Фосфоліпідний бішар — це пласт із молекул фосфоліпідів завтовшки в два шари, і він є основною структурою майже всіх клітинних мембран. Його товщина становить близько 5 нанометрів, якщо міряти від зовнішнього краю голівок молекул з одного боку до голівок з іншого. Нанометр — це мільярдна частка метра.

Розмір

Кожен фосфоліпід має голівку, яку притягує вода, і два хвости, які уникають води. У бішарі голівки звернені до води з обох боків, а хвости сходяться посередині, утворюючи серцевину, що відштовхує воду. За вимірюваннями, розглянутими в 2000 році, повну товщину бішарів із фосфатидилхоліну, поширеного фосфоліпіду, оцінюють у 4,4–4,7 нанометра в рідкій формі, яка трапляється в живих клітинах. У холоднішій, більш упорядкованій формі вона сягає 5,2 нанометра.

Серцевина, що відштовхує воду, становить 2,6–2,9 нанометра товщини рідкого бішару. Справжні клітинні мембрани містять суміш багатьох видів ліпідів. Рентгенівські вимірювання, опубліковані 2004 року, показали 3,6–4,3 нанометра між фосфатними групами з двох боків мембран клітин печінки щура, а голівки сягають трохи далі за фосфати.

Мембрани також густо насичені білками, які займають приблизно половину площі мембрани, і багато білків виступають за межі мембрани з обох боків. Якщо враховувати їх, цілу мембрану часто описують як таку, що завтовшки 5–10 нанометрів.

Порівняння розмірів

• Два фосфоліпіди, кожен завдовжки приблизно 2–2,5 нанометра, розташовані хвіст до хвоста, простягаються через весь бішар.
• Альфа-спіраль завдовжки 3–3,75 нанометра, що складається з 20–25 амінокислот, достатньо довга, щоб перетнути серцевину, яка відштовхує воду. Білки, що пронизують мембрани, часто роблять це саме так.
• Свинячий цирковірус, один із найменших відомих вірусів станом на 2026 рік, має ширину приблизно в 3,5 раза більшу за товщину бішару.
• Приблизно 20 000 бішарів, складених один на одного, були б такими самими завтовшки, як аркуш паперу, тобто близько 0,1 міліметра.
• Якби бішар збільшили до товщини аркуша паперу, людська волосина мала б завширшки 1,6–2 метра.

Що робить бішар

Бішар відокремлює воду та розчинені речовини всередині клітини від тих, що зовні. Його серцевина, яка відштовхує воду, є бар’єром для води та для речовин, молекули яких заряджені або полярні, тобто в полярної молекули електричний заряд розподілений нерівномірно. Фосфоліпіди самі утворюють бішар, якщо їх помістити у воду, і результат сам себе відновлює. Дуже тонка голка може пройти крізь клітинну мембрану, не прорвавши її, а коли голку витягують, мембрана стікається назад.

Як це відкрили

Науковці виявили клітинну мембрану в 1890-х роках, а в 1915 році з’ясували, що вона складається переважно з ліпідів і білків. У 1935 році Г’ю Девсон і Джеймс Даніеллі висунули припущення, що мембрана збудована як бутерброд: ліпіди слугують начинкою, а білки — хлібом. У 1950-х роках просвічувальні електронні мікроскопи показали, що серцевина мембрани є подвійним шаром, а не одинарним.

У 1972 році С. Дж. Сінгер і Гарт Ніколсон запропонували рідинно-мозаїчну модель, яка й досі найкраще пояснює, як мембрани побудовані й діють. Вона уявляє мембрану як мозаїку з фосфоліпідів, холестеролу, білків і вуглеводів, що плавають і зсуваються одне повз одного, як вільні плитки.

Джерела

• 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.