生物化學/脂類和質膜
從簡單的原核細菌到複雜的生物體，所有細胞都被膜包圍。膜充當選擇性屏障，允許某些物質進入細胞，並阻止其他物質進入，它還積極地在細胞內外轉運物質，使用細胞能量來做到這一點。這對調節必須保持在嚴格限度內的許多物質的濃度很重要。細胞還包含膜結合的隔室，其中膜充當不同環境分離的屏障，例如溶酶體，溶酶體具有高 pH 值，這對細胞的其餘部分有毒。此外，脂類是極性分子，由於脂類中大量非極性鍵，通常可溶於有機溶劑。它們形成膜的能力是由於它們的疏水性，這由它們的脂肪酸貢獻。膜是兩親性的。
第一個將脂類與細胞膜聯絡起來的人可能是查爾斯·歐內斯特·奧弗頓，他當時正在研究植物的遺傳。他的研究的一部分涉及研究哪些物質最快地吸收到植物細胞中。在對大量物質進行表徵後，他提出了細胞膜由類似於植物油中發現的脂類的東西組成的想法，並且物質透過溶解到膜中被吸收到細胞中。
下一個重大進展來自 Gorter 和 Grendel，他們從紅細胞中提取脂類，並將脂類在水中鋪開時的表面積與紅細胞的表面積進行比較。他們發現脂類表面積是紅細胞的兩倍，並得出結論，脂類必須以兩層脂類分子厚的層排列。脂質雙層是由磷脂形成的雙層膜。磷脂由極性頭部基團和非極性脂肪酸尾部組成。磷脂的排列使細胞膜具有滲透性。
脂肪酸是具有長碳氫化合物鏈的線性羧酸。在脂肪酸中，非極性碳氫化合物鏈賦予分子非極性特徵。脂肪酸通常具有 14 到 24 個碳原子，它們的碳鏈可能具有一個或多個雙鍵。在天然存在的脂肪酸中，這些雙鍵大多處於順式構型。脂肪酸既有俗名，也有系統命名法。系統命名法基於具有相同碳原子數的烷烴或烯烴，將碳氫化合物的最終e替換為oic acid，如果脂肪酸的碳鏈是飽和的（在其碳鏈中沒有雙鍵），以及“enoic acid”，如果其碳鏈中有雙鍵。例如月桂酸（圖 x）
是一種具有 12 個碳原子且沒有雙鍵的脂肪酸，因此係統命名法為十二烷酸，離子形式為十二烷酸酯。（飽和脂肪酸表）如果有雙鍵，則位置用符號 Δ 表示，上標數字表示雙鍵的位置，並在其前面加上順式或反式以指示構型（但幾乎總是順式）。從羧基端開始計數碳原子，如圖 x 所示，因此在碳原子 9 和 10 之間具有順式雙鍵的十二烯酸酯將是：順式-Δ9-十二烯酸酯。
第 2、3 和最後一個碳原子分別稱為 α、β 和 ω 原子。
生物脂肪酸通常含有偶數個碳原子，其中 16 和 18 個最常見。脂肪酸鏈的長度和飽和度在很大程度上決定了它們的獨特性質。脂肪酸鏈越短，脂肪酸中不飽和度越高，其流動性越大，因此熔點越低。
磷酸甘油酯是兩種脂肪酸、磷酸和三官能團醇-甘油的酯。脂肪酸透過酯鍵連線到甘油上的甘油 1 位和 2 位。磷酸甘油酯由甘油骨架組成，其取代基以以下排列方式排列
- 甘油的第 1 個羥基通常酯化為飽和脂肪酸
- 甘油的第 2 個羥基通常酯化為不飽和脂肪酸
- 甘油的第 3 個羥基酯化為磷酸基團
最簡單的磷酸甘油酯是磷脂酸（圖片）。當具有羥基的基團酯化為磷脂酸的磷酸基團時，可以製備其他磷酸甘油酯。磷脂酸有四個常見的取代基。絲氨酸、乙醇胺和膽鹼在結構上相似，而肌醇則不同：
