結構生物化學/脂類
脂類屬於有機化合物家族，包括脂肪、植物油、蠟、膽固醇、磷脂、類固醇和脂溶性維生素（A、D、E 和 K）。它們由硫酯的碳負離子縮合或異戊二烯單元的碳正離子縮合（或兩者）形成。[1] 儘管脂類是兩親性分子（在分子內同時包含親水和疏水區域），但由於其碳氫化合物與極性區域（由於含氧官能團）的比例很大，脂類通常是疏水的。因此，脂類不溶於水，但可溶於非極性溶劑（例如：苯和氯仿）。
脂類在生物學中具有多種功能。甘油三酯的消化產物為甘油和脂肪酸，隨後作為燃料使用。其他生物學功能包括：構建細胞膜、儲存能量和作為訊號分子。脂類可以與蛋白質和碳水化合物形成鍵，形成脂蛋白和脂多糖。
脂類圖譜聯盟定義了八類脂類，根據它們的化學功能主鏈進行分類。這八類分別是：脂肪醯基、甘油脂、甘油磷脂、鞘脂、甾醇脂、異戊烯脂、糖脂和聚酮類，然後進一步細分為類別和亞類。[2]
一種常見的生物脂類是脂肪酸。
命名法
為了命名脂肪酸，必須知道原始烴的名稱，因為名稱的結尾將被替換如下
- 單鍵替換e--> oic
- 雙鍵替換ne-> dienoic
- 三鍵替換ne-> trienoic
例如十八烷。當它是一個單鍵飽和脂肪酸時，名稱將轉變為十八烷酸。雙鍵將使名稱變為十八碳二烯酸。最後，三鍵脂肪酸將使名稱變為十八碳三烯酸。
人們還可以用其他符號來讀取脂肪酸。一種情況是表示碳原子數與雙鍵數。例如 14:2 表示分子中有 14 個碳原子和 2 個雙鍵。
最後一種命名雙鍵的方法是使用符號 Δ 和 ω。透過在 delta 後加上上標，表示該位置存在雙鍵。例如，順式-Δ12 表示碳原子 12 和 13 之間存在一個順式雙鍵。ω-n 符號是另一種表示雙鍵位置的方法。例如，如果 n = 4（ω-4），那麼從 CH4 端開始，在第 4 和第 5 個碳之間將有一個雙鍵。ω-3 脂肪酸是使用這種方法命名的脂肪酸的常見例子。
性質
定義脂肪酸的基本組成部分
- 碳氫鏈
- 飽和（純 C-C 鍵）或不飽和（包含一個或多個 C=C 鍵）
- 一端為羧酸
脂肪酸 是碳氫化合物的鏈，長度和飽和度各不相同。膜脂肪酸通常具有 14 到 24 個碳，可能飽和或不飽和。非極性碳氫烷烴鏈是極性酸官能團的重要平衡部分。在只有幾個碳原子的酸中，酸官能團占主導地位，使整個分子具有極性。然而，在脂肪酸中，非極性碳氫鏈使分子具有非極性。
脂肪酸有兩組：飽和和不飽和。回想一下，不飽和是指存在一個或多個碳原子之間的雙鍵，就像烯烴一樣。飽和脂肪酸沒有雙鍵，這意味著所有 C 原子都與兩個氫原子相連（末端 C 除外，它與三個氫原子相連）。
不飽和脂肪酸的熔點低於飽和脂肪酸。疏水尾部的“扭結”會干擾尾部的緊密堆積，從而降低熔點。可以透過仔細考慮分子幾何形狀來找到這種現象的原因。飽和脂肪酸中碳原子的四面體鍵角導致形成相對線性的鋸齒狀結構。這種分子結構允許許多脂肪酸分子以相當緊密的“堆疊”方式排列在一起。因此，緊密的分子間相互作用導致相對較高的熔點。另一方面，在不飽和脂肪酸中，碳氫鏈中引入一個或多個雙鍵會導致分子中出現一個或多個“彎曲”。雙鍵的幾何形狀在天然脂肪酸中幾乎總是順式構型。這些分子不能很好地“堆疊”，與飽和分子相比，分子之間的分子間相互作用減弱。因此，不飽和脂肪酸的熔點要低得多。
