結構生物化學/脂類/膜脂類
膜蛋白依賴於它們與膜脂的相互作用來維持其結構並保持其作為蛋白質的功能。為了使膜蛋白純化和結晶，膜蛋白必須處於適當的脂類環境中。脂類有助於結晶並穩定蛋白質，並提供晶格接觸。脂類還可以幫助以天然構象獲得膜蛋白結構。膜蛋白結構包含結合的脂類分子。生物膜在生命中很重要，為細胞及其細胞器提供可滲透的屏障。膜蛋白與脂類之間的相互作用促進了呼吸、光合作用、轉運、訊號轉導和運動等基本過程。這些基本過程需要多種蛋白質，這些蛋白質由生物體註釋基因的 20-30% 編碼。存在大量的膜脂。具體來說，真核細胞具有非常複雜的脂類集合，這些脂類依賴於許多細胞資源來合成。蛋白質與脂類之間的相互作用可以非常特異。特定型別的脂類可以使結構穩定，在插入和摺疊過程中提供控制，並幫助組裝多亞基複合物或超複合物，最重要的是，可以顯著影響膜蛋白的功能。蛋白質與脂類之間的相互作用並不足夠緊密，這意味著在膜蛋白純化過程中保留了脂類。由於細胞膜是脂類的流動排列，因此一些脂類由於其特性而對膜產生有趣的改變。糖鞘脂和膽固醇傾向於由於其物理性質而在膜內形成稱為脂筏的小島。一些蛋白質也傾向於聚集在脂筏中，而另一些則避免進入脂筏。然而，脂筏在細胞中的存在似乎是短暫的。近年來，在確定膜蛋白結構方面的進展，引起了人們對維持有利脂類環境以使蛋白質成功結晶和純化的重要性的關注。脂類透過穩定蛋白質摺疊和亞基或單體的關係來幫助結晶。透過調整溶解和純化方案以及新增天然或非天然脂類，可以改變蛋白質-脂類去垢劑複合物中的脂類含量。
膜脂類有三種類型：1. 磷脂：膜脂類的主要類別。2. 糖脂。3. 膽固醇。膜脂類始於真核生物和細菌。
脂類通常用作膜成分。膜脂類分為三大類：磷脂、糖脂和膽固醇。脂類存在於真核生物和細菌中。雖然古細菌中的脂類具有許多與其他生物體脂類相似的膜形成相關的特徵，但它們仍然彼此不同。古細菌的膜在組成上存在三個主要差異。首先，非極性鏈透過醚而不是酯連線到甘油骨架上，從而使其對水解具有更大的抵抗力。其次，烷基鏈不是線性的，而是分支的，這使它們對氧化更具抵抗力。古細菌脂類抵抗水解和氧化的能力幫助這些型別的生物體能夠承受高溫、低 pH 或高鹽濃度等極端條件。最後，中心甘油的立體化學是反轉的。膜脂類具有廣泛的庫，但它們具有一個關鍵的共同結構主題，即它們是兩親性分子，這意味著它們同時包含親水和疏水部分。
雖然每種膜脂類都是不同的，但它們具有一些普遍的屬性。膜脂類都是封閉的體或邊界，將細胞的替代部分隔開。膜的厚度通常在 60 到 100 埃之間。這些體是由非共價組裝而成的。它們的極性頭部相互排列，它們的非極性烴尾部也相互排列。由此產生的穩定性歸功於疏水相互作用，由於其烴尾部的長度，這種相互作用被證明非常穩定。由此產生的結構被稱為脂類雙層，它介導進出細胞的分子。糖也是細胞中的關鍵結構成分，它們與脂類結合形成糖脂，用於其他分子識別細胞。訊號分子讀取糖脂中的糖模式，然後糖脂允許或拒絕細胞的進入。這個過程有助於體內組織和器官的生長。磷脂是這類過程的另一個重要組成部分。
