Фосфоліпід — це різновид жироподібних молекул, з яких переважно побудовані клітинні мембрани. Він має голівку, яку притягує вода, і два хвости, які уникають води. Від зовнішнього краю голівки до кінчиків хвостів один фосфоліпід має завдовжки близько 2,5 нанометра, а нанометр — це мільярдна частка метра.

Розмір

Голівка фосфоліпіду — це група, що містить фосфат, приєднана до невеликої молекули, яку називають гліцеролом. Два хвости — це жирні кислоти, довгі ланцюги атомів вуглецю й водню, зазвичай завдовжки 10–20 атомів вуглецю. Кожен атом вуглецю додає до довжини хвоста близько 0,13 нанометра.

Точна довжина залежить від хвостів і від того, як вони розташовані. У живій мембрані хвости рухливі: вони згинаються й звиваються. У довіднику з клітинної біології для типового фосфоліпіду наведено 2 нанометри від голівки до хвоста.

Згідно з вимірюваннями, огляд яких опублікували 2000 року, шар фосфатидилхоліну, поширеного фосфоліпіду, завтовшки близько 2,2–2,3 нанометра в рідкій формі й 2,6 нанометра в холоднішій впорядкованій формі з прямішими хвостами. Шар завглибшки в одну молекулу, тож саме на таку відстань одна молекула сягає від середини мембрани до її поверхні. Кожна молекула в рідкому шарі займає приблизно 0,6–0,7 квадратного нанометра поверхні. Отже, оцінки довжини лежать у межах приблизно від 2 до 2,6 нанометра.

Порівняння розмірів

• Два шари фосфоліпідів, з’єднані хвіст до хвоста, утворюють фосфоліпідний бішар — пласт, що лежить в основі майже всіх клітинних мембран.
• Фосфоліпід приблизно вдвічі довший, ніж альфа-спіраль широка. Альфа-спіраль — поширений елемент білків.
• Фосфоліпід приблизно такий самий завдовжки, як ширина подвійної спіралі ДНК, а це 2 нанометри.
• Приблизно від 30 000 до 50 000 фосфоліпідів, викладених у ряд встик, дорівнювали б за довжиною ширині людської волосини, а вона завширшки 80 000–100 000 нанометрів.
• Один шар фосфоліпідів, що вкриває квадратний міліметр, містив би близько 1,5 трильйона молекул.

Як фосфоліпіди будують мембрани

Голівки фосфоліпідів притягує вода, а хвости ні, тому у воді фосфоліпіди розташовуються так, що хвости звернені один до одного, а голівки назовні. Вони утворюють подвійний шар, який відокремлює воду з одного боку від води з іншого. Нагріті у воді, фосфоліпіди зазвичай самі утворюють крихітні кульки, у яких голівки опиняються ззовні, а хвости всередині.

Форма хвостів допомагає підтримувати текучість мембран. Хвіст лише з одинарними зв’язками між атомами вуглецю досить прямий. Подвійний зв’язок створює в хвості вигин приблизно на 30 градусів, і ці вигини розсувають сусідні молекули. Завдяки цьому мембрана не твердне на холоді.

Олія на ставку

Бенджамін Франклін вилив не більше ніж чайну ложку олії на ставок поблизу Лондона й спостерігав, як вона розтікається, можливо, на пів акра. Олія утворила шар завтовшки в одну молекулу. Молекули олії за своїми властивостями подібні до тих, що утворюють кожен шар клітинної мембрани.

Чайна ложка вміщує близько 5 кубічних сантиметрів, а пів акра — це близько 2 000 квадратних метрів, тож шар мав завтовшки приблизно 2,5 нанометра. Пізніше Агнес Поккельс винайшла спосіб отримувати такі одинарні шари в лабораторії, і це дало змогу вченим точно встановити розмір молекул.

Джерела

• Components and Structure. In Biology 2e, 2nd edition. OpenStax, 2018.
• Lipids. In Biology 2e, 2nd edition. OpenStax, 2018.
• Structure of Lipid Bilayers. Nagle and Tristram-Nagle, Biochimica et Biophysica Acta, 2000.
• What Is the Thickness of the Cell Membrane?. In Cell Biology by the Numbers. Milo and Phillips, Garland Science, 2015.
• Predicting Helical Topologies in RNA Junctions as Tree Graphs. Laing et al., PLoS ONE, 2013.
• DNA Structure and Sequencing. In Biology 2e, 2nd edition. OpenStax, 2018.
• Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.