這是最簡單的脂類形式，由三個脂肪酸與甘油酯鍵連線而成。自然界中發現的大多數三醯甘油來自兩種或多種不同的脂肪酸。由於脂肪酸鏈的脂肪部分的非極性性質，它們相對不溶於水且疏水。然而，甘油的羥基與脂肪酸的羧酸鹽之間的酯鍵導致了一定程度的極性。
在真核細胞中，三醯甘油作為代謝燃料和絕緣體。脂肪細胞在脊椎動物中儲存大量的三醯甘油，在植物中，它以油的形式儲存在種子中。一種名為脂肪酶的酶存在於脂肪細胞和種子中，催化三醯甘油的水解並釋放脂肪酸，這些脂肪酸可以在必要的地方用作燃料。
使用三醯甘油作為代謝燃料來源的優勢在於它的高度還原性，以及它的疏水性。由於脂肪酸中的碳比碳水化合物中的碳更還原，因此氧化脂肪酸會提供更多的能量。三醯甘油更適合儲存，因為它不會給宿主增加不必要的重量，即它的疏水性傾向使其不會被水合，這是一種增加水分重量的來源。此外，儲存在某些動物皮膚下的三醯甘油，例如：海豹、鯨魚、企鵝等，還可以作為抵禦寒冷的絕緣體。冬眠動物尤其受益於三醯甘油的雙重用途。
磷脂分子由兩個主要部分組成：親水的極性頭部基團和疏水的尾部。極性頭部基團含有一個或多個磷酸基團，而疏水尾部則含有兩條脂肪醯鏈。極性頭部基團透過甘油或鞘氨醇分子上的磷酸二酯鍵連線到疏水部分。當這些分子置於水中時，頭部基團面向水，尾部背向水，形成雙層結構。脂肪醯鏈完全由碳氫化合物組成。如果碳原子全部透過單鍵連線，則為飽和的。如果存在一個或多個雙鍵，則為不飽和的。 脂肪酸 鏈提供疏水屏障。
重要的是，磷脂在所有生物膜中含量豐富。一個磷脂分子由四個成分構成：一個或多個脂肪酸、脂肪酸連線的平臺、磷酸鹽和連線到磷酸鹽的醇。磷脂構建的平臺可能是甘油（一種三碳醇）或鞘氨醇（一種更復雜的醇）。脂肪酸部分提供疏水屏障，而分子的其餘部分具有親水性，以便與水性環境相互作用。由於磷脂可以具有許多不同的“頭部基團”作為磷酸基團的取代基，因此存在著很大的多樣性。這些頭部基團的例子包括絲氨酸、乙醇胺、膽鹼、甘油、肌醇。
這些磷脂的修飾總是有一定原因的，例如，古細菌生活在 70 或 90 攝氏度下，磷脂被修飾以在高溫下保持膜穩定性，或者在腦髓鞘形成的情況下，神經元胞體中的磷脂與髓鞘中的磷脂不同。
磷脂作為生物膜 脂類雙層 的結構組成非常重要（例如，細胞的質膜和細胞器的細胞內膜作為細胞與其環境的分隔，參與代謝和訊號傳導的生物學功能）。
磷脂存在兩種形式：磷酸甘油酯和鞘磷脂。
磷酸甘油酯是甘油基團與兩個脂溶性脂肪酸和一個帶電荷的水溶性磷酸基團相結合的脂類；該化合物被稱為磷脂酸。磷酸基團可以透過其他化學基團結合形成不同結構以執行不同的功能。磷酸鹽與甘油一端相連，將其從前手性結構轉化為手性結構（可以手性化的非手性結構）。細胞膜的生物學結構是雙層結構，即脂溶性成分相互作用，而水溶性成分朝向極性溶劑外側。磷脂酸（二醯基甘油 3-磷酸）被認為是最簡單的磷酸甘油酯。主要的磷酸甘油酯是從磷脂酸透過在磷脂酸的磷酸基團和幾種醇之一的羥基之間形成酯鍵而衍生出來的。磷酸甘油酯的常見醇部分是氨基酸絲氨酸、乙醇胺、膽鹼、甘油和肌醇。磷脂醯膽鹼、磷脂醯絲氨酸和磷脂醯乙醇胺是主要的磷酸甘油酯。
