Dwuwarstwa fosfolipidowa to arkusz cząsteczek fosfolipidów ułożonych w dwie warstwy i podstawowa struktura niemal wszystkich błon komórkowych. Ma około 5 nanometrów grubości, mierzonej od zewnętrznego brzegu główek cząsteczek po jednej stronie do główek po drugiej. Nanometr to miliardowa część metra.

Rozmiar

Każdy fosfolipid ma główkę, która lgnie do wody, i dwa ogonki, które jej unikają. W dwuwarstwie główki zwrócone są ku wodzie po obu stronach, a ogonki spotykają się pośrodku i tworzą rdzeń odpychający wodę. Pomiary przeanalizowane w 2000 roku wskazały, że pełna grubość dwuwarstw zbudowanych z fosfatydylocholiny, częstego fosfolipidu, wynosi 4,4–4,7 nanometra w płynnej postaci spotykanej w żywych komórkach. W chłodniejszej, bardziej uporządkowanej postaci sięga 5,2 nanometra.

Rdzeń odpychający wodę stanowi 2,6–2,9 nanometra grubości płynnej dwuwarstwy. Prawdziwe błony komórkowe zawierają mieszaninę wielu rodzajów lipidów. Pomiary z użyciem promieni rentgenowskich, opublikowane w 2004 roku, wykazały odległość 3,6–4,3 nanometra między grupami fosforanowymi po obu stronach błon z komórek wątroby szczura, a główki sięgają nieco poza fosforany.

Błony są też wypełnione białkami, które pokrywają około połowy powierzchni błony, a wiele z nich wystaje poza błonę po obu stronach. Gdy wliczyć białka, grubość całej błony opisuje się często jako 5–10 nanometrów.

Porównania rozmiarów

• Dwa fosfolipidy, każdy o długości około 2–2,5 nanometra, ułożone ogonkami do siebie, sięgają przez całą grubość dwuwarstwy.
• Helisa alfa złożona z 20–25 aminokwasów, o długości 3–3,75 nanometra, jest wystarczająco długa, by przeciąć rdzeń odpychający wodę. Białka, które przechodzą przez błony, często robią to w ten sposób.
• W 2026 roku cirkowirus świń jest jednym z najmniejszych znanych wirusów i jest około trzy i pół raza szerszy, niż gruba jest dwuwarstwa.
• Około 20 000 dwuwarstw ułożonych jedna na drugiej miałoby grubość kartki papieru, czyli około 0,1 milimetra.
• Gdyby dwuwarstwę powiększyć do grubości kartki papieru, ludzki włos miałby 1,6–2 metra szerokości.

Co robi dwuwarstwa

Dwuwarstwa oddziela wodę i rozpuszczone w niej substancje wewnątrz komórki od tych na zewnątrz. Jej rdzeń odpychający wodę jest barierą dla wody i dla substancji, których cząsteczki są naładowane lub polarne (w cząsteczce polarnej ładunek elektryczny jest rozłożony nierównomiernie). Fosfolipidy same tworzą dwuwarstwę, gdy znajdą się w wodzie, a powstała struktura sama się naprawia. Bardzo cienka igła może przejść przez błonę komórkową bez jej rozerwania, a po wyjęciu igły błona zlewa się z powrotem.

Jak ją odkryto

Naukowcy rozpoznali błonę komórkową w latach 90. XIX wieku, a w 1915 roku ustalili, że składa się głównie z lipidów i białek. W 1935 roku Hugh Davson i James Danielli zaproponowali, że jest zbudowana jak kanapka, w której lipidy są nadzieniem, a białka chlebem. W latach 50. XX wieku transmisyjne mikroskopy elektronowe pokazały, że rdzeń błony jest warstwą podwójną, a nie pojedynczą.

W 1972 roku S. J. Singer i Garth Nicolson zaproponowali model płynnej mozaiki, który do dziś najlepiej wyjaśnia, jak błony są zbudowane i jak działają. Przedstawia błonę jako mozaikę fosfolipidów, cholesterolu, białek i węglowodanów, które pływają i przesuwają się względem siebie jak luźne płytki.

Źródła

• 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.