鞘脂是細胞膜中發現的第二種脂類，特別是在神經細胞和腦組織中。它們不含甘油，但保留了兩種醇，中間位置被胺佔據，並且具有與磷酸甘油酯相同的整體形狀，但化學性質不同，使用鞘氨醇代替甘油。鞘氨醇具有與脂肪酸相似的長碳氫化合物尾部，連線到類似於氨基酸絲氨酸的結構。脂肪酸可以連線到胺基，並且“頭部”基團可以連線到羥基（見圖 x）。鞘脂根據該頭部基團命名
- 如果沒有頭部基團，則稱為神經醯胺
- 如果頭部基團是磷酸和膽鹼，則稱為鞘磷脂
- 如果頭部基團是糖，則稱為糖鞘脂（或糖脂）
大多數鞘脂是第三種類型，糖鞘脂。據認為，除了它們在膜中的結構作用外，它們還在細胞識別和保護中發揮作用。
如果我們比較磷酸甘油酯和鞘脂的結構，我們會發現它們是非常相似的化合物。每種脂類都具有兩個長的疏水性碳氫化合物“尾部”和一個單一的極性“頭部”。由於分子同時具有極性和非極性部分，因此被稱為兩親性。正是這些分子的兩親性導致它們形成雙層，由四種力介導
- 疏水效應 - 這種效應導致疏水尾部相互靠近。這是驅動雙層形成的最強力量。它是當非極性物質聚集在水中時，水分子熵增加的結果。
- 疏水尾部之間的範德華力。
- 頭部基團的靜電作用力。
- 頭部基團之間的氫鍵。
滿足上述作用力的一種可能的結構被稱為**膠束**（圖片）。這在遊離脂肪酸中很常見，但在大多數磷酸甘油酯和鞘脂中並不常見，因為這些基團的醯基鏈數量是脂肪酸的兩倍（圖片），很難將它們全部打包到膠束的中心。磷脂和鞘脂更常以片狀或球狀形成雙層（圖片）。這就是所謂的脂質雙層。脂質雙層可滲透水分子和其他小的無電荷分子，如氧氣和二氧化碳。由兩親分子形成的雙分子片，其中疏水部分位於片材的內部，親水部分位於水性的外部。
脂質運動
[edit | edit source]運動研究
[edit | edit source]核磁共振、電子自旋共振、X射線、差示掃描量熱法
分子內運動
[edit | edit source]脂質分子內部有三種基本的運動型別：鍵之間的伸展、鍵之間的旋轉和鍵之間的擺動（？）。[圖片] 液晶中 99% 的運動是由於碳碳鍵周圍的旋轉造成的。膜脂的不飽和脂肪酸旋轉更頻繁。這是由於脂質雙層的緊密排列造成的。當一個鍵發生旋轉時，相鄰的鍵也會發生旋轉以補償空間衝突[圖片]。由於脂肪酸中的雙鍵幾乎總是順式，它們會在脂肪酸中引入彎曲。當一個雙鍵相鄰的鍵旋轉時，雙鍵相鄰的另一個鍵也會旋轉，整個過程就像一個老式螺旋鑽[圖片]。由於[角度圖]，旋轉靠近頭部基團的雙鍵需要更多的能量。雙鍵容易與 O2 反應併產生毒素[更多]，細菌有[環丙烷圖]。此外，蛋氨酸腦啡肽中分子內運動的核磁共振旋轉框架弛豫研究。
擴散
[edit | edit source]脂質膜最顯著的特性之一是單個脂質能夠擴散。這一特性是使用“光漂白後熒光恢復”方法發現的，也稱為 FRAP。在這個實驗中，細胞表面首先用熒光生色團標記。之後，用強光漂白特定區域，留下一個明顯的標記。在漂白區域，實驗者注意到隨著時間的推移，漂白分子從漂白區域移出，未漂白分子向漂白區域移動。這表明脂質雙層允許分子在膜內移動。
