Вот уже более трехсот лет живая клетка является объектом пристального изучения. Это многокомпонентная биологическая система, одной из важнейших составляющих которой является клеточная мембрана. Толщина биологических мембран редко превышает 10 нанометров, однако вследствие сравнительно плотной упаковки в них основных молекулярных компонентов, а также большой общей площади клеточных мембран, они составляют обычно более половины сухой массы клеток [1,2].
Основным структурным компонентом клеточной мембраны является липидный бислой, в ее состав также входят белки, углеводы и вода. Белки и липиды составляют основную часть сухой массы мембран. Доля углеводов обычно не превышает 10-15%, причем они связаны либо с молекулами белка (гликопротеины), либо с молекулами липидов (гликолипиды). В мембранах различного происхождения содержание липидов колеблется от 25 до 75 % по массе по отношению к белку, что во многом определяет вязкость мембраны [2]. Белки, входящие в состав мембран, в зависимости от степени погружения в липидный бислой разделяют на: периферические, интегральные и полуинтегральные.
Несмотря на бурное развитие микроскопии, изучение клетки остается чрезвычайно сложной задачей. Для правильной интерпретации экспериментальных данных необходимо понимание строения, а также создание теоретических моделей реальных биологических мембран. В настоящее время наиболее широкое распространение получила жидкомозаичная модель, предложенная Дж. Ленардом и С. Сингером [3], согласно которой белки как бы плавают в двухмерной жидкости, в виде отдельных молекул, в большей или меньшей степени, погруженных в липидный бислой.
В результате экспериментальных исследований было установлено, что белки играют важную роль в формировании морфологии поверхности мембраны. Взаимодействие белковых молекул с липидным бислоем может вызвать деформацию мембраны, приводящую к образованию пузырьков и трубок, необходимых для переноса вещества, как между клетками, так и в самой клетке. Даже отдельная молекула белка способна вызывать изменение морфологии поверхности мембраны, однако существенные изменения возможны лишь в случае кластеризации белковых молекул и их совместного действия на липидный бислой.
Описание такого рода систем является одним из приоритетных направлений исследований «Физика сложных биологических систем». Сотрудниками проекта были разработаны модели как плоского липидного бислоя с расположенными на его поверхности молекулами белка [3], так и более сложных систем цилиндрической формы [4]. В рамках данных моделей были исследованы взаимодействия типа мембрана-белок и бело-белок, а также рассмотрена эволюция системы под действием внешних воздействий.
- Paticular course giant unillamellar vesicles, Kristen Bacia, Jakob Schweizer. Dresden technical university, September 2005.
- Рубин А. Б. Биофизика, учебник в 2 тт. — 3-е издание, исправленное и дополненное. — М.: издательство Московского университета, 2004. — ISBN 5-211-06109-8
- И.Ю. Голушко, Взаимодействие молекул белка на поверхности липидного бислоя. Всероссийский молодежный конкурс научно-исследовательских работ студентов и аспирантов в области физических наук. Сборник трудов/под общ. ред. В.Н. Зимин, В.Н. Наумов, А.Н. Морозов.-М.:МГТУ им. Н.Э. Баумана, стр. 159 (2012).
- Sylvain Monnier, Sergei B. Rochal, Andrea Parmeggiani, and Vladimir L. “LormanLong-Range Protein Coupling Mediated by Critical Low-Energy Modes of Tubular Lipid Membranes.” PRL 105, 028102 (2010).