生物化学/脂类和质膜
从简单的原核细菌到复杂的生物体，所有细胞都被膜包围。膜充当选择性屏障，允许某些物质进入细胞，并阻止其他物质进入，它还积极地在细胞内外转运物质，使用细胞能量来做到这一点。这对调节必须保持在严格限度内的许多物质的浓度很重要。细胞还包含膜结合的隔室，其中膜充当不同环境分离的屏障，例如溶酶体，溶酶体具有高 pH 值，这对细胞的其余部分有毒。此外，脂类是极性分子，由于脂类中大量非极性键，通常可溶于有机溶剂。它们形成膜的能力是由于它们的疏水性，这由它们的脂肪酸贡献。膜是两亲性的。
第一个将脂类与细胞膜联系起来的人可能是查尔斯·欧内斯特·奥弗顿，他当时正在研究植物的遗传。他的研究的一部分涉及研究哪些物质最快地吸收到植物细胞中。在对大量物质进行表征后，他提出了细胞膜由类似于植物油中发现的脂类的东西组成的想法，并且物质通过溶解到膜中被吸收到细胞中。
下一个重大进展来自 Gorter 和 Grendel，他们从红细胞中提取脂类，并将脂类在水中铺开时的表面积与红细胞的表面积进行比较。他们发现脂类表面积是红细胞的两倍，并得出结论，脂类必须以两层脂类分子厚的层排列。脂质双层是由磷脂形成的双层膜。磷脂由极性头部基团和非极性脂肪酸尾部组成。磷脂的排列使细胞膜具有渗透性。
脂肪酸是具有长碳氢化合物链的线性羧酸。在脂肪酸中，非极性碳氢化合物链赋予分子非极性特征。脂肪酸通常具有 14 到 24 个碳原子，它们的碳链可能具有一个或多个双键。在天然存在的脂肪酸中，这些双键大多处于顺式构型。脂肪酸既有俗名，也有系统命名法。系统命名法基于具有相同碳原子数的烷烃或烯烃，将碳氢化合物的最终e替换为oic acid，如果脂肪酸的碳链是饱和的（在其碳链中没有双键），以及“enoic acid”，如果其碳链中有双键。例如月桂酸（图 x）
是一种具有 12 个碳原子且没有双键的脂肪酸，因此系统命名法为十二烷酸，离子形式为十二烷酸酯。（饱和脂肪酸表）如果有双键，则位置用符号 Δ 表示，上标数字表示双键的位置，并在其前面加上顺式或反式以指示构型（但几乎总是顺式）。从羧基端开始计数碳原子，如图 x 所示，因此在碳原子 9 和 10 之间具有顺式双键的十二烯酸酯将是：顺式-Δ9-十二烯酸酯。
第 2、3 和最后一个碳原子分别称为 α、β 和 ω 原子。
生物脂肪酸通常含有偶数个碳原子，其中 16 和 18 个最常见。脂肪酸链的长度和饱和度在很大程度上决定了它们的独特性质。脂肪酸链越短，脂肪酸中不饱和度越高，其流动性越大，因此熔点越低。
磷酸甘油酯是两种脂肪酸、磷酸和三官能团醇-甘油的酯。脂肪酸通过酯键连接到甘油上的甘油 1 位和 2 位。磷酸甘油酯由甘油骨架组成，其取代基以以下排列方式排列
- 甘油的第 1 个羟基通常酯化为饱和脂肪酸
- 甘油的第 2 个羟基通常酯化为不饱和脂肪酸
- 甘油的第 3 个羟基酯化为磷酸基团
最简单的磷酸甘油酯是磷脂酸（图片）。当具有羟基的基团酯化为磷脂酸的磷酸基团时，可以制备其他磷酸甘油酯。磷脂酸有四个常见的取代基。丝氨酸、乙醇胺和胆碱在结构上相似，而肌醇则不同：
鞘脂是细胞膜中发现的第二种脂类，特别是在神经细胞和脑组织中。它们不含甘油，但保留了两种醇，中间位置被胺占据，并且具有与磷酸甘油酯相同的整体形状，但化学性质不同，使用鞘氨醇代替甘油。鞘氨醇具有与脂肪酸相似的长碳氢化合物尾部，连接到类似于氨基酸丝氨酸的结构。脂肪酸可以连接到胺基，并且“头部”基团可以连接到羟基（见图 x）。鞘脂根据该头部基团命名
- 如果没有头部基团，则称为神经酰胺
- 如果头部基团是磷酸和胆碱，则称为鞘磷脂
- 如果头部基团是糖，则称为糖鞘脂（或糖脂）
大多数鞘脂是第三种类型，糖鞘脂。据认为，除了它们在膜中的结构作用外，它们还在细胞识别和保护中发挥作用。
如果我们比较磷酸甘油酯和鞘脂的结构，我们会发现它们是非常相似的化合物。每种脂类都具有两个长的疏水性碳氢化合物“尾部”和一个单一的极性“头部”。由于分子同时具有极性和非极性部分，因此被称为两亲性。正是这些分子的两亲性导致它们形成双层，由四种力介导
- 疏水效应 - 这种效应导致疏水尾部相互靠近。这是驱动双层形成的最强力量。它是当非极性物质聚集在水中时，水分子熵增加的结果。
