引言

两个细胞的融合会导致两个细胞的膜在一个位置相遇，从而允许物质交换。这是物质进出细胞最常见的方式之一，该过程最终导致一个连续的膜包围两个细胞的内容物。细胞膜由双层磷脂组成，磷脂相互作用并在两个细胞之间形成连接。通过X射线衍射技术可以观察到两个细胞膜的融合。X射线衍射技术证实了细胞在融合过程中形成一个称为“柄”的沙漏状结构的理论。这个柄最终会生长连接两个膜，两个膜最终合并成一个大的膜。两个膜的融合是由蛋白质催化的。这些蛋白质通过识别具有融合潜力的其他细胞发挥作用，还可以通过将膜拉到一起以消除脂质和水相互作用来启动该过程。

为了使膜融合发生，该过程必须在热力学上是有利的，即改造前复合物的自由能必须低于改造后的复合物的自由能。据说该过程必须在能量上“向下”才能使该过程可行。中间结构也必须足够低，才能在合理的时间内克服热波动。反应的驱动力是弹性能量的释放。

膜融合所需的能量约为 40kBT，这与水解几个 ATP 分子所需的能量大致相同。

胞吐膜融合

这是细胞内部细胞器与细胞膜胞质侧融合的过程。它是激素和神经递质以及其他生物化合物释放的重要过程。这种融合过程通常分为三个步骤。步骤 1 包括要释放的内部细胞成分迁移到细胞膜外部。步骤 2 是膜的合并，步骤 3 包括内部成分的合并，例如囊泡内的分子。整个过程受不同因素的影响。决定胞吐膜融合能力的一个重要因素是pH。另一个因素是 ATP 的水解，因为融合本身需要能量。其他因素包括：跨膜电位、渗透力、蛋白酶和钙调蛋白。

膜融合机制

膜融合始于两个独立的细胞单层膜的局部合并，而远端单层膜保持分离。两个细胞膜之间的这种初始连接称为融合柄，它代表两个独立的细胞膜之间膜融合过程的第一阶段，称为半融合。柄的进化最终导致两个细胞膜的远端单层膜融合。这种合并的结果是一个融合孔，它连接了先前分离的细胞膜的体积。融合孔能够根据生物条件膨胀或收缩。膜融合中的柄形成需要暂时破坏两个细胞膜，这不利于并且与维持细胞膜上连续脂质组装的疏水力相反。解决这一矛盾的一种理论是涉及细胞膜中一个脂质分子，在两个分离的细胞膜之间架起桥梁。在柄前融合中间体中，一个脂质分子将其两个烃链扩展到相对的膜中，并开始在两个分离的细胞膜之间建立一个正在发育的脂质桥。这种链扩展机制以对抗细胞膜的疏水条件，已经在部分脱水的膜接触条件下的模拟中得到了无数次的证明。这表明膜融合过程是由两个分离的细胞膜之间强烈的脂质桥力推在一起的。由于融合，合并的膜的整体曲率可以部分放松弯曲，并且与以前的两个细胞膜相比，弯曲程度降低。由于两个细胞膜的自连通性与一个小的、强弯曲的细胞膜相反，驱动未弯曲膜的物理力有利于膜融合。合并的细胞膜的脂质可以重新分布在更大的膜区域，而不是局限于一个紧凑的细胞膜。

膜弹性能量

在膜重塑中，有三种不同的能量起着主要作用：膜弯曲、膜拉伸和脂质烃链倾斜。膜弯曲能量取决于膜表面的曲率。膜表面上任何一点的自由能可能不同，因为脂质和蛋白质组成的变化。膜融合降低了膜弯曲的自由能。第二种弹性能量是膜拉伸。这种能量源于膜拉伸引起的横向张力，可以驱动融合孔的扩张。最后一种可以认为是融合过程中两个细胞膜之间脂质分子烃链的倾斜。

SNARE复合物

文件：囊泡融合.png

这是一个由蛋白质组成的复合物，参与膜融合。参与的蛋白质被称为 SNARE 蛋白，它们起着调节囊泡融合的作用。SNARE 代表可溶性 N-乙基马来酰亚胺敏感因子附着蛋白受体。SNARE 复合物由形成四螺旋束的蛋白质组成。它们通常位于质膜上，有助于将某些膜拉到一起以启动融合过程。这些蛋白质存在于所有真核细胞中，并有助于确定囊泡融合的隔室。SNARE 蛋白有两种。第一个是 v-SNARE，其中“v”代表囊泡。第二个是 t-SNARE，其中“t”代表靶标。v-SNARE 是运输囊泡的一部分，是一种整合蛋白，它会与靶膜上的 t-SNARE 结合，这会导致靶膜与运输囊泡融合。SNARE 复合物在神经传递中起着至关重要的作用。为了使神经传递发生，需要将突触前质膜与含有神经递质分子的囊泡融合。SNARE 蛋白必须满足某些条件才能在细胞融合中起作用。第一个条件是 SNARE 蛋白必须位于两个不同的膜上。其次，这些膜必须能够彼此接触。第三，重链和轻链必须在膜上结合并形成 t-SNARE。第四，SNARE 必须能够连接两个膜。第五，锚点和连接器必须是功能性的。最后，膜表面必须兼容才能融合。

SNARE 蛋白可以分配到三个蛋白质家族。这些家族是突触蛋白家族、VAMP 家族和 SNAP-25 家族。所有 SNARE 蛋白都具有的一个区别特征是它们的卷曲螺旋结构域。SNARE 复合物本身是由突触蛋白的螺旋、VAMP 的螺旋和 SNAP-25 的两个螺旋组成的。膜融合的总体机制是囊泡在 Rab 蛋白的帮助下降落在膜上，并将 SNARE 蛋白彼此靠近。然后，SNARE 核心的复合物将两个膜拉到一起，并在两个膜内产生张力。当膜越来越靠近时，半融合可以发生，然后融合孔打开并扩展，允许膜融合。SNARE 蛋白基本上提供了驱动力并稳定了该过程的过渡状态。

文件：SNAREcomplex.jpg

膜融合和SNARE复合体在神经系统中有很多重要的用途。它在化学突触传递中至关重要，在膜融合发生后，突触前囊泡结合的神经递质最终通过钙依赖机制释放到突触间隙。在融合发生之前，囊泡被运输到特定的靶膜。像Ca²⁺这样的“融合触发器”在囊泡经过启动后，引导融合完成。为了使这种融合发生，SNARE复合体对于克服排斥的离子力量以及消除膜脂双层之间的水合作用至关重要。近年来，SNARE蛋白被重新分类为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含有谷氨酰胺。

疏水插入（楔入）机制

膜融合的一种机制是疏水插入（楔入）机制。蛋白质是膜融合过程的中间体，某些蛋白质可以诱导膜融合，进而引起弹性应力。可以驱动此过程的蛋白质例子包括脂质修饰酶、翻转酶和刚性蛋白质支架。这种机制的核心在于疏水或两亲性区域插入到浅层膜中，导致极性头部区域膨胀，进而诱导蛋白质弯曲。能够做到这一点的蛋白质包括epsins、小G蛋白、N-bar结构域以及能够插入小型疏水环的蛋白质。进一步的研究将集中在寻找哪些结构相关的蛋白质能够驱动膜重塑。