膜脂類還有一些其他普遍的特徵，例如它們是帶電荷極化的，在膜內產生負電荷。這在細胞的許多功能中起著作用，例如能量的轉運和能量的轉換。此外，脂類膜是非對稱的和流動的結構。生物膜缺乏對稱元素，將在沒有穩定條件的情況下擴散。最後，脂類膜具有獨特的功能。這些特定的功能是由於膜蛋白。
膜脂類中的主要類別是磷脂。它們在所有生物膜中都很豐富。磷脂由四種成分組成：一種或多種脂肪酸、連線脂肪酸的平臺、磷酸鹽和連線到磷酸鹽的醇。脂肪酸部分提供了脂類中發現的疏水屏障，而分子的其餘部分具有親水性，能夠與水性環境相互作用。磷脂以甘油（一種三碳醇）或鞘氨醇為基礎構建。來自甘油的磷脂也稱為磷酸甘油酯，它包含一個甘油骨架，其中兩個脂肪酸鏈和一個磷酸化醇連線在一起。主要的磷酸甘油酯來自磷脂酸，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形成。鞘磷脂是一種存在於膜中但並非來自甘油的磷脂。然而，鞘磷脂中的骨架是鞘氨醇，它是一種含有長不飽和烴鏈的氨基醇。
磷脂具有分離隔室的非常重要的特性。例如，在進化中，在處理 RNA 世界假說時，這一點非常重要。如果 RNA 沒有磷脂雙層，它們將無法在特定空間內包含所有它們的化學和機械反應，並且這些 RNA 在沒有外部任意反應的情況下難以存活。因此，磷脂雙層在這些 RNA 分子的產生和生存中發揮了重要作用。
磷脂具有許多獨特的功能。例如，它們可以作為細胞內蛋白質信使（例如磷脂醯肌醇二磷酸）的儲存庫。磷脂醯肌醇二磷酸是人類細胞訊號通路中最重要的第二信使之一。此外，它們將蛋白質錨定到細胞。這在很大程度上決定了該脂類膜的特定功能。磷脂具有許多其他功能，使其成為最豐富的膜脂。這些包括能量儲存、細胞形狀，以及乙醯膽鹼的來源。乙醯膽鹼是一種常見的神經遞質，存在於外周神經系統 (PNS) 和中樞神經系統 (CNS) 中。
顧名思義，糖脂只是含有糖的脂類。糖脂通常由短的、分支的鏈組成，糖單元少於 15 個。動物細胞中的糖脂來自鞘氨醇，類似於鞘磷脂中的鞘氨醇。與鞘磷脂一樣，鞘氨醇骨架的氨基被脂肪酸醯化。糖脂具有一個連線到鞘氨醇骨架的伯羥基的單元，這使其與鞘磷脂不同。在糖脂中，一個或多個糖連線到該基團。糖脂以不對稱的方式排列，糖殘基始終位於膜的細胞外側。最簡單的糖脂稱為腦苷脂，它包含單個糖殘基。糖可以是葡萄糖或半乳糖。複雜的糖脂，例如神經節苷脂，包含最多七個糖殘基的分支鏈。
糖脂在細胞中起著幾個重要的作用。這些包括形狀、特定功能、燃料儲存和許多細胞任務。例如，糖脂從細胞膜的外側側翼，作為細胞識別的標記。這些資訊通常告訴細胞是生長、分裂還是不採取任何行動。同樣，這些標記也可以是與血型相對應的抗原。作為血型抗原的其他分子是糖蛋白。
膽固醇是一種脂類，其結構與磷脂截然不同。它是一種由四個連線的烴環組成的類固醇。一個烴尾部位於類固醇的一端，而一個羥基連線到另一端。該分子在膜中的方向與磷脂的脂肪酸鏈平行，允許羥基與近端磷脂的頭部基團相互作用。原核生物中不存在膽固醇，但存在於所有動物膜中，程度不同。某些神經細胞中近 25% 的膜脂是由膽固醇構成的。此外，膽固醇也存在於體內發現的激素中。然而，膽固醇在某些細胞內膜中幾乎不存在。膽固醇含有四個環烷烴環，一個 OH 基團連線在一端。膽固醇的功能是細胞訊號傳導，並停留在膜外。