结构生物化学/脂类/膜脂类
膜蛋白依赖于它们与膜脂的相互作用来维持其结构并保持其作为蛋白质的功能。为了使膜蛋白纯化和结晶，膜蛋白必须处于适当的脂类环境中。脂类有助于结晶并稳定蛋白质，并提供晶格接触。脂类还可以帮助以天然构象获得膜蛋白结构。膜蛋白结构包含结合的脂类分子。生物膜在生命中很重要，为细胞及其细胞器提供可渗透的屏障。膜蛋白与脂类之间的相互作用促进了呼吸、光合作用、转运、信号转导和运动等基本过程。这些基本过程需要多种蛋白质，这些蛋白质由生物体注释基因的 20-30% 编码。存在大量的膜脂。具体来说，真核细胞具有非常复杂的脂类集合，这些脂类依赖于许多细胞资源来合成。蛋白质与脂类之间的相互作用可以非常特异。特定类型的脂类可以使结构稳定，在插入和折叠过程中提供控制，并帮助组装多亚基复合物或超复合物，最重要的是，可以显着影响膜蛋白的功能。蛋白质与脂类之间的相互作用并不足够紧密，这意味着在膜蛋白纯化过程中保留了脂类。由于细胞膜是脂类的流动排列，因此一些脂类由于其特性而对膜产生有趣的改变。糖鞘脂和胆固醇倾向于由于其物理性质而在膜内形成称为脂筏的小岛。一些蛋白质也倾向于聚集在脂筏中，而另一些则避免进入脂筏。然而，脂筏在细胞中的存在似乎是短暂的。近年来，在确定膜蛋白结构方面的进展，引起了人们对维持有利脂类环境以使蛋白质成功结晶和纯化的重要性的关注。脂类通过稳定蛋白质折叠和亚基或单体的关系来帮助结晶。通过调整溶解和纯化方案以及添加天然或非天然脂类，可以改变蛋白质-脂类去垢剂复合物中的脂类含量。
膜脂类有三种类型：1. 磷脂：膜脂类的主要类别。2. 糖脂。3. 胆固醇。膜脂类始于真核生物和细菌。
脂类通常用作膜成分。膜脂类分为三大类：磷脂、糖脂和胆固醇。脂类存在于真核生物和细菌中。虽然古细菌中的脂类具有许多与其他生物体脂类相似的膜形成相关的特征，但它们仍然彼此不同。古细菌的膜在组成上存在三个主要差异。首先，非极性链通过醚而不是酯连接到甘油骨架上，从而使其对水解具有更大的抵抗力。其次，烷基链不是线性的，而是分支的，这使它们对氧化更具抵抗力。古细菌脂类抵抗水解和氧化的能力帮助这些类型的生物体能够承受高温、低 pH 或高盐浓度等极端条件。最后，中心甘油的立体化学是反转的。膜脂类具有广泛的库，但它们具有一个关键的共同结构主题，即它们是两亲性分子，这意味着它们同时包含亲水和疏水部分。
虽然每种膜脂类都是不同的，但它们具有一些普遍的属性。膜脂类都是封闭的体或边界，将细胞的替代部分隔开。膜的厚度通常在 60 到 100 埃之间。这些体是由非共价组装而成的。它们的极性头部相互排列，它们的非极性烃尾部也相互排列。由此产生的稳定性归功于疏水相互作用，由于其烃尾部的长度，这种相互作用被证明非常稳定。由此产生的结构被称为脂类双层，它介导进出细胞的分子。糖也是细胞中的关键结构成分，它们与脂类结合形成糖脂，用于其他分子识别细胞。信号分子读取糖脂中的糖模式，然后糖脂允许或拒绝细胞的进入。这个过程有助于体内组织和器官的生长。磷脂是这类过程的另一个重要组成部分。