有兩種擴散型別：橫向擴散和橫向擴散。橫向擴散正如其字面意思那樣。在脂質雙層中，一個脂質分子可以越過相鄰的分子移動。橫向分子工作方式略有不同。它仍然會取代一個相鄰的分子，並穿過脂質雙層的另一側。重要的是要注意，橫向擴散比橫向擴散快得多。研究表明，橫向擴散每隔幾個小時才發生一次。擴散是指粒子從高濃度區域向低濃度區域的運動，不要與滲透混淆，滲透是指水透過半透膜的運動。擴散取決於肺泡囊內外的 CO2 和 O2 濃度。
質膜功能
[edit | edit source]運輸方式
[edit | edit source]膜透過多種方式調節分子運輸。運輸調節分為兩大類：被動運輸和主動運輸。被動運輸是指分子順濃度梯度移動：換句話說，從高濃度區域向低濃度區域移動。水的擴散是一種特殊情況，稱為“滲透”。並非所有分子都能透過磷脂雙層擴散。能夠透過的分子通常是疏水分子（例如氧氣）、非極性分子（例如苯）或小的無電荷極性分子（例如水）。疏水和非極性分子可以溶解透過雙層，因為雙層和分子本身的極性相似。小的無電荷極性分子通常需要膜通道才能擴散，例如水通道蛋白。不能輕易透過雙層的分子是大的無電荷分子、極性分子或離子。每種型別的例子分別是葡萄糖、蔗糖和氫離子。為了總結哪些分子可以透過膜，哪些分子不能透過膜，它們是尺寸、電荷和極性。
通常，親水分子由於極性不同而無法穿過磷脂雙層。然而，觀察到親水分子透過與疏水分子不同的機制穿過膜蛋白。疏水分子由於極性相似而透過膜擴散，而親水分子需要一種叫做膜蛋白（整合蛋白或外周蛋白）的分子，它透過主動運輸和被動運輸轉運分子。被動運輸的一些例子是簡單擴散和協助擴散。簡單擴散是指溶質透過通道蛋白從高濃度區域向低濃度區域移動以建立平衡。協助擴散仍然是從高濃度區域向低濃度區域移動，但它不是通道蛋白，而是載體蛋白。這種載體蛋白，也稱為通透酶，極大地加速了運輸速度。主動運輸將分子從低濃度區域移動到高濃度區域（與被動運輸相反）。這種將分子逆濃度梯度移動的運輸需要能量，通常來自 ATP（三磷酸腺苷）。用來解釋這個概念的一個常見例子是鈉鉀泵。在人體細胞中，細胞外通常鈉離子濃度高，細胞內鈉離子濃度低。鉀離子濃度則相反：細胞內高，細胞外低。該機制從鈉離子與鈉鉀泵蛋白結合開始，其間隙與細胞外部環境隔絕。鈉離子的結合向細胞發出訊號，使其利用將 ATP 轉化為 ADP（二磷酸腺苷）。這種反應會釋放能量並向蛋白質新增一個磷酸基團，使蛋白質能夠改變其構象並釋放結合的鈉離子到細胞外部環境中。鈉離子釋放後，來自同一區域的鉀離子將與蛋白質結合。鉀離子的結合會向蛋白質發出訊號，將其結合的磷酸基團轉換為未結合的無機磷酸，並改變蛋白質的構象以將鉀離子釋放到細胞中。之後，鈉離子再次結合，迴圈重複。
其他一些能量驅動的過程是胞吞作用和胞吐作用。胞吞作用是指將大分子轉運到細胞內。胞吐作用是指將分子排出細胞。受體介導的胞吞作用在真核生物中發生。對於細胞中不同的膜來說，為了執行某些功能，例如吞噬、轉運，甚至釋放對身體至關重要的分子，它們必須要麼結合要麼分離，這一點非常重要。這一過程由低密度脂蛋白 LDL 促進。外部細胞 LDL 首先漂浮並結合到其相應的受體，稱為 LDL 受體。然後細胞膜將 LDL 和 LDL 受體吞噬到細胞中，形成一個囊泡，使其免受細胞親水環境的損害。