生体膜

脂質二重層は、外側リーフレットと内側リーフレットの 2 つの層から構成されています。^{[ 1 ]}二重層の構成要素は、外側と内側の表面の間に非対称性を生み出すために、2 つの表面に不均等に分布しています。^{[ 2 ]}この非対称な構造は、細胞シグナル伝達などの細胞機能にとって重要です。^{[ 3 ]}生体膜の非対称性は、膜の 2 つのリーフレットの異なる機能を反映しています。^{[ 4 ]}リン脂質二重層の流動膜モデルに見られるように、膜の外側リーフレットと内側リーフレットは、その構成において非対称です。特定のタンパク質と脂質は、膜の一方の表面にのみ存在し、もう一方の表面には存在しません。

• 細胞膜と内部膜はどちらも、細胞質側と細胞外側の両面を持っている。
• この配向は膜輸送中も維持され、ERとゴルジ体の内腔に面するタンパク質、脂質、糖複合体は細胞膜の細胞外側に発現する。真核細胞では、新しいリン脂質は細胞質に面する小胞体膜の部分に結合した酵素によって作られる。^{[ 5 ]}これらの酵素は遊離脂肪酸を基質として用い、新しく作られたすべてのリン脂質を二重層の細胞質側半分に沈着させる。膜全体が均一に成長できるようにするには、新しいリン脂質分子の半分を反対側の単層に転送する必要がある。この転送はフリッパーゼと呼ばれる酵素によって触媒される。細胞膜では、フリッパーゼは特定のリン脂質を選択的に転送するため、異なる種類のリン脂質が各単層に濃縮される。^{[ 5 ]}

しかし、選択的フリッパーゼを使用することだけが脂質二重層に非対称性を生み出す唯一の方法ではない。特に、動物細胞内で最も顕著かつ一貫した非対称分布を示す脂質である糖脂質には、別のメカニズムが作用する。^{[ 5 ]}

生体膜は疎水性尾部と親水性頭部を持つ脂質で構成されている。^{[ 6 ]}疎水性尾部は炭化水素尾部であり、その長さと飽和度は細胞の特徴付けにおいて重要である。^{[ 7 ]}脂質ラフトは、脂質種とタンパク質が膜内のドメインに集積したときに発生する。これらは、シグナル伝達などの特定のプロセスに関与する局所的な領域に膜成分を組織化することに役立つ。

赤血球、または赤血球細胞は、独特の脂質組成を持っています。赤血球の二重層は、コレステロールとリン脂質が重量比で等量で構成されています。^{[ 7 ]}赤血球膜は血液凝固において重要な役割を果たします。赤血球の二重層にはホスファチジルセリンがあります。^{[ 8 ]}これは通常、膜の細胞質側にあります。しかし、血液凝固中に使用されるために外膜側に反転されます。^{[ 8 ]}

リン脂質二重層にはさまざまなタンパク質が含まれています。これらの膜タンパク質はさまざまな機能と特性を持ち、さまざまな化学反応を触媒します。内在性タンパク質は、両側に異なるドメインを持ち、膜を貫通しています。^{[ 6 ]}内在性タンパク質は脂質二重層と強く結合しており、容易に分離することはできません。^{[ 9 ]}これらは、膜を破壊する化学処理によってのみ解離します。末梢性タンパク質は、二重層の表面との相互作用が弱く、膜から容易に解離できるという点で、内在性タンパク質とは異なります。^{[ 6 ]}末梢性タンパク質は膜の片面にのみ存在し、膜の非対称性を生み出します。

オリゴ糖は糖を含むポリマーです。膜内では、オリゴ糖は脂質と共有結合して糖脂質を形成したり、タンパク質と共有結合して糖タンパク質を形成したりします。膜には糖脂質として知られる糖を含む脂質分子が含まれています。二重層では、糖脂質の糖基が細胞表面に露出しており、そこで水素結合を形成できます。^{[ 9 ]}糖脂質は、脂質二重層における非対称性の最も極端な例です。^{[ 10 ]}糖脂質は、細胞認識や細胞間接着など、主にコミュニケーションに関わる生体膜内で膨大な数の機能を果たします。糖タンパク質は膜貫通タンパク質です。^{[ 2 ]}糖タンパク質は免疫応答と防御において重要な役割を果たします。^{[ 11 ]}

