流体モザイクモデル

流動モザイクモデルは、機能的な細胞膜の構造に関するさまざまな特徴を説明する。この生物学的モデルによれば、タンパク質分子が埋め込まれた脂質二重層（主に両親媒性リン脂質からなる2分子厚の層）が存在する。リン脂質二重層は膜に流動性と弾力性を与える。細胞膜には少量の炭水化物も存在する。 1972年にシーモア・ジョナサン・シンガーとガース・L・ニコルソンによって考案されたこの生物学的モデル^{[ 1 ]}は、埋め込まれたタンパク質が一般的にランダムに分布している2次元液体として細胞膜を記述している。例えば、「流動モザイクモデルの予測では、膜平面内のあらゆる内在性タンパク質の2次元長距離分布は本質的にランダムである」と述べられている^{[ 1 ] 。}

機能的な生体膜の流動性は、標識実験、X線回折、およびカロリメトリーによって決定されてきた。これらの研究により、膜貫通タンパク質は、埋め込まれている脂質二重層の粘度によって影響を受ける速度で拡散することが示され、細胞膜内の分子は静的ではなく動的であることが実証された。^{[ 1 ]}

これまでの生体膜モデルには、ロバートソン単位膜モデルやダブソン・ダニエリ三層モデルなどがあった。^{[ 2 ]}これらのモデルでは、タンパク質はリン脂質二重層に組み込まれるのではなく、脂質層に隣接するシートとして存在していた。他のモデルでは、タンパク質と脂質の規則的な繰り返し単位が記述されていた。これらのモデルは顕微鏡観察や熱力学的データによって十分に裏付けられておらず、動的な膜特性の証拠を説明できなかった。^{[ 2 ]}

流動的で動的な生物学的モデルを支持する証拠を提供した重要な実験は、フライとエディディンによって行われた。彼らはセンダイウイルスを使用してヒトとマウスの細胞を融合させてヘテロカリオンを形成させた。抗体染色を使用して、細胞融合後まもなく、マウスとヒトのタンパク質がヘテロカリオンの別々の半分に分離したままであることを示すことができた。しかし、タンパク質は最終的に拡散し、時間の経過とともに2つの半分の間の境界が失われた。温度を下げると、膜リン脂質が流動相からゲル相に変化するため、この拡散の速度が遅くなった。^{[ 3 ]}シンガーとニコルソンは、流動モザイクモデルを使用してこれらの実験の結果を合理化した。^{[ 1 ]}

流動モザイクモデルは、様々な温度条件下における細胞膜の構造と挙動の変化、および膜タンパク質と膜との結合を説明する。シンガーとニコルソンは、複数の分野から得られた豊富な証拠に基づいてこのモデルを提唱したが、近年の蛍光顕微鏡法と構造生物学の進歩により、細胞膜の流動モザイク構造が実証された。

流動膜における脂質およびタンパク質成分の側方移動には、ゾーニングによって制限が課せられる。膜ゾーンの形成を説明する初期の試みには、脂質ラフトや「細胞骨格フェンス」の形成、すなわち脂質および膜タンパク質が自由に拡散できるが、そこから出ることはほとんどない囲い地の形成などが含まれる。^{[ 2 ]}これらの考えは依然として議論の的となっており、プロテオリピドコードなどの代替的な説明も存在する。^{[ 11 ]}

細胞骨格のフェンス（囲い）と細胞外マトリックスへの結合

二重脂質層に埋め込まれたタンパク質の一部は、細胞外の細胞外マトリックス、細胞内の細胞骨格フィラメント、およびセプチンリング状構造と相互作用します。これらの相互作用は、形状と構造、および区画化に強い影響を与えます。さらに、二重脂質層内のタンパク質および少なくとも一部の脂質の自由な側方拡散を制限する物理的制約を課します。^{[ 2 ]}

脂質二重層の膜タンパク質が細胞外マトリックスに繋がれていると、自由に拡散することができなくなります。長い細胞内ドメインを持つタンパク質は、細胞骨格フィラメントによって形成されたフェンスに衝突する可能性があります。^{[ 13 ]}これらのプロセスはいずれも、直接関与するタンパク質や脂質、および細胞膜の他の相互作用する成分の拡散を制限します。

セプチンは、真核生物間で高度に保存されているGTP結合タンパク質のファミリーです。原核生物には、パラセプチンと呼ばれる類似のタンパク質があります。これらは、細胞膜に強く結合した区画化リング状構造を形成します。セプチンは、繊毛や鞭毛、樹状突起スパイン、酵母の出芽などの構造の形成に関与しています。^{[ 14 ]}

• 1895年–アーネスト・オーバートンは細胞膜が脂質でできているという仮説を立てた。^{[ 15 ]}
• 1925年–エヴェルト・ゴルターとフランソワ・グレンデルは、赤血球膜が2分子の厚さの脂肪層で構成されていることを発見し、細胞膜の二重脂質性について記述した。^{[ 16 ]}
• 1935年–ヒュー・ダブソンとジェームズ・ダニエリは 、脂質膜はタンパク質と脂質からなる層であり、特定の分子に対して特定の透過性を可能にする孔のような構造を持つと提唱した。そして、脂質層が両側のタンパク質層に囲まれた細胞膜のモデルを提案した。^{[ 17 ]}
• 1957年– J. デイビッド・ロバートソンは、電子顕微鏡研究に基づいて「単位膜仮説」を確立した。これは、細胞内のすべての膜、すなわち血漿膜と細胞小器官膜は同じ構造、つまりリン脂質の二重層とその両側のタンパク質の単層から構成されているというものである。^{[ 18 ]}
• 1972年– SJ SingerとGL Nicolsonは、細胞膜の構造と熱力学に関するデータと最新の証拠を説明するために、流動モザイクモデルを提唱した。^{[ 1 ]}
• 1997年– K SimonsとE Ikonenは、膜のゾーニングの最初の説明として脂質ラフト理論を提唱した。^{[ 19 ]}
• 2024 – 脂質ラフト理論がますます議論の的となるにつれ、TA KervinとM Overduinは膜のゾーニングを完全に説明するためにプロテオリピドコードを提唱した。^{[ 20 ] [ 21 ]}