膜脂类还有一些其他普遍的特征，例如它们是带电荷极化的，在膜内产生负电荷。这在细胞的许多功能中起着作用，例如能量的转运和能量的转换。此外，脂类膜是非对称的和流动的结构。生物膜缺乏对称元素，将在没有稳定条件的情况下扩散。最后，脂类膜具有独特的功能。这些特定的功能是由于膜蛋白。
膜脂类中的主要类别是磷脂。它们在所有生物膜中都很丰富。磷脂由四种成分组成：一种或多种脂肪酸、连接脂肪酸的平台、磷酸盐和连接到磷酸盐的醇。脂肪酸部分提供了脂类中发现的疏水屏障，而分子的其余部分具有亲水性，能够与水性环境相互作用。磷脂以甘油（一种三碳醇）或鞘氨醇为基础构建。来自甘油的磷脂也称为磷酸甘油酯，它包含一个甘油骨架，其中两个脂肪酸链和一个磷酸化醇连接在一起。主要的磷酸甘油酯来自磷脂酸，通过在磷脂酸的磷酸基团和几种醇之一的羟基之间形成酯键而形成。鞘磷脂是一种存在于膜中但并非来自甘油的磷脂。然而，鞘磷脂中的骨架是鞘氨醇，它是一种含有长不饱和烃链的氨基醇。
磷脂具有分离隔室的非常重要的特性。例如，在进化中，在处理 RNA 世界假说时，这一点非常重要。如果 RNA 没有磷脂双层，它们将无法在特定空间内包含所有它们的化学和机械反应，并且这些 RNA 在没有外部任意反应的情况下难以存活。因此，磷脂双层在这些 RNA 分子的产生和生存中发挥了重要作用。
磷脂具有许多独特的功能。例如，它们可以作为细胞内蛋白质信使（例如磷脂酰肌醇二磷酸）的储存库。磷脂酰肌醇二磷酸是人类细胞信号通路中最重要的第二信使之一。此外，它们将蛋白质锚定到细胞。这在很大程度上决定了该脂类膜的特定功能。磷脂具有许多其他功能，使其成为最丰富的膜脂。这些包括能量储存、细胞形状，以及乙酰胆碱的来源。乙酰胆碱是一种常见的神经递质，存在于外周神经系统 (PNS) 和中枢神经系统 (CNS) 中。
顾名思义，糖脂只是含有糖的脂类。糖脂通常由短的、分支的链组成，糖单元少于 15 个。动物细胞中的糖脂来自鞘氨醇，类似于鞘磷脂中的鞘氨醇。与鞘磷脂一样，鞘氨醇骨架的氨基被脂肪酸酰化。糖脂具有一个连接到鞘氨醇骨架的伯羟基的单元，这使其与鞘磷脂不同。在糖脂中，一个或多个糖连接到该基团。糖脂以不对称的方式排列，糖残基始终位于膜的细胞外侧。最简单的糖脂称为脑苷脂，它包含单个糖残基。糖可以是葡萄糖或半乳糖。复杂的糖脂，例如神经节苷脂，包含最多七个糖残基的分支链。
糖脂在细胞中起着几个重要的作用。这些包括形状、特定功能、燃料储存和许多细胞任务。例如，糖脂从细胞膜的外侧侧翼，作为细胞识别的标记。这些信息通常告诉细胞是生长、分裂还是不采取任何行动。同样，这些标记也可以是与血型相对应的抗原。作为血型抗原的其他分子是糖蛋白。
胆固醇是一种脂类，其结构与磷脂截然不同。它是一种由四个连接的烃环组成的类固醇。一个烃尾部位于类固醇的一端，而一个羟基连接到另一端。该分子在膜中的方向与磷脂的脂肪酸链平行，允许羟基与近端磷脂的头部基团相互作用。原核生物中不存在胆固醇，但存在于所有动物膜中，程度不同。某些神经细胞中近 25% 的膜脂是由胆固醇构成的。此外，胆固醇也存在于体内发现的激素中。然而，胆固醇在某些细胞内膜中几乎不存在。胆固醇含有四个环烷烃环，一个 OH 基团连接在一端。胆固醇的功能是细胞信号传导，并停留在膜外。虽然胆固醇的名声不好，但它有许多重要的功能。