生体膜の最も重要な特徴は、選択透過性構造であることでしょう。つまり、膜を通過しようとする原子や分子の大きさ、電荷、その他の化学的性質によって、通過できるかどうかが決まります。選択透過性は、細胞や細胞小器官を周囲から効果的に分離するために不可欠です。また、生体膜は、必要に応じて形状を変えたり動いたりできるような、特定の機械的特性や弾性特性も備えています。

一般的に、小さな疎水性分子は単純拡散によってリン脂質二重層を容易に通過することができる。^{[ 12 ]}

細胞機能に必要だが膜を自由に拡散できない粒子は、膜輸送タンパク質を介して細胞内に入るか、エンドサイトーシスによって取り込まれる。エンドサイトーシスでは、膜が液胞を膜に結合させ、その内容物を細胞内に押し込む。細胞を外部環境から隔てる特殊な細胞膜は数多く存在する。頂端膜、基底外側膜、シナプス前膜、シナプス後膜、鞭毛膜、繊毛膜、微絨毛膜、糸状仮足膜、ラメリポディア膜、筋細胞の筋形質膜、神経細胞の特殊なミエリン膜や樹状突起棘膜などである。細胞膜はまた、カベオラ、シナプス後密度、ポドソーム、インバドポディウム、デスモソーム、ヘミデスモソーム、焦点接着、細胞間結合などの様々な「膜上」構造を形成する。これらの膜の種類は、脂質とタンパク質の組成が異なる。

異なる種類の膜は、エンドソーム、滑面小胞体と粗面小胞体、筋小胞体、ゴルジ体、リソソーム、ミトコンドリア（内膜と外膜）、核（内膜と外膜）、ペルオキシソーム、液胞、細胞質顆粒、細胞小胞（ファゴソーム、オートファゴソーム、クラスリン被覆小胞、COPI被覆小胞、COPII被覆小胞）、分泌小胞（シナプトソーム、アクロソーム、メラノソーム、クロマフィン顆粒を含む）などの細胞内小器官も形成します。異なる種類の生体膜は、多様な脂質とタンパク質の組成を持っています。膜の成分は、その物理的および生物学的特性を決定します。膜の成分の中には、細胞から薬剤を排出する排出ポンプのように、医学において重要な役割を果たすものもあります。

リン脂質二重層の疎水性コアは、脂質尾部の結合周りの回転により常に動いている。^{[ 13 ]}二重層の疎水性尾部は曲がって互いに固定される。しかし、水との水素結合により、親水性頭部は回転と可動性が制限されるため、動きが少なくなる。^{[ 13 ]}その結果、脂質二重層の粘度は親水性頭部に近づくにつれて増加する。^{[ 6 ]}

転移温度以下では、脂質二重層は流動性を失い、運動性の高い脂質の動きが鈍くなり、ゲル状の固体になる。^{[ 14 ]}転移温度は、脂質二重層の炭化水素鎖長や脂肪酸の飽和度などの構成要素に依存する。温度依存性の流動性は、細菌や変温動物にとって重要な生理学的特性である。これらの生物は、異なる温度に応じて膜脂質の脂肪酸組成を変化させることで、一定の流動性を維持している。^{[ 6 ]}

動物細胞では、膜の流動性はステロールであるコレステロールの取り込みによって調節されます。この分子は特に細胞膜に多く存在し、膜脂質の重量の約20%を占めています。コレステロール分子は短く硬いため、不飽和炭化水素鎖の折れ曲がりによって生じる隣接するリン脂質分子間の隙間を埋めます。このようにして、コレステロールは二重層を硬化させ、より硬く透過性を低下させる傾向があります。^{[ 5 ]}

すべての細胞にとって、膜の流動性は多くの理由から重要です。膜タンパク質が二重層の平面内で迅速に拡散し、互いに相互作用することを可能にします。これは、例えば細胞シグナル伝達において非常に重要です。膜脂質やタンパク質が合成後に二重層に挿入された場所から細胞の他の領域へ拡散することを可能にします。膜同士が融合して分子を混合することを可能にし、細胞分裂時に膜分子が娘細胞間で均等に分配されることを保証します。生体膜が流動的でなければ、細胞がどのように生存、成長、増殖できるかを想像するのは困難です。^{[ 5 ]}

流動性という特性は、膜の弾性変形に伴うエネルギーコストを計算することを可能にするヘルフレッヒモデルの中心となる要素である。