Биологиялық мембрана құрылысының бірінші моделі 1902ж жасалған. Мембранаға липидтерде жақсы еритін заттар жақсы өтетіні байқалған, осының негізінде биологиялық мембраналар өте жұқа фосфолипид қабаттарынан тұрады деп болжамдаған. Шын мәнінде полярлы және поярлы емес қабаттардың беттерінде (су мен ауа) фосфолипид молекулалары бір молекулалық моноқабат түзейді. Олардың полярлық “бастары” – полярлы ортаға — суға бағытталып, батырылып, ал полярлы емес ортаға — ауаға олардың құйрықтары бағытталады. Сондықтан биологиялық мембраналар — липидтердің моноқабаттарынан тұрады деп болжам жасалған.
2.1.-сурет. Липидтің биологиялық қабаты (а), конденсатор ретіндегі мембрана (б)
1925ж Гортер мен Грендел эритроцит мембраналарынан бөлінген моноқабат липидтерінің ауданы эритроциттердің қосынды-толық аудандарынан 2 есе көп болатынын көрсеткен.
Гортер мен Грендел — гемолизацияланған эритроциттерден ацетонның көмегімен липидтерді бөлген, одан кейін ерітіндіні су бетіне буланған түрде бүркіп, пайда болған мономолекулярлық пленканың ауданын өлшеген.
Осы зерттеулердің нәтижесінде мембранадағы липидтер бимолекулярлық қабат түрінде орналасатындығы дәлелденген.
Осы гипотеза болжамды Коул мен Кертис (1935) зерттеулері биологиялық мембраналардың электрлік параметрін растаған. Олардың дәлелдеуінше мембрананың электрлік кедергілері өте жоғары мәнге (107ом· м2) және үлкен меншікті сиымдылыққа ие болған Сm=05· 10-2ф/м2
Биологиялық мембрананы электрлік конденсатор түрінде қарастыруға болады, ондағы пластина астарларының ролін ішкі және сыртқы электролит ерітіндіге батырылған липидті молекулалардың бастары атқарады. Өткізгіштер диэлектрик ролін атқаратын липидті молекулалардың полярлы емес бөліктері — олардың құйрықтарының екі қабаты арқылы бөлінген.
Липидтер диэлектрлік өтімділігі ε=2-ге тең диэлектриктер. Жазық конденсатордың электр сиымдылығы;
S (1)
С- конденсатордың электр сиымдылығы.
d- конденсатор астарларының қашықтығы.
S- астар ауданы
ε0=8.85´10-12Ф/M – диэлектрлік тұрақтылық
Меншікті сыйымдылық
(2)
Екінші теңдеуден конденсатор астарларының ара қашықтығын табуға болады. Бұл ара қашықтық біздің жағдайда мембрананың липидтік қалыңдығын көрсетеді;
3,5нм (3)
Бұл қалыңдық шама жағынан липидтің бимолекулярлық қабатының полярлық емес бөлігінің қалыңдығына сәйкес келеді. Бірақ мембрана — бұл тек қана липидті биқабат емес. Кейбір тәжірибелердің көрсетуі бойынша биологиялық мембрана белоктық молекуладан тұрады.
Мысалы: клеткалық мембраналардың беттік керілуін өлшегенде алынған нәтижелер — липид – су бөліктеріндегі (10-2н/м) беттік керілу коэффицентіне қарағанда белок — су шекараларындағы беттік керілу коэффицентіне (10-4н/м) жақын келетінін көрсетті. Бұл қарама – қайшылықты тәжірибе жүзінде 1935ж Даниелли мен Девсон жойды, олар биологиялық мембраналардың бутербродтық құрылым моделін ұсынды. Бұл модель кейбір елеусіз өзгерістермен мембранологияда 40 жыл шамасындай қолданылды. Бұл модель бойынша мембрана үш қабатты, яғни ортасында липидті биқабаты, ал екі шетінде белоктық молекула қабаттары орналасқан, яғни бутерброд сияқты ортасында липидті май сияқты қабат, екі шетінде белок үзінділері орналасқан.
Бірақ, тәжірибелік нәтижелер жинақталған сайын осы биологиялық мембрананың бутербродтық құрылым — моделінен бас тартуға тура келеді.
Биологиялық мембрананың құрылысы туралы түсінікті дамыту үшін биологияға соңғы кезде кең түрде ене бастаған физикалық зерттеу әдістері зор маңызды роль атқарады.
