Зачем использовать мембраны?

Разделение клетки имеет множество преимуществ и целей. В эссе Кошланда 2002 года разделение было описано как один из семи фундаментальных столпов жизни. Вообще говоря, мембраны создают различные наборы условий (химических и биологических) внутри клеток. Это обеспечивает более эффективное функционирование и продвинутую катаболическую и метаболическую обработку. Таким образом, в процессе эволюции были созданы более сложные и адаптируемые системы.

Почему двухслойный ?

Было проведено несколько молекулярно-динамических симуляций, таких как эта, для исследования биофизико-химии спонтанной сборки двух слоев. Там липиды начинаются в случайной ориентации. Упорядоченные бислои, которые мы знаем и любим, спонтанно собираются менее чем за 100 нс. Что на самом деле происходит на уровне молекулярной динамики, так это самоассоциация гидрофобных хвостовых групп липидов, энтропийно управляемая водой. Другими словами, полярные (гидрофильные) головные группы «предпочитают» взаимодействовать с водой (так называемая межфазная область), а гидрофобные хвостовые группы «предпочитают» не взаимодействовать с водой. При наличии этих двух предпочтений формируется двойной липидный слой.

В меньшем масштабе мицеллы также образуются спонтанно , но это не обеспечивает разделения, необходимого для биологических функций.

Казалось бы, условия для упорядоченного бислоя настолько благоприятны, что они преобладают над любой другой ориентацией или комбинацией. Одним очевидным исключением является монослой архаилов. Посмотрите ответ @WYSIWYG, который относится к исключительным экстремофилам, использующим монослой. Их комментарий кратко резюмирует монослой:

Технически они однослойные, но напоминают двухслойные. Как бислой, соединенный ковалентной связью. Эти мембранные липиды имеют две гидрофильные головки и гидрофобное «торс».

Источники изображений

• Изображение 1: http://www.perkepi.com/cell-membrane/
• Изображение 2: https://en.wikipedia.org/wiki/Lipid_bilayer

Почему двухслойный, а не монослойный

Как вы упомянули, возможны липидные монослойные везикулы (например, мицеллы ). Однако вы должны понимать, что клеточная внутренняя часть, то есть цитоплазма, является водной, и поэтому однослойные везикулы, такие как мицеллы, не будут работать. В мицеллах два отсека — внутренний и внешний — должны иметь противоположную природу для стабильности мицеллы. Другими словами, внутри обычной мицеллы не может быть водной среды. И наоборот, внутри обратной мицеллы не может быть неполярной среды .

Поскольку и снаружи, и внутри клетки вода, обе поверхности мембраны должны быть гидрофильными. Это возможно только в случае бислоя обычных амфипатических липидов с гидрофильной головкой и гидрофобным хвостом. Однако монослои возможны в липидах, имеющих две гидрофильные «головы» на обоих концах и соединяющееся гидрофобное «торс». Такие липиды обнаружены в некоторых археях, таких как Thermoplasma и Ferroplasma , как упоминал Мигель (см. эту статью для более подробной информации). Как вы можете заметить, эти монослойные мембраны были бы более жесткими, чем бислои, что может быть причиной их эволюции у экстремофильных архей.

^{Альберс, Соня-Верена и Бенджамин Х. Мейер. « Оболочка клетки архей ». Nature Reviews Microbiology 9.6 (2011): 414-426.}

Действительно, у некоторых экстремофильных археонов имеются монослои, у которых оба слоя регулярных мембран соединены ковалентными связями.

Однако основная причина заключается в том, что мембраны образуются за счет гидрофобных взаимодействий. Фосфолипиды представляют собой амфипатические молекулы, имеющие полярную «голову» (заданную отрицательным зарядом фосфатной группы) и гидрофобный «хвост» (обычно две алифатические цепи).

Молекула пытается избежать состояния минимальной энтропии, которое в этом случае означало бы свободное «плавание» в воде. В этом гипотетическом состоянии молекулы воды должны были бы ориентироваться, чтобы свести к минимуму контакт с гидрофобным хвостом (который представляет собой очень большую молекулярную группу, которая не притягивает полярные молекулы воды) и максимизировать контакт с полярной головкой. Если эта молекула найдет больше молекул своего вида, они будут слипаться своими гидрофобными хвостами, потому что это уменьшит стремление организовать молекулы воды и тем самым повысит энтропию системы. Есть несколько возможных конформаций, которые позволяют это сделать, и в зависимости от состава липидной смеси возникает та или иная.

Наконец, мембраны служат главным образом селективными барьерами, отделяющими внутреннюю клетку, условия которой регулируются, от внешней. Мембраны могут иметь встроенные ферментативные системы, такие как фотосистемы, дыхательные цепи или некоторые ключевые метаболические пути. Кроме того, они обычно содержат чувствительные белки, которые реагируют на внешние условия и регулируют поведение клетки. Можно найти и другие функции, но эти самые важные.