой (её увидели в электронный микроскоп лишь в 1950 г.)

Но, несмотря на неопределённость, первая модель строения биологических мембран была предложена в 1902 году. Чарльз Овертон заметил, что через биологические мембраны лучше всего проникают вещества, хорошо растворимые в липидах, и на основании этого предположил, что они состоят из тонкого слоя фосфолипидов. И действительно, на поверхности раздела полярной и неполярной сред (например, воды и воздуха) молекулы фосфолипидов образуют мономолекулярный (одномолекулярный) слой. Их полярные «головы» погружены в полярную среду, а неполярные «хвосты» ориентированы в сторону неполярной.

В 1923 году Гортер и Грендел показали, что площадь монослоя липидов, выделенных из мембран эритроцитов, в два раза больше общей площади самих эритроцитов. На основе результатов этих исследований было сделано предположение, что липиды в мембране располагаются в два слоя.

Благодаря двойному фосфолипидному слою биологическая мембрана была уподоблена конденсатору, в котором слои играют роль обкладок. Это предположение использовали Кол и Кетртис в своих исследованиях электрических параметров биологических мембран в конце 1940-х. Тогда ими были вычислены и высокое электрическое сопротивление монослоя липидов – 107 Ом/м2, и его большая электрическая ёмкость Суд = 10—2 Ф/м2.

Вместе с тем имелись экспериментальные данные, свидетельствовавшие, что биологическая мембрана содержит в своём составе и белковые молекулы. Например, было обнаружено, что значения коэффициента поверхностного натяжения клеточных мембран существенно ближе к коэффициенту поверхностного натяжения на границе раздела «белок – вода» (около 0,1 дин/см), нежели на границе раздела «липид – вода» (около 10 дин/см). Эти противоречия экспериментальных результатов были устранены Хью Дэвсоном и Джеймсом Даниелли, которые в 1935 году предложили так называемую «бутербродную» модель (сэндвич-модель) строения биологических мембран, которая претерпев несущественные изменения продержалась в мембранологии в течении почти сорока лет. Согласно этой модели, мембрана – трёхслойная: она образуется двумя слоями белковых молекул, с липидным бислоем посередине; образуется нечто вроде бутерброда – липиды, наподобие масла, между двумя «ломтиками» белка. Однако по мере накопления экспериментальных данных от этой модели мембранной структуры пришлось отказаться.

В 1972 году Джонатан Сингер и Гарт Николсон предложили жидкостно-мозаичную модель, объясняющую в общих чертах организацию биологических мембран. В соответствии с этой моделью, мембраны представляют собой двумерные растворы определённым образом ориентированных фосфолипидов, а белки пронизывают мембрану насквозь или погружены в неё.

Липиды в мембране находятся в жидком агрегатном состоянии, это позволяет сравнить её с фосфолипидным морем, по которому плавают «айсберги» белков. Подтверждением жидкостно-мозаичной модели является тот факт, что соотношение белков и фосфолипидов между мембранами сильно варьируется: например, количество белков в миелиновой мембране в 2,5 раза ниже, чем липидов, и, напротив, в митохондриях в 2,5 раза выше, чем липидов, тогда как согласно бутербродной модели, соотношение белков и липидов должно быть одинаковым во всех мембранах. Помимо фосфолипидов и белков, в биологических мембранах присутствуют и иные химические соединения, а количество холестерина вообще сопоставимо с количеством фосфолипидов и белков. Жидкостно-мозаичная модель строения мембраны в настоящее время общепринята.

Согласно этой модели, клетка окружена клеточной мембраной толщиной примерно 7,5—10,0 нм. Жирные кислоты, которые составляют большую часть клеточной мембраны, называются фосфоглицеридами.

Фосфоглицерид состоит из фосфорной кислоты и жирных кислот, называемых глицеридами. Голова такой молекулы гидрофильна (притягивается к воде), а хвосты, состоящие из гидрофобных углеводородных цепей, наоборот отталкивают воду.

Рисунок 50. Строение клеточной мембраны.