Мембрана құрылымы, яғни мембрана молекуласының атомдарының өзара орналасуы туралы ең көп мәліметті атомарлы құрылымның қысқа толқынды рентген сәулелерінің дифракциясына негізделген рентгеноқұрылымдық сараптау береді.
Рентгеноқұрылымдық сараптау атомдардың біркелкі орналасуы мен атомның тәртіптенген құрылымдық параметрлерін анықтауға көмектеседі.
Мембранадағы рентген сәулелерінің дифракциясын зерттеу — салыстырмалы тәртіпке келген мембранадағы липидті молекулалардың орналасуын, яғни параллель екі жақты молекулярлық май қышқылды құйрықты қабатпен бөлініп орналасқан құрылысын растап көмірсутекті тізбектің соңғы тобындағы липидті молекулалардың полярлық бастарының ара қашықтығын дәл өлшеуге мүмкіндік береді.
Биологиялық мембраналардың құрылысының ерекшеліктерін ашуда — электронды микроскоптық зерттеулер аса зор табыстарға жетті.
Бұрыннан белгілі сәулелік микроскоптар берілген денелердің өлшемдері жарықтың жарты толқын ұзындығынан кіші болса көре алмайды. /200нм/ Сәулелік микроскопта кейбір жекелеген клеткаларды көруге болады, бірақ биологиялық мембраналарды зерттеуге жарамайды, себебі биологиялық мембрананың қалыңдығы сәулелік микроскоптың рұқсат етілген өлшемінен 20 есе кіші. Микроскоптың рұқсат етілген облысы дифракция құбылысымен шектелген болады. Сондықтан зерттеліп отырған объектілердің өлшемдерінен толқын ұзындығы неғұрлым кіші болған сайын, соғұрлым бұрмалау пайда болады. Шектік рұқсат етілген облыс, толқын ұзындығына пропорционал болады.
Электрондық микроскоптарда жарық шоғырларының орнына өте үлкен жылдамдыққа дейін үдетілген электронның ағыны қолданылады. Жоғары жылдамдықты электрон ағындары да толқындық қасиетке ие болады, яғни дифракция құбылысы байқалады. Бірақ Луй-де Бройль формуласына сәйкес жылдамдық үлкен болған сайын, толқын ұзындығы да қысқа болады, яғни рұқсат ету облысы да қысқара береді. Егер электрон кернеулігі 105в электр өрісімен үдетілген болса оның жылдамдығы 106м/с болады, толқын ұзындығы қысқарып рұқсат етілген шектік шамасы 0,1нм-ге жетеді, бұл биологиялық мембрананың құрылысының кейбір бөліктерін көруге мүмкіндік береді.
Электронды микроскоптың үлкейтуі 100 мың есеге жетеді, бұл биологиялық мембраналардың құрылысын зерттеуге мүмкіндік береді. Электронды микроскоптың кемшілігі тірі объектілерді зерттеу кезінде оларды деформацияға ұшыратады, себебі объектіні зерттеуге дайындау кезінде клетка бірқатар алдын–ала дайындық сатысынан өтеді, ультражұқа кесу, қатаңдату, электронды өте жақсы шашырататын препаратты заттармен өңдеу. (Алтын, күміс, осмий, Мn, т.б.). Сол себептен зерттеліп отырған объект біраз өзгереді. Бірақ осыған қарамай клетканы зерттеуде электронды микроскопты қолданудың біраз артықшылығы мен жетістіктері болды. Электронды микроскоп арқылы биологиялық мембрананың кескіні алынды. Ол кескінмен мембрана құрлысының үш қабатты екені дәлелденді.
Мембрана құрылысын зерттеуде пайдаланылған жаңа әдіс — мұздату арқылы жаңа мәліметтер алынды. Бұл әдіс бойынша клетканы сұйық азотта өте төменгі температураға дейін мұздатып қатырады. Мұздату өте үлкен жылдамдықпен жүргізіледі (1000 градус/секундына) бұл кезде препарат құрамындағы су — қатты аморфты күйге көшеді, одан кейін клетканы өткір пышақпен бөліп вакуумге салады. Вакуумде су тез буланып өзі тұрған негіздің бетінен босанып ұшып кетеді, сол бетті электронды микроскопта суретке түсіріп алады. Мұздатылған мембраналар әр түрлі бағыттарға тарай бөлініп, соның ішінде липидті екі моноқабат шекарасының түйіскен бойымен де бөлініп тарайды, сондықтан олардың ішкі құрылысын көруге болады.