鞘磷脂不同於磷酸甘油酯，它們不是從甘油衍生而來的。但是，它們在 3 個成分方面相似：脂肪酸、平臺、磷酸鹽。鞘磷脂使用鞘氨醇作為骨架平臺，而不是甘油。鞘氨醇是一種含有長不飽和烴鏈的氨基醇。在鞘磷脂中，鞘氨醇骨架的氨基透過醯胺鍵與脂肪酸連線。磷酸甘油酯可以具有不同的醇作為與磷脂酸結合的羥基，而鞘磷脂的鞘氨醇的伯羥基酯化為磷醯膽鹼。
糖脂是具有共價連線的碳水化合物（含糖脂類）的脂類。糖脂有助於提供能量，以及作為細胞識別的遺傳標記。糖脂有兩種型別：鞘糖脂和半乳糖脂。鞘糖脂由一個鞘氨醇、一個脂肪酸、一個單糖或寡糖組成。半乳糖脂由一個甘油、兩個脂肪酸、一個單糖或二糖以及硫酸鹽組成。半乳糖脂主要存在於植物細胞中，特別是在葉綠體的類囊體膜中。
糖脂是含有糖（糖-）的脂類，其功能包括提供能量和細胞識別。這些結構是透過在脂類雙層的細胞膜的細胞外側將碳水化合物鏈與磷脂結合而形成的。這些結構作為化學物質的識別標記，並穩定膜結構，以及從細胞到細胞的結合以形成組織。它們來自鞘氨醇，而不是甘油的形式。與磷脂的另一個區別是糖脂含有糖單元（可以是葡萄糖或半乳糖），而不是磷酸基團。糖脂在極性頭部基團糖與骨架甘油之間具有直接的糖苷鍵，而在磷脂中，極性頭部基團透過磷酸二酯鍵連線。糖脂與鞘磷脂的不同之處在於連線到鞘氨醇骨架伯羥基的單元的特性。此外，在細胞中，膜糖蛋白和糖脂始終以其碳水化合物部分朝向細胞外部的方向定位。
糖脂分子具有從最基本的分子腦苷脂（含有 1 個脂肪酸單元、一個鞘氨醇骨架和 1 個糖單元（葡萄糖或半乳糖））到含有多個糖殘基的支鏈（在神經節苷脂中最多七個殘基）的最複雜分子，在複雜程度上範圍很廣。
膽固醇 是一種存在於動物組織中的類脂醇。它的結構與其他脂類不同。它是一箇中等大小的分子，包含四個相鄰的環狀烴分子，三個六元環和一個五元環，具有羥基和飽和烴鏈末端。膽固醇由於其極性羥基和非極性烴體而具有兩親性。此外，膽固醇的稠合環體系使它比其他膜脂具有更大的剛性，因為它不允許它圍繞 C-C 鍵旋轉。
膽固醇被認為是類固醇，在原核生物中不存在。它的主要功能涉及細胞膜的滲透性，因為它管理 膜流動性。膽固醇具有降低膜流動性的趨勢，因為疏水部分與周圍磷脂的疏水區域相互作用。膽固醇也被認為參與形成 脂筏，即脂類和蛋白質的區域，它們往往聚集在一起，其組成不同於周圍的膜。
膽固醇是細胞膜中的脂類，它不溶於水或有機溶劑。它由乙酸合成，被歸類為固醇，或同時具有類固醇和醇基的化合物。生物結構是由羥基與膜的極性磷脂和鞘磷脂基團結合，以及類固醇和烴基團與膜中其他脂類化合物的非極性 脂肪酸 基團結合而構成的。該分子在膜中起緩衝劑或溫度穩定劑的作用，它可以佔膜的 25%。當存在於膜中時，膽固醇分子中的 4 個環狀分子平行於磷脂的脂肪酸鏈，同時羥基末端指向極性磷脂頭的方向，與其相互作用。膽固醇還參與不同溫度範圍的細胞膜的構建、調節和類固醇激素的形成。
