Een fosfolipidendubbellaag is een vlies van fosfolipidemoleculen dat twee lagen dik is. Het vormt de basisstructuur van bijna alle celmembranen. De dubbellaag is ongeveer 5 nanometer dik, gemeten van de buitenrand van de koppen van de moleculen aan de ene kant tot die aan de andere kant. Een nanometer is een miljardste van een meter.

Grootte

Elke fosfolipide heeft een kop die door water wordt aangetrokken en twee staarten die water mijden. In een dubbellaag zijn de koppen gekeerd naar het water aan weerszijden en ontmoeten de staarten elkaar in het midden, waar ze een waterafstotende kern vormen. Metingen die in 2000 werden besproken, komen uit op een totale dikte van 4,4–4,7 nanometer voor dubbellagen van fosfatidylcholine, een veelvoorkomende fosfolipide, in de vloeibare vorm die in levende cellen voorkomt. In een koudere, meer geordende vorm loopt die dikte op tot 5,2 nanometer.

De waterafstotende kern vormt 2,6–2,9 nanometer van de dikte van de vloeibare dubbellaag. Echte celmembranen bevatten een mengsel van veel soorten lipiden. Röntgenmetingen die in 2004 werden gepubliceerd, vonden 3,6–4,3 nanometer tussen de fosfaatgroepen aan weerszijden van membranen van levercellen van ratten, en de koppen reiken iets voorbij de fosfaten.

Membranen zitten ook vol eiwitten, die ongeveer de helft van het oppervlak van een membraan beslaan, en veel van die eiwitten steken aan beide kanten buiten het membraan uit. Met die eiwitten meegerekend wordt een heel membraan vaak omschreven als 5–10 nanometer dik.

Groottevergelijkingen

• Twee fosfolipiden, elk ongeveer 2–2,5 nanometer lang, overspannen de dubbellaag als ze staart aan staart worden gelegd.
• Een alfa-helix van 20–25 aminozuren, 3–3,75 nanometer lang, is lang genoeg om de waterafstotende kern over te steken. Eiwitten die door membranen heen gaan, doen dat vaak op deze manier.
• Een porcine circovirus, een van de kleinste virussen die anno 2026 bekend zijn, is ongeveer drieënhalf keer zo breed als de dubbellaag dik is.
• Ongeveer 20.000 dubbellagen, op elkaar gestapeld, zouden even dik zijn als een vel papier, ongeveer 0,1 millimeter.
• Als een dubbellaag werd vergroot tot de dikte van een vel papier, zou een mensenhaar 1,6–2 meter breed zijn.

Wat de dubbellaag doet

De dubbellaag scheidt het water en de opgeloste stoffen in een cel van die erbuiten. De waterafstotende kern ervan is een barrière voor water en voor stoffen waarvan de moleculen geladen of polair zijn, wat wil zeggen dat de elektrische lading van een polair molecuul ongelijk is verdeeld. Fosfolipiden vormen vanzelf een dubbellaag als ze in water worden gebracht, en het resultaat herstelt zichzelf. Een heel fijne naald kan door een celmembraan gaan zonder het te laten barsten, en het membraan vloeit weer samen als de naald wordt teruggetrokken.

Hoe de dubbellaag werd ontdekt

Wetenschappers herkenden het celmembraan in de jaren negentig van de 19e eeuw en ontdekten in 1915 dat het hoofdzakelijk uit lipiden en eiwitten bestond. In 1935 stelden Hugh Davson en James Danielli voor dat het was opgebouwd als een sandwich, met lipiden als beleg en eiwitten als brood. In de jaren vijftig lieten transmissie-elektronenmicroscopen zien dat de kern van het membraan een dubbele laag was in plaats van een enkele.

In 1972 stelden S. J. Singer en Garth Nicolson het vloeibaar-mozaïekmodel voor, dat nog altijd het best verklaart hoe membranen zijn opgebouwd en werken. Het model beeldt een membraan af als een mozaïek van fosfolipiden, cholesterol, eiwitten en koolhydraten die drijven en langs elkaar schuiven als losse tegels.

Bronnen

• Structure of Lipid Bilayers. Nagle and Tristram-Nagle, Biochimica et Biophysica Acta, 2000.
• Modulation of the Bilayer Thickness of Exocytic Pathway Membranes by Membrane Proteins Rather Than Cholesterol. Mitra et al., Proceedings of the National Academy of Sciences, 2004.
• What Is the Thickness of the Cell Membrane?. In Cell Biology by the Numbers. Milo and Phillips, Garland Science, 2015.
• Components and Structure. In Biology 2e, 2nd edition. OpenStax, 2018.
• α-helix. In Foundations of Protein Structure. EMBL-EBI Training.
• Conformational Changes and Nuclear Entry of Porcine Circovirus without Disassembly. Wang et al., Journal of Virology, 2019.
• Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.