How big is Fosfolipid?

Fosfolipid to rodzaj cząsteczki podobnej do tłuszczu, z której głównie zbudowane są błony komórkowe. Ma główkę, która lgnie do wody, i dwa ogonki, które jej unikają. Od zewnętrznego brzegu główki do końców ogonków pojedynczy fosfolipid ma około 2,5 nanometra długości, a nanometr to miliardowa część metra.

Rozmiar

Główka fosfolipidu to grupa zawierająca fosforan, przyłączona do małej cząsteczki zwanej glicerolem. Oba ogonki to kwasy tłuszczowe, czyli długie łańcuchy atomów węgla i wodoru, zwykle o długości 10–20 atomów węgla. Każdy atom węgla wydłuża ogonek o około 0,13 nanometra.

Dokładna długość zależy od ogonków i od tego, jak się układają. W żywej błonie ogonki są płynne, zginają się i wiją. Opracowanie z biologii komórki podaje, że typowy fosfolipid ma od główki do ogonka 2 nanometry.

Pomiary przeanalizowane w 2000 roku wykazały, że warstwa fosfatydylocholiny, częstego fosfolipidu, ma około 2,2–2,3 nanometra grubości w stanie płynnym, a 2,6 nanometra w chłodniejszej, uporządkowanej postaci z prostszymi ogonkami. Warstwa ma grubość jednej cząsteczki, więc tyle właśnie sięga jedna cząsteczka od środka błony do jej powierzchni. Każda cząsteczka w płynnej warstwie zajmuje około 0,6–0,7 nanometra kwadratowego powierzchni. Szacunki długości mieszczą się zatem w przedziale od około 2 do 2,6 nanometra.

Porównania rozmiarów

• Dwie warstwy fosfolipidów, zwrócone do siebie ogonkami, tworzą dwuwarstwę fosfolipidową, czyli arkusz stanowiący rdzeń niemal wszystkich błon komórkowych.
• Fosfolipid jest około dwa razy dłuższy niż szerokość helisy alfa. Helisa alfa to częsty element białek.
• Fosfolipid jest mniej więcej tak długi, jak szeroka jest podwójna helisa DNA, która ma 2 nanometry szerokości.
• Od około 30 000 do 50 000 fosfolipidów ułożonych jeden za drugim zmieściłoby się na szerokości ludzkiego włosa, który ma 80 000–100 000 nanometrów szerokości.
• Pojedyncza warstwa fosfolipidów pokrywająca jeden milimetr kwadratowy zawierałaby około 1,5 biliona cząsteczek.

Jak fosfolipidy budują błony

Ponieważ ich główki lgną do wody, a ogonki nie, w wodzie fosfolipidy ustawiają się ogonkami do siebie, a główkami na zewnątrz. Tworzą podwójną warstwę, która oddziela wodę po jednej stronie od wody po drugiej. Po podgrzaniu w wodzie fosfolipidy zwykle same tworzą maleńkie kule, z główkami na zewnątrz i ogonkami w środku.

Kształt ogonków pomaga utrzymać płynność błon. Ogonek, który ma między atomami węgla tylko pojedyncze wiązania, jest dość prosty. Wiązanie podwójne załamuje ogonek pod kątem około 30 stopni, a takie załamania rozpychają sąsiednie cząsteczki. Dzięki temu błona nie sztywnieje na zimnie.

Olej na stawie

Benjamin Franklin wylał na staw w pobliżu Londynu nie więcej niż łyżeczkę oleju i obserwował, jak rozlewa się na powierzchni może pół akra. Olej utworzył warstwę grubości jednej cząsteczki. Cząsteczki oleju są z natury podobne do tych, z których zbudowana jest każda warstwa błony komórkowej.

Łyżeczka mieści około 5 centymetrów sześciennych, a pół akra to około 2000 metrów kwadratowych, więc warstwa miała mniej więcej 2,5 nanometra grubości. Agnes Pockels wynalazła później sposób wytwarzania takich pojedynczych warstw w laboratorium, co pozwoliło naukowcom dokładnie ustalić rozmiary cząsteczek.

Źródła

• 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.