膽固醇是動物中最豐富的類固醇，可能佔血漿 膜脂類 的 30-40%。膽固醇分子主要存在於神經細胞中。該分子與髓鞘膜結合，髓鞘膜提供一層外包層，保護神經細胞免受周圍環境的侵害。此外，它是雄性（睪酮）和雌性（雌二醇）性激素的重要前體。它也是維生素 D 的重要組成部分，維生素 D 使身體能夠利用鈣來形成骨骼。
動物從食物中獲取的膽固醇很少。相反，膽固醇是在體內產生的。儘管膽固醇對於許多過程和結構功能至關重要，但膽固醇過量可能有害。血液中膽固醇過多會導致動脈阻塞，從而導致心臟病、高血壓和中風。只有 0.25% 的人類由於遺傳因素而患有高膽固醇。更常見的是，人們透過飲食獲得高膽固醇水平（尤其是在美國）。
類固醇是環戊烷多氫菲的衍生物，環戊烷多氫菲是一種包含四個稠合的非平面環的化合物。膽固醇是哺乳動物中類固醇激素的代謝前體。這些激素調節各種生理功能，例如基因表達、代謝、炎症反應、應對壓力的能力、腎臟排鹽和水以及性發育。類固醇激素的例子包括皮質醇、睪酮、醛固酮和β-雌二醇。由於類固醇激素不溶於水，它們與蛋白質結合以透過血液運輸到目標組織。此外，與其他激素或訊號分子相比，類固醇往往具有更持久的影響。
當兩親性分子（如磷脂）聚集在一起時，就會形成膜。膜是片狀結構，厚度為兩個分子（通常在 6 奈米到 100 奈米之間），並在不同的細胞內隔室之間形成封閉邊界。膜由脂類和蛋白質組成，質量比範圍在 1:4 到 4:1 之間。碳水化合物也存在於膜中，與脂類和蛋白質相連。 膜脂類 是既疏水又親水的小分子，從而形成封閉的雙分子片，作為其他分子的屏障。非常特異的蛋白質用於介導物質的運動或訊號傳遞。這些蛋白質包括泵、通道、受體、能量轉換器和酶。這些蛋白質通常嵌入 脂類雙層 中，並介導兩種環境之間的訊號轉導。大多數細胞膜是極化的，細胞內部與細胞外部具有不同的組成。細胞內和細胞外環境的分隔使細胞能夠在膜上形成電勢，這對運輸、能量轉換和興奮性至關重要。
脂類包含兩個構成其兩親性特徵的成分
-由飽和或不飽和烴鏈組成的疏水尾部，由於疏水效應，導致烴尾部彼此平行排列。
-由帶電荷的磷酸基團組成的親水極性頭部，該基團指向極性水性溶劑的方向。這兩個組分共同幫助脂類相互作用並與其環境相互作用，以 脂類雙層 或 膠束 的形式存在。
脂類雙層 是結構如何影響功能的完美例子。雙層的結構在外部和內部隔室之間提供了一個滲透屏障。這個主題首先由 Gorter & Grendell 實驗驗證，一直是我們對生物膜的組織和功能的理解的主要內容。疏水端彼此交織在一起，遠離水，而親水頭部則面向細胞外液和細胞質。 脂類雙層 還包含蛋白質通道，這些通道充當某些蛋白質透過的運輸途徑。雙層中可能存在許多蛋白質，每種蛋白質都有自己的序列、結構和翻譯後修飾，以使蛋白質能夠正確執行其任務，但所有膜間蛋白都共享兩個共同區域，一個疏水區域和一個親水區域。蛋白質的疏水部分透過與磷脂的長烴鏈的疏水相互作用，使其被固定在雙層中，而親水部分則位於水性環境中。