有两种类型的胆固醇，HDL 和 LDL，分别被称为“好”和“坏”胆固醇。低密度脂蛋白 (LDL) 被称为坏胆固醇，因为它会导致斑块沉积在心脏和动脉壁，使其变厚。这会导致心脏病、中风和许多其他健康问题。高密度脂蛋白 (HDL) 被称为好胆固醇，因为它似乎起着相反的作用。据信，HDL 胆固醇实际上会将胆固醇从心脏带回肝脏，在那里它可以被分解并通过身体。胆固醇在生物化学领域还有许多其他重要的功能。它用于构建膜，为身体提供脂肪，也合成人体功能所需的激素。虽然在比磷脂低得多的数量中找到这种膜脂是必要的，但它有几个重要的功能。
固醇胆固醇是动物血浆膜的主要成分，但在原核生物中不存在。胆固醇的稠合环系统意味着它比其他膜脂更坚硬。除了是膜的重要组成部分外，胆固醇还是类固醇激素的代谢前体。植物中胆固醇含量很少，但含有许多其他固醇，主要是豆甾醇和β-谷甾醇，它们仅在其脂肪族侧链上与胆固醇不同。
脂类囊泡，也称为脂质体，是囊泡，本质上是水性囊泡，被环状磷脂双层包围。与其他磷脂结构一样，它们的烃/疏水尾部朝内，远离水溶液，亲水头部朝向水溶液。这些囊泡是形成离子和溶质封闭隔室的结构，可用于研究某些膜的渗透性，或将这些离子或溶质转移到其他地方发现的某些细胞中。
脂质体，直径约 500 埃，是通过将合适的脂类分散在水性环境中，然后使用高频声波（例如）对溶液进行超声处理形成的，这有助于这些分子形成一组分散的封闭囊泡，这些囊泡在尺寸上几乎完全相同。可以通过将磷脂置于含有有机溶剂和水性溶剂的溶液中，然后缓慢蒸发有机溶剂来形成更大的囊泡。当溶液中也存在离子和溶质时，这些隔室就可以将这些离子和溶质困在它们的脂类囊泡中。含有离子或溶质的囊泡可以通过凝胶过滤色谱或透析分离。可以使用这种方法获得分子的渗透性，然后测量分子从囊泡内部隔室到外部溶液的移动速度。
脂质体的形成在药物运输和递送方面非常有用。由于药物不能轻易通过细胞膜扩散，通过在含有特定药物的溶液中创建脂质体，药物可以通过脂质体双层与细胞双层融合进入细胞，从而递送脂质体的内容物。这种技术也可以用于递送 DNA。
作为囊泡的脂质体可以用于各种临床用途。将含有药物或 DNA（用于基因治疗）的脂质体注射到患者体内是药物递送的一种可能方法。脂质体与其他细胞的膜融合，因此将它们的内容物与患者细胞的内容物结合起来。这种药物递送方法比直接暴露毒性更低，因为脂质体将药物直接运送到细胞，无需任何不必要的中间步骤。长期循环的脂质体在高血循环区域（如肿瘤和发炎区域）中更集中，脂质体表现出的选择性融合使它们能够靶向特定类型的细胞。这是设计精心控制的药物递送技术的一个非常有用的工具。
由于几种磷脂和糖脂之间的疏水相互作用，一个称为脂类双层或双分子片的结构是优选的。如前所述，磷脂和糖脂都具有亲水和疏水部分；因此，当几种磷脂或糖脂在水溶液中聚集在一起时，疏水尾部相互作用形成疏水中心，而亲水头部相互作用形成双层两侧的亲水涂层。
细胞双层不是分离细胞内和细胞外环境的刚性且明确定义的结构。实际上，双层平面内单个脂类头部基团及其脂肪族链存在显着的流动运动。这是由于脂类结构内扭转角势垒低以及一些脂肪族链的顺式双键产生的空间位阻。[1]