Если молекулы жирных кислот просто поместить в воду, они образуют небольшие сгустки с кислотными головками, которые притягиваются к воде снаружи, и углеводородными хвостами, которые отталкиваются водой изнутри. Если эти молекулы очень осторожно растянуть на поверхности воды, они сориентируются так, что все кислотные головы будут в воде, а все углеводородные хвосты на её поверхности. Если бы был добавлен ещё один слой молекул и наверху было бы больше воды, углеводородные хвосты выровнялись бы с таковыми из первого слоя, образуя двойной (толщиной в две молекулы) слой. Кислотные головки выступали бы в воду с каждой стороны, а углеводороды заполняли бы пространство между ними. Именно такой бислой является основной структурой клеточной мембраны.

Неоспоримое доказательство жидкостно-мозаичной модели даёт «метод замораживания-скалывания». Скол мембраны после низкотемпературного замораживания проходит по гидрофобной области липидных слоёв. В результате этого мембрана расщепляется на два слоя, обнаруживая внутреннее строение – с массой мелких глобул или углублений, соответствующих местам расположения белковых молекул, которые не раскалываются, а целиком остаются в одной из половинок мембран.

Жидкие кристаллы

Как это иногда случается, по удивительному стечению обстоятельств, описанная выше структура клеточной мембраны оказалась чрезвычайно схожей со структурой жидких кристаллов. А при более внимательном наблюдении оказалось, что некоторые типы ЖК схожи с биологическими мембранами и по своему составу на молекулярном уровне. Например, холестерические жидкие кристаллы, названные так поскольку наиболее распространённым кристаллом этого класса, является холестерин.

Жидкий кристалл – это такое агрегатное состояние, во время которого вещество одновременно обладает как свойствами жидкостей, так и свойствами кристаллов. То есть ЖК обладают текучестью, и вместе с тем им присуща анизотропия – различие свойств среды в зависимости от направления внутри неё (например, показатель преломления света, скорость звука или теплопроводность).

История открытия ЖК

В 1888-м году австрийский ботаник Фридрих Рейнитцер (Фридрих Рихард Корнелиус Рейнитцер,1857—1927) обнаружил, что у некоторых типов кристаллов может быть две точки плавления, что позволило ему предположить наличие двух различных жидких состояний, в одном из которых вещество прозрачное, а в другом – мутное.

Озадаченный этим странным явлением, Рейнитцер отправил свои препараты холестерилбензоата немецкому кристаллографу Отто Леманну с просьбой помочь понять суть открытия. Исследовав их с помощью поляризационного микроскопа, Леманн обнаружил, что мутная фаза, наблюдаемая Рейнитцером, является анизотропной. Поскольку свойства анизотропии присущи твёрдому кристаллу, а вещество в мутной фазе было жидким, Леманн назвал его жидким кристаллом.

И хотя в 1904-м году Отто Леманн предоставил достаточно научных доказательств в пользу возможности существования жидких кристаллов, ещё долгие годы научное сообщество не признавало жидкие кристаллы как отдельное состояние вещества, потому что их существование разрушало аксиому о трёх возможных состояниях вещества: твёрдом, жидком и газообразном. Открытию просто не нашлось применения.

Между тем, это состояние является термодинамически стабильным фазовым состоянием и по праву наряду с твёрдым, жидким и газообразным, может рассматриваться как четвёртое состояние вещества.

Лишь полвека спустя, в 1963-м году американским изобретателем Джеймсом Фергюсоном было найдено применение одному из свойств жидких кристаллов – изменение цвета в зависимости от температуры. Фергюсон получил патент на изобретение, которое позволяло обнаруживать невидимые для глаз тепловые поля. С этого момента популярность жидких кристаллов начала расти.

В 1973 году фирма Sharp выпустила первый ЖК-калькулятор c дисплеем на основе DSM-LCD. Жидкокристаллические дисплеи стали применяться в электронных часах, калькуляторах, измерительных приборах.

Сегодня самое популярное применение ЖК – жидкокристаллические дисплеи. Часто их называют LCD-дисплеи, что есть сокращение английского термина «liquid crystal display». В век гаджетов они присутствуют