脂類雙層由於其流動結構而表現出彈性特性。 流體鑲嵌模型 描述了脂類雙層的流動性。磷脂還可以從一個表面翻轉到另一個表面，儘管這非常不利，因為磷脂的極性頭部必須穿過雙層的疏水區域才能反轉自身；這有助於保持膜表面的不對稱性。蛋白質主要固定在膜中，不能自由旋轉，從而保持這種有意不對稱性。
雙層的每一層都包含複雜的獨特脂類，超過 100 種不同的型別。膜中可以有高濃度的膽固醇和鞘磷脂區域。這種廣泛的複雜性對於其基本功能（如維持電、機械和化學梯度）是必要的。膜中的脂類經歷複雜的相變，以促進濃度、組成和溫度的函式過程。細胞分裂和膜融合很容易發生，因為雙層的橫向壓力分佈和細胞外大量水與雙層內部幾乎沒有水的介面區域。這些特徵除了介電常數梯度之外，還在脂類骨架到兩個單層的中間形成水濃度梯度。 [3]
細胞膜由兩片脂類組成，稱為 脂類雙層。片狀結構受到磷脂和糖脂在水性環境中的青睞，即當磷脂、糖脂和 膽固醇 與水混合時，它們往往會聚在一起，它們的疏水尾部相互接觸，它們的親水頭部與水性介質相互作用。由於疏水區域暴露於水性環境的程度降低，脂類-水介面的有序水殼數量最小化，因此係統的熵增加，這在熱力學上是有利的。
磷脂和糖脂偏愛脂類雙層，因為脂類上的 脂肪酸 尾部太大，無法埋入 膠束 的內部。脂類雙層能夠擴充套件到宏觀尺寸，因為脂類分子之間的疏水相互作用不僅充當形成片狀結構的驅動力，而且還穩定了結構。
在原核生物和真核生物細胞中，質膜和細胞器的膜都由磷脂雙層組成，蛋白質附著在雙層上或嵌入其中。由於細胞的代謝需求對單個細胞的大小施加了上限，因此質膜充當每個細胞邊界處的屏障，保護物質進入細胞。
-膜脂類：三種常見的 膜脂類
磷脂：包含 2 個脂肪酸尾部、甘油、磷酸和醇基。
糖脂：包含糖頭，透過甘油共價連線，就像磷脂一樣。
膽固醇：龐大的分子，具有兩個末端。一端具有烴基，另一端具有 4 個烴環，並帶有羥基 (-OH) 基團。
膜蛋白：膜蛋白是與細胞或細胞器膜結合或密切相關的蛋白質分子。它們可以根據與膜的鍵合強度分為兩組
A. 跨膜蛋白：跨膜蛋白跨越脂類膜，具有 α 螺旋或 β 片，是膜蛋白中最常見的結構。大多數這些 α 螺旋是非極性的，只有極少數是帶電荷的。具有 α 螺旋的蛋白質也用於將蛋白質錨定到細胞膜表面。β 鏈在膜中形成通道蛋白。每個 β 鏈都以反平行排列，並透過氫鍵連線。這個 β 片可以形成一個空心柱，在膜中形成一個孔。孔的外側是非極性和疏水的，而內側是親水的。這種結構是透過在每條鏈中交替排列疏水和親水氨基酸而獲得的。
B. 整合單體蛋白穩定地結合到膜，需要非極性溶劑來斷裂鍵。整合膜蛋白的例子
細菌視紫紅質- 它利用光能將質子從 "脂類雙層" 的內部移動到外部。該結構呈 α 螺旋形式，α 螺旋是膜蛋白中最常見的結構基序。
糖蛋白：糖蛋白是一個糖蛋白的例子，由α螺旋構成。它是一種二聚體蛋白，可以與膜的疏水和親水區域結合。它的正電荷氨基酸（賴氨酸和精氨酸）與膜的磷酸極性頭部基團結合，減少了蛋白的側向移動。糖蛋白作為 M/N 血型的受體。糖蛋白的其他功能仍在研究中。
細菌視紫紅質：是光合細菌中的一種整合蛋白。它由三個相同的鏈組成，因此是一個三聚體。每個鏈又由 7 個 α 螺旋組成。細菌視紫紅質充當一個通道，可以發生構象變化，將質子跨膜泵出（從胞質溶膠到細胞外），形成用於 ATP 合成的質子梯度。