- 疏水尾部之间的范德华力。
- 头部基团的静电作用力。
- 头部基团之间的氢键。
满足上述作用力的一种可能的结构被称为**胶束**（图片）。这在游离脂肪酸中很常见，但在大多数磷酸甘油酯和鞘脂中并不常见，因为这些基团的酰基链数量是脂肪酸的两倍（图片），很难将它们全部打包到胶束的中心。磷脂和鞘脂更常以片状或球状形成双层（图片）。这就是所谓的脂质双层。脂质双层可渗透水分子和其他小的无电荷分子，如氧气和二氧化碳。由两亲分子形成的双分子片，其中疏水部分位于片材的内部，亲水部分位于水性的外部。
脂质运动
[edit | edit source]运动研究
[edit | edit source]核磁共振、电子自旋共振、X射线、差示扫描量热法
分子内运动
[edit | edit source]脂质分子内部有三种基本的运动类型：键之间的伸展、键之间的旋转和键之间的摆动（？）。[图片] 液晶中 99% 的运动是由于碳碳键周围的旋转造成的。膜脂的不饱和脂肪酸旋转更频繁。这是由于脂质双层的紧密排列造成的。当一个键发生旋转时，相邻的键也会发生旋转以补偿空间冲突[图片]。由于脂肪酸中的双键几乎总是顺式，它们会在脂肪酸中引入弯曲。当一个双键相邻的键旋转时，双键相邻的另一个键也会旋转，整个过程就像一个老式螺旋钻[图片]。由于[角度图]，旋转靠近头部基团的双键需要更多的能量。双键容易与 O2 反应并产生毒素[更多]，细菌有[环丙烷图]。此外，蛋氨酸脑啡肽中分子内运动的核磁共振旋转框架弛豫研究。
扩散
[edit | edit source]脂质膜最显著的特性之一是单个脂质能够扩散。这一特性是使用“光漂白后荧光恢复”方法发现的，也称为 FRAP。在这个实验中，细胞表面首先用荧光生色团标记。之后，用强光漂白特定区域，留下一个明显的标记。在漂白区域，实验者注意到随着时间的推移，漂白分子从漂白区域移出，未漂白分子向漂白区域移动。这表明脂质双层允许分子在膜内移动。
有两种扩散类型：横向扩散和横向扩散。横向扩散正如其字面意思那样。在脂质双层中，一个脂质分子可以越过相邻的分子移动。横向分子工作方式略有不同。它仍然会取代一个相邻的分子，并穿过脂质双层的另一侧。重要的是要注意，横向扩散比横向扩散快得多。研究表明，横向扩散每隔几个小时才发生一次。扩散是指粒子从高浓度区域向低浓度区域的运动，不要与渗透混淆，渗透是指水通过半透膜的运动。扩散取决于肺泡囊内外的 CO2 和 O2 浓度。
质膜功能
[edit | edit source]运输方式
[edit | edit source]膜通过多种方式调节分子运输。运输调节分为两大类：被动运输和主动运输。被动运输是指分子顺浓度梯度移动：换句话说，从高浓度区域向低浓度区域移动。水的扩散是一种特殊情况，称为“渗透”。并非所有分子都能通过磷脂双层扩散。能够通过的分子通常是疏水分子（例如氧气）、非极性分子（例如苯）或小的无电荷极性分子（例如水）。疏水和非极性分子可以溶解通过双层，因为双层和分子本身的极性相似。小的无电荷极性分子通常需要膜通道才能扩散，例如水通道蛋白。不能轻易通过双层的分子是大的无电荷分子、极性分子或离子。每种类型的例子分别是葡萄糖、蔗糖和氢离子。为了总结哪些分子可以通过膜，哪些分子不能通过膜，它们是尺寸、电荷和极性。
通常，亲水分子由于极性不同而无法穿过磷脂双层。然而，观察到亲水分子通过与疏水分子不同的机制穿过膜蛋白。疏水分子由于极性相似而通过膜扩散，而亲水分子需要一种叫做膜蛋白（整合蛋白或外周蛋白）的分子，它通过主动运输和被动运输转运分子。被动运输的一些例子是简单扩散和协助扩散。简单扩散是指溶质通过通道蛋白从高浓度区域向低浓度区域移动以建立平衡。协助扩散仍然是从高浓度区域向低浓度区域移动，但它不是通道蛋白，而是载体蛋白。这种载体蛋白，也称为通透酶，极大地加速了运输速度。主动运输将分子从低浓度区域移动到高浓度区域（与被动运输相反）。这种将分子逆浓度梯度移动的运输需要能量，通常来自 ATP（三磷酸腺苷）。用来解释这个概念的一个常见例子是钠钾泵。在人体细胞中，细胞外通常钠离子浓度高，细胞内钠离子浓度低。钾离子浓度则相反：细胞内高，细胞外低。该机制从钠离子与钠钾泵蛋白结合开始，其间隙与细胞外部环境隔绝。钠离子的结合向细胞发出信号，使其利用将 ATP 转化为 ADP（二磷酸腺苷）。这种反应会释放能量并向蛋白质添加一个磷酸基团，使蛋白质能够改变其构象并释放结合的钠离子到细胞外部环境中。钠离子释放后，来自同一区域的钾离子将与蛋白质结合。钾离子的结合会向蛋白质发出信号，将其结合的磷酸基团转换为未结合的无机磷酸，并改变蛋白质的构象以将钾离子释放到细胞中。之后，钠离子再次结合，循环重复。