雖然膽固醇的名聲不好，但它有許多重要的功能。有兩種型別的膽固醇，HDL 和 LDL，分別被稱為“好”和“壞”膽固醇。低密度脂蛋白 (LDL) 被稱為壞膽固醇，因為它會導致斑塊沉積在心臟和動脈壁，使其變厚。這會導致心臟病、中風和許多其他健康問題。高密度脂蛋白 (HDL) 被稱為好膽固醇，因為它似乎起著相反的作用。據信，HDL 膽固醇實際上會將膽固醇從心臟帶回肝臟，在那裡它可以被分解並透過身體。膽固醇在生物化學領域還有許多其他重要的功能。它用於構建膜，為身體提供脂肪，也合成人體功能所需的激素。雖然在比磷脂低得多的數量中找到這種膜脂是必要的，但它有幾個重要的功能。
固醇膽固醇是動物血漿膜的主要成分，但在原核生物中不存在。膽固醇的稠合環系統意味著它比其他膜脂更堅硬。除了是膜的重要組成部分外，膽固醇還是類固醇激素的代謝前體。植物中膽固醇含量很少，但含有許多其他固醇，主要是豆甾醇和β-谷甾醇，它們僅在其脂肪族側鏈上與膽固醇不同。
脂類囊泡，也稱為脂質體，是囊泡，本質上是水性囊泡，被環狀磷脂雙層包圍。與其他磷脂結構一樣，它們的烴/疏水尾部朝內，遠離水溶液，親水頭部朝向水溶液。這些囊泡是形成離子和溶質封閉隔室的結構，可用於研究某些膜的滲透性，或將這些離子或溶質轉移到其他地方發現的某些細胞中。
脂質體，直徑約 500 埃，是透過將合適的脂類分散在水性環境中，然後使用高頻聲波（例如）對溶液進行超聲處理形成的，這有助於這些分子形成一組分散的封閉囊泡，這些囊泡在尺寸上幾乎完全相同。可以透過將磷脂置於含有有機溶劑和水性溶劑的溶液中，然後緩慢蒸發有機溶劑來形成更大的囊泡。當溶液中也存在離子和溶質時，這些隔室就可以將這些離子和溶質困在它們的脂類囊泡中。含有離子或溶質的囊泡可以透過凝膠過濾色譜或透析分離。可以使用這種方法獲得分子的滲透性，然後測量分子從囊泡內部隔室到外部溶液的移動速度。
脂質體的形成在藥物運輸和遞送方面非常有用。由於藥物不能輕易透過細胞膜擴散，透過在含有特定藥物的溶液中建立脂質體，藥物可以透過脂質體雙層與細胞雙層融合進入細胞，從而遞送脂質體的內容物。這種技術也可以用於遞送 DNA。
作為囊泡的脂質體可以用於各種臨床用途。將含有藥物或 DNA（用於基因治療）的脂質體注射到患者體內是藥物遞送的一種可能方法。脂質體與其他細胞的膜融合，因此將它們的內容物與患者細胞的內容物結合起來。這種藥物遞送方法比直接暴露毒性更低，因為脂質體將藥物直接運送到細胞，無需任何不必要的中間步驟。長期迴圈的脂質體在高血迴圈區域（如腫瘤和發炎區域）中更集中，脂質體表現出的選擇性融合使它們能夠靶向特定型別的細胞。這是設計精心控制的藥物遞送技術的一個非常有用的工具。
由於幾種磷脂和糖脂之間的疏水相互作用，一個稱為脂類雙層或雙分子片的結構是優選的。如前所述，磷脂和糖脂都具有親水和疏水部分；因此，當幾種磷脂或糖脂在水溶液中聚集在一起時，疏水尾部相互作用形成疏水中心，而親水頭部相互作用形成雙層兩側的親水塗層。
細胞雙層不是分離細胞內和細胞外環境的剛性且明確定義的結構。實際上，雙層平面內單個脂類頭部基團及其脂肪族鏈存在顯著的流動運動。這是由於脂類結構內扭轉角勢壘低以及一些脂肪族鏈的順式雙鍵產生的空間位阻。[1]