孔蛋白：由β摺疊構成。它的外表面主要由疏水基團組成，有助於與脂質膜的疏水區域相互作用。內表面主要由親水基團組成，透過氫鍵結合在一起。由於其親水性內部區域，小的帶電荷分子（廢物、水、營養物質）可以透過孔蛋白進入或離開細胞。
C. 周邊膜蛋白：周邊膜蛋白與脂質雙層或整合蛋白非永久性結合，可以透過極性溶劑解離。脂質雙層上的脂質頭部基團透過靜電和烴鍵與周邊膜蛋白相互作用。周邊膜蛋白的一個例子是
細胞色素 C：由α螺旋構成。Cyt c 存在於所有真核細胞的線粒體中。Cyt C 共價連線到一個血紅素基團，該基團可以在細胞內發生亞鐵和鐵狀態之間的轉變。由於構象變化，cyt c 充當從複合物 III 到複合物 IV 的電子傳遞體。這是可能的，因為 Cyt c 可以鬆散地結合到複合物 III 和複合物 IV 蛋白質上，它們是整合蛋白。
3. 兩親分子結構
[edit | edit source]兩親分子在其結構中同時含有親水基團和疏水基團。在脂質膜的情況下，親水基團是磷酸極性頭部，而疏水基團是烴鏈。
由於細胞膜的兩親性，脂質雙層對離子和小極性分子具有高度的不可滲透性，而較小分子的滲透性與其在非極性溶劑中的溶解度與其在水中的溶解度相關。在這種情況下，水分子被認為是小的分子，因此水分子能夠很容易地穿過脂質雙層，因為細胞內濃度高，並且其分子上沒有完整的電荷。水分子透過滲透作用從高水濃度區域（低溶質濃度）擴散到低水濃度區域（高溶質濃度），不需要能量輸入。除了水以外的小分子，當它們進入雙層時會脫掉它們的水溶解殼，溶解在膜的疏水核心，然後它們透過核心擴散到膜的另一側 - 親水區域，在那裡它們會被水重新溶解[check spelling]。
然而，離子不太可能響應膜的兩親性而穿過脂質雙層。用非極性相互作用與膜內部的疏水核心取代它們的水極性分子的配位殼在能量上非常不利，因為啟用能壘太高而無法克服。
4. 非共價相互作用
[edit | edit source]對於磷脂雙層，即使它在外膜上包含親水頭部，內膜的非共價疏水尾部是將整個膜保持在一起的關鍵，因為在細胞膜記憶體在範德華引力，其中烴尾部緊密堆積在一起。由於細胞膜內部的非共價性質，疏水分子可以透過被動擴散很容易地穿過細胞膜。儘管如此，細胞仍然可以透過跨膜蛋白複合體（例如孔和門）來控制分子的運動。對於親水分子（例如離子、碳水化合物、蛋白質、氨基酸和核酸），由於它們的極性和親水性，它們需要主動擴散才能穿過細胞膜（大多數細胞膜的非共價組裝是疏水的，例如烴鏈）。
細胞膜的非共價組裝可以幫助產生諸如脂質體或脂質囊泡之類的氣泡，這些氣泡可以將藥物輸送到身體的特定部位。脂質體的結構與細胞膜的脂質雙層非常相似，構成脂質體的材料與細胞膜相同。因為脂質體是一個氣泡，所以它的橫截面呈環狀，其中親水頭部是外環和內環，而疏水尾部位於親水頭部環之間。由於環狀結構，脂質體能夠將水性物質（例如藥物）捕獲到它們的環中。一旦物質在環內，脂質體就會將它們輸送到身體的特定位置，例如癌細胞。
5. 非對稱性
