引言

兩個細胞的融合會導致兩個細胞的膜在一個位置相遇，從而允許物質交換。這是物質進出細胞最常見的方式之一，該過程最終導致一個連續的膜包圍兩個細胞的內容物。細胞膜由雙層磷脂組成，磷脂相互作用並在兩個細胞之間形成連線。透過X射線衍射技術可以觀察到兩個細胞膜的融合。X射線衍射技術證實了細胞在融合過程中形成一個稱為“柄”的沙漏狀結構的理論。這個柄最終會生長連線兩個膜，兩個膜最終合併成一個大的膜。兩個膜的融合是由蛋白質催化的。這些蛋白質透過識別具有融合潛力的其他細胞發揮作用，還可以透過將膜拉到一起以消除脂質和水相互作用來啟動該過程。

為了使膜融合發生，該過程必須在熱力學上是有利的，即改造前複合物的自由能必須低於改造後的複合物的自由能。據說該過程必須在能量上“向下”才能使該過程可行。中間結構也必須足夠低，才能在合理的時間內克服熱波動。反應的驅動力是彈效能量的釋放。

膜融合所需的能量約為 40kBT，這與水解幾個 ATP 分子所需的能量大致相同。

胞吐膜融合

這是細胞內部細胞器與細胞膜胞質側融合的過程。它是激素和神經遞質以及其他生物化合物釋放的重要過程。這種融合過程通常分為三個步驟。步驟 1 包括要釋放的內部細胞成分遷移到細胞膜外部。步驟 2 是膜的合併，步驟 3 包括內部成分的合併，例如囊泡內的分子。整個過程受不同因素的影響。決定胞吐膜融合能力的一個重要因素是pH。另一個因素是 ATP 的水解，因為融合本身需要能量。其他因素包括：跨膜電位、滲透力、蛋白酶和鈣調蛋白。

膜融合機制

膜融合始於兩個獨立的細胞單層膜的區域性合併，而遠端單層膜保持分離。兩個細胞膜之間的這種初始連線稱為融合柄，它代表兩個獨立的細胞膜之間膜融合過程的第一階段，稱為半融合。柄的進化最終導致兩個細胞膜的遠端單層膜融合。這種合併的結果是一個融合孔，它連線了先前分離的細胞膜的體積。融合孔能夠根據生物條件膨脹或收縮。膜融合中的柄形成需要暫時破壞兩個細胞膜，這不利於並且與維持細胞膜上連續脂質組裝的疏水力相反。解決這一矛盾的一種理論是涉及細胞膜中一個脂質分子，在兩個分離的細胞膜之間架起橋樑。在柄前融合中間體中，一個脂質分子將其兩個烴鏈擴充套件到相對的膜中，並開始在兩個分離的細胞膜之間建立一個正在發育的脂質橋。這種鏈擴充套件機制以對抗細胞膜的疏水條件，已經在部分脫水的膜接觸條件下的模擬中得到了無數次的證明。這表明膜融合過程是由兩個分離的細胞膜之間強烈的脂質橋力推在一起的。由於融合，合併的膜的整體曲率可以部分放鬆彎曲，並且與以前的兩個細胞膜相比，彎曲程度降低。由於兩個細胞膜的自連通性與一個小的、強彎曲的細胞膜相反，驅動未彎曲膜的物理力有利於膜融合。合併的細胞膜的脂質可以重新分佈在更大的膜區域，而不是侷限於一個緊湊的細胞膜。

膜彈效能量

在膜重塑中，有三種不同的能量起著主要作用：膜彎曲、膜拉伸和脂質烴鏈傾斜。膜彎曲能量取決於膜表面的曲率。膜表面上任何一點的自由能可能不同，因為脂質和蛋白質組成的變化。膜融合降低了膜彎曲的自由能。第二種彈效能量是膜拉伸。這種能量源於膜拉伸引起的橫向張力，可以驅動融合孔的擴張。最後一種可以認為是融合過程中兩個細胞膜之間脂質分子烴鏈的傾斜。