由於單個細胞中可能存在的脂類的種類繁多，細胞膜的區域將包含脂類和膜蛋白的異質混合物。[2] 這些異質區域內的獨特相互作用是細胞膜功能的基礎。
這種脂類雙層形成是自發的，因為疏水相互作用和能量上有利的結構。其他分子間力，如範德華力，使疏水尾部結合在一起，以及氫鍵，將親水頭部與水結合，有助於穩定脂類雙層結構。由於這些相互作用，脂類雙層具有獨特的性質。脂類雙層具有“廣泛”的性質，可以包圍並形成隔室。最後，由於能量原因，如果脂類雙層中出現孔洞，它們也可以快速恢復。然而，磷脂和糖脂不像脂肪酸那樣形成膠束，因為磷脂和糖脂有兩個脂肪酸鏈，並且太大而無法形成膠束的內部。
在水溶液中，兩親分子將以這樣一種方式排列自己，以防止疏水區域與水分子接觸。對於僅含有一個脂肪酸鏈的那些脂肪酸鹽（例如棕櫚酸鈉，肥皂的成分），分子形成球形膠束結構（直徑通常小於 20 奈米），其中疏水脂肪酸鏈隱藏在膠束內部，親水頭部基團與周圍的水分子相互作用。由於磷脂的兩個脂肪酸鏈太大而無法適合膠束的內部，因此大多數磷脂在水溶液中的優選結構是二維雙分子片或脂類雙層。
質膜在結構和功能上是不對稱的。脂雙層內側和外側的磷脂組成和比例不同。在質膜中，磷脂醯膽鹼和鞘磷脂存在於外單層（外小葉），而磷脂醯絲氨酸、磷脂醯乙醇胺和磷脂醯肌醇則存在於內單層（內小葉）。膽固醇存在於兩個小葉。 
脂雙層中脂類的分佈經常發生變化以誘導生物學效應。一個很好的例子是血小板將磷脂醯絲氨酸移至外小葉，以實現血液凝固的能力。磷脂醯絲氨酸也是程式性細胞死亡的重要訊號。在一些細胞中，磷脂醯絲氨酸出現在細胞膜外表面，向免疫系統發出訊號，摧毀標記的細胞。細胞膜的不對稱性質使細胞能夠具有多種生物學功能。
膜蛋白也被不對稱地插入膜中。在脂膜中，有蛋白質嵌入其中。脂類分子與嵌入其中的蛋白質的質量比範圍從1:4到4:1。脂雙層中存在兩種型別的蛋白質：整合膜蛋白和外周膜蛋白。整合膜蛋白穿過脂雙層，這意味著它們與脂雙層的疏水區（烴區）廣泛相互作用。外周膜蛋白通常附著在整合蛋白的表面，因此它們位於脂雙層的兩個表面。外周膜蛋白與脂類分子的親水極性頭部基團相互作用。一些外周膜蛋白只能在膜外或膜內找到。這促成了膜的不對稱性質。 
蛋白質負責離子和大分子進出細胞膜的主動轉運。它們被歸類為整合蛋白或外周蛋白。兩種形式的蛋白質都透過疏水相互作用嵌入 脂雙層 中。典型的整合蛋白跨越脂雙層的寬度。它們通常由許多α螺旋組成，它們的疏水部分指向外部，進入膜的疏水烴尾海。α螺旋是非極性和不帶電的。這可以用來識別可能的跨膜區域。當螺旋片段從膜內部轉移到水中時，可以估計自由能。每個氨基酸殘基都有一個特定的自由能變化，因此我們可以知道α螺旋是由什麼構成的。每個視窗的自由能變化可以針對第一個氨基酸作圖，以建立疏水性圖。大於 84 kJ/mol 的峰值有可能成為跨膜螺旋。當整合蛋白由β摺疊片組成時，它們通常會摺疊成圓柱體，再次將疏水端指向外部，而親水端指向內部。這些被稱為通道蛋白，它們通常作為離子轉運形式很好地起作用，因為親水核心將允許帶電粒子穿過。外周蛋白透過與脂類分子的頭部基團的靜電和氫鍵相互作用而與膜結合。這些相互作用可以被鹽濃度和 pH 值的變化中斷。