[edit | edit source]由於細胞包含兩個不同的環境，因此膜表面也可能存在差異。事實上，膜的內表面和外表麵包含不同的蛋白質，並具有不同的功能。不對稱性是由膜中的旋轉非常不利的事實保持的。差異可能是由於兩親性脂質基分子的比例或型別不同、蛋白質的位置不同（面向內或面向外）或跨膜蛋白質的固定方向造成的。此外，內外膜表面存在不同的酶活性。
細胞膜不對稱性的起源是當蛋白質由預先存在的膜合成時，它們以不對稱的方式插入膜。細胞膜的不對稱性使膜能夠保持其完整性，並使細胞能夠與現有的細胞外環境具有不同的細胞內環境。此外，細胞膜的磷脂在脂質雙層中不對稱分佈，這種現象稱為膜磷脂不對稱性。
磷脂跨膜運動有三種機制：1）自發擴散，2）促進擴散，3）ATP 依賴的主動轉運。
自發擴散是一種被動運輸形式。由於被動運輸不需要能量來運輸非極性物質穿過膜，因此這可以自發發生。促進擴散與自發擴散一樣，是一種被動運輸形式。在這種擴散中，分子或離子透過使用特定的跨膜轉運蛋白穿過膜。
6. 膜的流動性
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由於細胞膜透過疏水相互作用保持在一起，而這些相互作用足夠弱以允許解開，因此細胞膜不是脂質分子的靜態片材。膜脂質能夠橫向移動，也就是說，它們可以在膜平面上移動。然而，跨膜的橫向擴散或翻轉很少發生，因為將一個脂質分子從一個磷脂層切換到另一個磷脂層的能量屏障太高，因為脂質分子的親水頭部必須穿過膜的疏水核心。翻轉酶是一類蛋白質，透過催化反應來幫助磷脂的翻轉相互作用，使其更快、更具能量優勢。
膜具有兩種有序狀態：剛性狀態和流體狀態。剛性狀態是高度有序的、相當直的狀態，而流體狀態則更加無序，帶有彎曲和扭結。從一種狀態到另一種狀態的轉變取決於溫度是否高於或低於熔點 Tm。這種轉變狀態的性質包括脂肪酸鏈的長度和由於雙鍵扭結引起的非飽和度。
比較具有飽和烴鏈的磷脂與具有不飽和烴尾部的磷脂，具有飽和烴鏈的脂質傾向於更緊密地堆積在一起，而不飽和烴尾部中的順式和反式雙鍵在它們的分子結構中產生分支，阻止脂質緊密堆積，增強 膜流動性。這是細菌維持細胞膜流動性的主要方法。脂肪酸鏈的長度也是膜流動性的一個因素。由於兩條相鄰鏈的有利自由能（-2 kJ/mol 每條鏈中的 CH2 基團）存在，因此較長的鏈之間存在更多相互作用。
膽固醇的存在也會降低膜流動性。膽固醇是一種類固醇，包含四個龐大的烴環，在其中一端有一個親水羥基。在細胞膜中，膽固醇平行於磷脂的脂肪酸鏈排列，其羥基將與附近磷脂頭部羰基氧形成氫鍵。膽固醇的存在破壞了脂質雙層的規則形狀，因此干擾了脂肪酸鏈之間的非共價相互作用。因此，細胞膜在膽固醇存在的情況下流動性降低。這是真核細胞改變其膜流動性的主要方法。
- 實驗：光漂白恢復熒光（FRAP）
FRAP 用於視覺化膜蛋白的快速橫向運動。細胞表面成分用熒光髮色團標記，然後用強光破壞（漂白）熒光分子。使用較低水平的光來監測熒光區域隨時間的變化，以防止進一步漂白。標記區域的移動性得到證明，因為漂白的分子離開而未漂白的分子進入，導致熒光強度增加。