然後該複合物分離成蛋白質和受體對應物。LDL 與溶酶體融合，分解 LDL 並釋放膽固醇作為副產物。胞吐作用的一個簡短例子是胰島素分泌到血液中，或者是在動作電位期間間隙連線處神經遞質的轉運。一個更具體的例子是高爾基體的囊泡轉運。在真核生物中，內質網 (ER) 向高爾基體傳送由蛋白質形成的轉運囊泡。一些囊泡與溶酶體融合，導致消化。其他一些含有質膜必需蛋白質的轉運囊泡由於極性相似，會擴散到膜中，將其蛋白質內容物釋放到細胞環境中。
細胞內外環境的濃度差異對動物細胞和植物細胞有不同的影響。在高滲溶液中（溶質濃度在外側高於內側），細胞會試圖透過釋放其水分到外部環境中來建立平衡。如果細胞中有足夠的水分，濃度可能會變得相等。同時，細胞會變得萎縮。在植物細胞中，會發生相同的事情。然而，由於植物細胞有細胞壁，它們不會萎縮，而是發生質壁分離。在另一個極端，低滲溶液中，當溶質濃度在外側低於內側時，細胞會發生溶解。為了建立平衡，水會進入細胞以降低細胞內的濃度。在植物細胞中，這被稱為膨脹而不是溶解。順便說一句，這是植物細胞的正常狀態。在等滲溶液中（細胞兩側的濃度相等），細胞進出水的淨含量保持平衡。這是真核生物的首選狀態。在植物細胞中，它被稱為鬆弛。膜蛋白被稱為轉運蛋白，它們促進分子穿過膜的運動，其中至少包括三個步驟：結合、蛋白構象改變和釋放。轉運蛋白有兩種型別：被動轉運蛋白不需要能量，而主動轉運蛋白則利用ATP來驅動轉運。
細胞間通訊對於多細胞生物（如人類或橡樹）至關重要，因為它們必須進行交流才能從受精卵發育，並生存和繁殖。對於許多單細胞生物來說，細胞間通訊也非常重要，因為它們必須找到物質和食物才能發育和進行有性繁殖。細胞通訊的一個早期例子是釀酒酵母，其中酵母細胞使用化學訊號識別異性配子的細胞並啟動交配過程。細胞通訊的研究可以幫助解答一些醫學領域中最重要的疑問，從胚胎髮育到激素作用，再到癌症和其他相關疾病的發生。
順便說一句，不僅細胞之間需要交流，而且細胞還要與其他分子交流。不同型別的分子與細胞的內部程式進行不同的交流方式。例如，突觸遞質，如乙醯膽鹼，會與特定的G蛋白結合並激活細胞內的第二信使。突觸遞質結合的另一種方式是透過包括離子通道的蛋白質複合體（整合膜蛋白）。兩種途徑的最終結果都會改變膜中離子通道構象的狀態。另一個例子是類固醇激素，它們會穿過細胞膜並最終改變某些細胞中的蛋白質程式。至於肽激素，它會與G蛋白結合，啟用細胞內的第二信使，並改變轉錄模式。由於肽激素具有疏水性，而細胞膜具有非極性，因此它需要第二信使的相互作用，而類固醇激素（也是非極性的）可以直接交流並擴散到細胞中。細胞間通訊對於多細胞生物至關重要。細胞通常透過釋放針對細胞的化學信使進行交流。一些信使在短距離內傳播，例如區域性調節分子。動物生長因子是一些化合物，它們刺激附近的靶細胞生長和增殖。許多細胞可以同時接收和響應單個細胞在其附近產生的生長因子分子。
細胞粘附是指任何腺體細胞，例如櫛水母、渦蟲等，用於粘附到基質和捕獲獵物。細胞粘附發生在一個細胞與另一個表面（如另一個細胞或無生命表面）結合時。細胞粘附分子充當連線細胞與另一個表面的中間體。