由于单个细胞中可能存在的脂类的种类繁多，细胞膜的区域将包含脂类和膜蛋白的异质混合物。[2] 这些异质区域内的独特相互作用是细胞膜功能的基础。
这种脂类双层形成是自发的，因为疏水相互作用和能量上有利的结构。其他分子间力，如范德华力，使疏水尾部结合在一起，以及氢键，将亲水头部与水结合，有助于稳定脂类双层结构。由于这些相互作用，脂类双层具有独特的性质。脂类双层具有“广泛”的性质，可以包围并形成隔室。最后，由于能量原因，如果脂类双层中出现孔洞，它们也可以快速恢复。然而，磷脂和糖脂不像脂肪酸那样形成胶束，因为磷脂和糖脂有两个脂肪酸链，并且太大而无法形成胶束的内部。
在水溶液中，两亲分子将以这样一种方式排列自己，以防止疏水区域与水分子接触。对于仅含有一个脂肪酸链的那些脂肪酸盐（例如棕榈酸钠，肥皂的成分），分子形成球形胶束结构（直径通常小于 20 纳米），其中疏水脂肪酸链隐藏在胶束内部，亲水头部基团与周围的水分子相互作用。由于磷脂的两个脂肪酸链太大而无法适合胶束的内部，因此大多数磷脂在水溶液中的优选结构是二维双分子片或脂类双层。
质膜在结构和功能上是不对称的。脂双层内侧和外侧的磷脂组成和比例不同。在质膜中，磷脂酰胆碱和鞘磷脂存在于外单层（外小叶），而磷脂酰丝氨酸、磷脂酰乙醇胺和磷脂酰肌醇则存在于内单层（内小叶）。胆固醇存在于两个小叶。 
脂双层中脂类的分布经常发生变化以诱导生物学效应。一个很好的例子是血小板将磷脂酰丝氨酸移至外小叶，以实现血液凝固的能力。磷脂酰丝氨酸也是程序性细胞死亡的重要信号。在一些细胞中，磷脂酰丝氨酸出现在细胞膜外表面，向免疫系统发出信号，摧毁标记的细胞。细胞膜的不对称性质使细胞能够具有多种生物学功能。
膜蛋白也被不对称地插入膜中。在脂膜中，有蛋白质嵌入其中。脂类分子与嵌入其中的蛋白质的质量比范围从1:4到4:1。脂双层中存在两种类型的蛋白质：整合膜蛋白和外周膜蛋白。整合膜蛋白穿过脂双层，这意味着它们与脂双层的疏水区（烃区）广泛相互作用。外周膜蛋白通常附着在整合蛋白的表面，因此它们位于脂双层的两个表面。外周膜蛋白与脂类分子的亲水极性头部基团相互作用。一些外周膜蛋白只能在膜外或膜内找到。这促成了膜的不对称性质。 
蛋白质负责离子和大分子进出细胞膜的主动转运。它们被归类为整合蛋白或外周蛋白。两种形式的蛋白质都通过疏水相互作用嵌入 脂双层 中。典型的整合蛋白跨越脂双层的宽度。它们通常由许多α螺旋组成，它们的疏水部分指向外部，进入膜的疏水烃尾海。α螺旋是非极性和不带电的。这可以用来识别可能的跨膜区域。当螺旋片段从膜内部转移到水中时，可以估计自由能。每个氨基酸残基都有一个特定的自由能变化，因此我们可以知道α螺旋是由什么构成的。每个窗口的自由能变化可以针对第一个氨基酸作图，以创建疏水性图。大于 84 kJ/mol 的峰值有可能成为跨膜螺旋。当整合蛋白由β折叠片组成时，它们通常会折叠成圆柱体，再次将疏水端指向外部，而亲水端指向内部。这些被称为通道蛋白，它们通常作为离子转运形式很好地起作用，因为亲水核心将允许带电粒子穿过。外周蛋白通过与脂类分子的头部基团的静电和氢键相互作用而与膜结合。这些相互作用可以被盐浓度和 pH 值的变化中断。