細胞膜是帶電極性的，因為細胞內部和外部之間經常存在電壓差。細胞質膜對電壓變化具有很強的抵抗力，而細胞內部和外部的液體具有很高的導電性。這是細胞運輸和通訊的重要因素。
極化是膜中離子轉運蛋白的結果，其作用是維持細胞內部和外部區域之間離子比例。為了產生電壓，必須在有抵抗力的膜兩側分離電荷。對於細胞膜來說，在內膜處，鈉離子與陰離子分離，同時鉀離子在細胞內部和外部區域之間形成濃度梯度。為了防止這種梯度消失，離子轉運蛋白（也稱為泵）藉助 ATP 作為能量來源，不斷地將離子泵出以維持梯度。
儘管這種離子分離消耗能量，但由此產生的電位被細胞用於許多過程。電位可以運輸其他離子或代謝物，或者引發通訊，例如神經系統中神經元的動作電位。細胞膜的這一特性不僅對膜本身至關重要，而且對細胞的生命也至關重要。
脂類囊泡（或脂質體）是細胞內的小型、膜包圍的液體泡。它們由於脂類膜的性質而形成，其中疏水鏈緊密堆積在一起，因此不會與水溶液接觸。單個雙層膜將囊泡與細胞質分離。只有一個雙層膜的囊泡稱為單層囊泡。如果它們有多個雙層膜，則稱為多層囊泡。囊泡用於在細胞水平上儲存、運輸、消化產物和廢物，以及組織細胞結構，其中每種功能都有特定型別的囊泡。囊泡周圍的膜類似於其細胞的質膜。因此，囊泡能夠融合並穿過質膜，以便從細胞中攝取或釋放內容物。一些常見的囊泡是溶酶體、液泡和轉運囊泡。溶酶體用於“分解”細胞中的物質，通常是食物或廢物，液泡用於儲存食物和控制滲透作用，而轉運囊泡用於在細胞內運輸分子。
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脂質體的簡化檢視 -
脂質體的放大檢視
脂質體可以透過將磷脂在水溶液中超聲處理來人工合成。超聲處理涉及高頻聲波的攪拌。脂質體可以透過將分子溶解在水性溶劑中來製備含有分子的脂質體。例如，甘氨酸可以與磷脂層一起溶解在燒杯底部的水中。超聲處理後，溶液進行凝膠過濾以去除溶液中任何鬆散的甘氨酸。之後，只有含有脂質體的含水溶劑。
脂質體可用於治療目的。脂質體可以攜帶藥物或用於攜帶用於基因治療的基因。透過使用脂質體，可以降低藥物的毒性。脂質體透過與靶細胞的質膜融合來遞送藥物和 DNA。
古菌域和細菌域之間的主要區別有兩個：古菌細胞膜中的磷脂包含醚鍵和脂肪酸碳氫化合物鏈，這些碳氫化合物鏈完全飽和並分支，每 5 個碳原子有一個甲基。這些簡單的結構差異為古菌提供了在極端環境中生存的方法（與細菌發現的環境相比）。這種生存能力的提高是透過影響古菌膜的化學性質的兩個因素來實現的。這些膜是
1. 對水解更具抵抗力（醚鍵與酯鍵相比）
2. 對氧化更具抵抗力（支鏈飽和碳氫化合物鏈）
古菌磷脂的另一個區別是甘油平臺是反轉的。然而，這種反轉是一種結構差異，對其抵抗惡劣環境的影響很小。
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脂質組學是代謝組學中的一項重要研究，是對生物體脂類的結構和功能進行分析。進一步的研究有可能揭示脂類在癌症等疾病中的作用。質譜法經常用於脂質組學。