SNARE複合物

檔案：囊泡融合.png

這是一個由蛋白質組成的複合物，參與膜融合。參與的蛋白質被稱為 SNARE 蛋白，它們起著調節囊泡融合的作用。SNARE 代表可溶性 N-乙基馬來醯亞胺敏感因子附著蛋白受體。SNARE 複合物由形成四螺旋束的蛋白質組成。它們通常位於質膜上，有助於將某些膜拉到一起以啟動融合過程。這些蛋白質存在於所有真核細胞中，並有助於確定囊泡融合的隔室。SNARE 蛋白有兩種。第一個是 v-SNARE，其中“v”代表囊泡。第二個是 t-SNARE，其中“t”代表靶標。v-SNARE 是運輸囊泡的一部分，是一種整合蛋白，它會與靶膜上的 t-SNARE 結合，這會導致靶膜與運輸囊泡融合。SNARE 複合物在神經傳遞中起著至關重要的作用。為了使神經傳遞發生，需要將突觸前質膜與含有神經遞質分子的囊泡融合。SNARE 蛋白必須滿足某些條件才能在細胞融合中起作用。第一個條件是 SNARE 蛋白必須位於兩個不同的膜上。其次，這些膜必須能夠彼此接觸。第三，重鏈和輕鏈必須在膜上結合並形成 t-SNARE。第四，SNARE 必須能夠連線兩個膜。第五，錨點和聯結器必須是功能性的。最後，膜表面必須相容才能融合。

SNARE 蛋白可以分配到三個蛋白質家族。這些家族是突觸蛋白家族、VAMP 家族和 SNAP-25 家族。所有 SNARE 蛋白都具有的一個區別特徵是它們的捲曲螺旋結構域。SNARE 複合物本身是由突觸蛋白的螺旋、VAMP 的螺旋和 SNAP-25 的兩個螺旋組成的。膜融合的總體機制是囊泡在 Rab 蛋白的幫助下降落在膜上，並將 SNARE 蛋白彼此靠近。然後，SNARE 核心的複合物將兩個膜拉到一起，並在兩個膜內產生張力。當膜越來越靠近時，半融合可以發生，然後融合孔開啟並擴充套件，允許膜融合。SNARE 蛋白基本上提供了驅動力並穩定了該過程的過渡狀態。

檔案：SNAREcomplex.jpg

膜融合和SNARE複合體在神經系統中有很多重要的用途。它在化學突觸傳遞中至關重要，在膜融合發生後，突觸前囊泡結合的神經遞質最終透過鈣依賴機制釋放到突觸間隙。在融合發生之前，囊泡被運輸到特定的靶膜。像Ca²⁺這樣的“融合觸發器”在囊泡經過啟動後，引導融合完成。為了使這種融合發生，SNARE複合體對於克服排斥的離子力量以及消除膜脂雙層之間的水合作用至關重要。近年來，SNARE蛋白被重新分類為R-SNARE和Q-SNARE，而不是之前的v-SNARE和t-SNARE。R-SNARE含有精氨酸，而Q-SNARE含有谷氨醯胺。

疏水插入（楔入）機制

膜融合的一種機制是疏水插入（楔入）機制。蛋白質是膜融合過程的中間體，某些蛋白質可以誘導膜融合，進而引起彈性應力。可以驅動此過程的蛋白質例子包括脂質修飾酶、翻轉酶和剛性蛋白質支架。這種機制的核心在於疏水或兩親性區域插入到淺層膜中，導致極性頭部區域膨脹，進而誘導蛋白質彎曲。能夠做到這一點的蛋白質包括epsins、小G蛋白、N-bar結構域以及能夠插入小型疏水環的蛋白質。進一步的研究將集中在尋找哪些結構相關的蛋白質能夠驅動膜重塑。