從整合蛋白和外周蛋白的概念構建，一種生物學意義來自一種稱為細菌視紫紅質的古細菌蛋白的結構。細菌視紫紅質由七個α螺旋組成，這些α螺旋包含大部分非極性氨基酸和少量帶電氨基酸。該蛋白是一種整合蛋白，這意味著它與膜中的烴鏈相互作用。具有非極性α螺旋使這種蛋白質能夠與膜結合。作為整合蛋白的目的是使蛋白質能夠透過將質子從細胞內部轉運到細胞外部來產生質子梯度。梯度的目的是允許 ATP 的形成。
每種型別的膜都有其特定的脂類型別，更重要的是蛋白質。不同膜的蛋白質組成變化甚至比其脂類組成更大。脊椎動物視網膜視杆細胞有一個膜部分專門用於接收光線。該膜的這個特定部分包含蛋白質，吸光糖蛋白視紫紅質，它構成了該膜特定部分蛋白質的 90%。在不太專業的質膜中，例如大腸桿菌膜，有數百種不同的蛋白質，包括通道、轉運蛋白和酶，它們管理代謝、脂類合成、細胞分裂和更多功能。
總的來說，蛋白質與脂類分子的比例沒有特定的百分比或比率。每個細胞都有不同的蛋白質和脂類組成，對應於其功能。因此，蛋白質與脂類分子的比率可以從 1:4 到 4:1 不等。
結構
脂筏是膜中獨特的區域，具有高數量的糖脂、膽固醇和某些蛋白質。脂筏的存在最早由 Simons 和 van Meer 在 1988 年提出，但另一組稱為“小窩”的結構在更早的時候就被觀察到。小窩是細胞表面的小凹陷，被認為是一種膜筏，它們被稱為“胞內小窩”（Yamada，1955）。在世界知名研究人員的激烈爭論之後，大多數科學界承認這些筏的存在，但大多數人尚不清楚如何對這些筏進行分類。目前，分類系統包括三個不同的組：小窩、富含糖鞘脂的膜（GEM）和富含多磷酸肌醇的筏。也可能存在內部筏（富含 PIP2 和小窩）和外部筏（GEM）。
這些筏中的大多數由於高濃度的糖鞘脂，這些糖鞘脂是膜這部分的特徵，因此非常有序且剛性。包含在筏中的脂類緊密堆積並延伸，因此它們也通常包含其他具有長直醯基鏈的脂類。
功能
人們認為膜中的脂筏執行許多重要的膜功能，從膽固醇轉運到內吞作用和訊號轉導。幾項實驗表明脂筏在訊號轉導途徑中起著至關重要的作用。儘管有人提出小窩是內吞作用的組成部分，但最近的資料反駁了這一理論。相反，小窩是膜的非常穩定的區域，不參與內吞作用（Thompsen 等人，2002）。
筏和細胞骨架
一些肌動蛋白結合蛋白已被證明與多磷酸肌醇結合並受其調節，透過各種蛋白質結構域，例如 PH、PX 和 ENTH。因此，一些 ABP 被認為將肌動蛋白細胞骨架與富含 PIP2 的筏連線起來。其中之一是凝集蛋白，一種受 Ca2+、pH 和多磷酸肌醇調節的肌動蛋白封端和切割蛋白，它會分解從大腦生物化學分離的筏（Fanatsu 等人，2000）。GEM 也被認為透過 ABP 連線到肌動蛋白細胞骨架，特別是透過 EBP50 的 ERM 蛋白，EBP50 是一種透過 ERM C 末端結合 ERM 蛋白成員的蛋白（Brdickova 等人，2001）。
von Heijne, G 和 Rees, D（2008）。結構生物學現狀。愛思唯爾有限公司。
Berg，生物化學，第 6 版
Campbell 和 Reece，生物學，第 7 版
Lehninger，生物化學原理，第 4 版
愛丁堡大學 [2]