从整合蛋白和外周蛋白的概念构建，一种生物学意义来自一种称为细菌视紫红质的古细菌蛋白的结构。细菌视紫红质由七个α螺旋组成，这些α螺旋包含大部分非极性氨基酸和少量带电氨基酸。该蛋白是一种整合蛋白，这意味着它与膜中的烃链相互作用。具有非极性α螺旋使这种蛋白质能够与膜结合。作为整合蛋白的目的是使蛋白质能够通过将质子从细胞内部转运到细胞外部来产生质子梯度。梯度的目的是允许 ATP 的形成。
每种类型的膜都有其特定的脂类类型，更重要的是蛋白质。不同膜的蛋白质组成变化甚至比其脂类组成更大。脊椎动物视网膜视杆细胞有一个膜部分专门用于接收光线。该膜的这个特定部分包含蛋白质，吸光糖蛋白视紫红质，它构成了该膜特定部分蛋白质的 90%。在不太专业的质膜中，例如大肠杆菌膜，有数百种不同的蛋白质，包括通道、转运蛋白和酶，它们管理代谢、脂类合成、细胞分裂和更多功能。
总的来说，蛋白质与脂类分子的比例没有特定的百分比或比率。每个细胞都有不同的蛋白质和脂类组成，对应于其功能。因此，蛋白质与脂类分子的比率可以从 1:4 到 4:1 不等。
结构
脂筏是膜中独特的区域，具有高数量的糖脂、胆固醇和某些蛋白质。脂筏的存在最早由 Simons 和 van Meer 在 1988 年提出，但另一组称为“小窝”的结构在更早的时候就被观察到。小窝是细胞表面的小凹陷，被认为是一种膜筏，它们被称为“胞内小窝”（Yamada，1955）。在世界知名研究人员的激烈争论之后，大多数科学界承认这些筏的存在，但大多数人尚不清楚如何对这些筏进行分类。目前，分类系统包括三个不同的组：小窝、富含糖鞘脂的膜（GEM）和富含多磷酸肌醇的筏。也可能存在内部筏（富含 PIP2 和小窝）和外部筏（GEM）。
这些筏中的大多数由于高浓度的糖鞘脂，这些糖鞘脂是膜这部分的特征，因此非常有序且刚性。包含在筏中的脂类紧密堆积并延伸，因此它们也通常包含其他具有长直酰基链的脂类。
功能
人们认为膜中的脂筏执行许多重要的膜功能，从胆固醇转运到内吞作用和信号转导。几项实验表明脂筏在信号转导途径中起着至关重要的作用。尽管有人提出小窝是内吞作用的组成部分，但最近的数据反驳了这一理论。相反，小窝是膜的非常稳定的区域，不参与内吞作用（Thompsen 等人，2002）。
筏和细胞骨架
一些肌动蛋白结合蛋白已被证明与多磷酸肌醇结合并受其调节，通过各种蛋白质结构域，例如 PH、PX 和 ENTH。因此，一些 ABP 被认为将肌动蛋白细胞骨架与富含 PIP2 的筏连接起来。其中之一是凝集蛋白，一种受 Ca2+、pH 和多磷酸肌醇调节的肌动蛋白封端和切割蛋白，它会分解从大脑生物化学分离的筏（Fanatsu 等人，2000）。GEM 也被认为通过 ABP 连接到肌动蛋白细胞骨架，特别是通过 EBP50 的 ERM 蛋白，EBP50 是一种通过 ERM C 末端结合 ERM 蛋白成员的蛋白（Brdickova 等人，2001）。
von Heijne, G 和 Rees, D（2008）。结构生物学现状。爱思唯尔有限公司。
Berg，生物化学，第 6 版
Campbell 和 Reece，生物学，第 7 版
Lehninger，生物化学原理，第 4 版
爱丁堡大学 [2]