其他一些能量驱动的过程是胞吞作用和胞吐作用。胞吞作用是指将大分子转运到细胞内。胞吐作用是指将分子排出细胞。受体介导的胞吞作用在真核生物中发生。对于细胞中不同的膜来说，为了执行某些功能，例如吞噬、转运，甚至释放对身体至关重要的分子，它们必须要么结合要么分离，这一点非常重要。这一过程由低密度脂蛋白 LDL 促进。外部细胞 LDL 首先漂浮并结合到其相应的受体，称为 LDL 受体。然后细胞膜将 LDL 和 LDL 受体吞噬到细胞中，形成一个囊泡，使其免受细胞亲水环境的损害。然后该复合物分离成蛋白质和受体对应物。LDL 与溶酶体融合，分解 LDL 并释放胆固醇作为副产物。胞吐作用的一个简短例子是胰岛素分泌到血液中，或者是在动作电位期间间隙连接处神经递质的转运。一个更具体的例子是高尔基体的囊泡转运。在真核生物中，内质网 (ER) 向高尔基体发送由蛋白质形成的转运囊泡。一些囊泡与溶酶体融合，导致消化。其他一些含有质膜必需蛋白质的转运囊泡由于极性相似，会扩散到膜中，将其蛋白质内容物释放到细胞环境中。
细胞内外环境的浓度差异对动物细胞和植物细胞有不同的影响。在高渗溶液中（溶质浓度在外侧高于内侧），细胞会试图通过释放其水分到外部环境中来建立平衡。如果细胞中有足够的水分，浓度可能会变得相等。同时，细胞会变得萎缩。在植物细胞中，会发生相同的事情。然而，由于植物细胞有细胞壁，它们不会萎缩，而是发生质壁分离。在另一个极端，低渗溶液中，当溶质浓度在外侧低于内侧时，细胞会发生溶解。为了建立平衡，水会进入细胞以降低细胞内的浓度。在植物细胞中，这被称为膨胀而不是溶解。顺便说一句，这是植物细胞的正常状态。在等渗溶液中（细胞两侧的浓度相等），细胞进出水的净含量保持平衡。这是真核生物的首选状态。在植物细胞中，它被称为松弛。膜蛋白被称为转运蛋白，它们促进分子穿过膜的运动，其中至少包括三个步骤：结合、蛋白构象改变和释放。转运蛋白有两種類型：被动转运蛋白不需要能量，而主动转运蛋白则利用ATP来驱动转运。
细胞间通讯对于多细胞生物（如人类或橡树）至关重要，因为它们必须进行交流才能从受精卵发育，并生存和繁殖。对于许多单细胞生物来说，细胞间通讯也非常重要，因为它们必须找到物质和食物才能发育和进行有性繁殖。细胞通讯的一个早期例子是酿酒酵母，其中酵母细胞使用化学信号识别异性配子的细胞并启动交配过程。细胞通讯的研究可以帮助解答一些医学领域中最重要的疑问，从胚胎发育到激素作用，再到癌症和其他相关疾病的发生。
顺便说一句，不仅细胞之间需要交流，而且细胞还要与其他分子交流。不同类型的分子与细胞的内部程序进行不同的交流方式。例如，突触递质，如乙酰胆碱，会与特定的G蛋白结合并激活细胞内的第二信使。突触递质结合的另一种方式是通过包括离子通道的蛋白质复合体（整合膜蛋白）。两种途径的最终结果都会改变膜中离子通道构象的状态。另一个例子是类固醇激素，它们会穿过细胞膜并最终改变某些细胞中的蛋白质程序。至于肽激素，它会与G蛋白结合，激活细胞内的第二信使，并改变转录模式。由于肽激素具有疏水性，而细胞膜具有非极性，因此它需要第二信使的相互作用，而类固醇激素（也是非极性的）可以直接交流并扩散到细胞中。细胞间通讯对于多细胞生物至关重要。细胞通常通过释放针对细胞的化学信使进行交流。一些信使在短距离内传播，例如局部调节分子。动物生长因子是一些化合物，它们刺激附近的靶细胞生长和增殖。许多细胞可以同时接收和响应单个细胞在其附近产生的生长因子分子。
细胞粘附是指任何腺体细胞，例如栉水母、涡虫等，用于粘附到基质和捕获猎物。细胞粘附发生在一个细胞与另一个表面（如另一个细胞或无生命表面）结合时。细胞粘附分子充当连接细胞与另一个表面的中间体。