脂質二重層の相挙動

コロイド化学では、脂質二重層の特性の 1 つは、個々の脂質分子の相対的な可動性 (流動性) と、この可動性が温度によってどのように変化するかです。この応答は二重層の相挙動として知られています。一般的に、特定の温度では、脂質二重層は液体または固体のどちらかの相で存在できます。固体相は一般に「ゲル」相と呼ばれます。すべての脂質には、ゲル相から液体相への転移(融解)を起こす特性温度があります。どちらの相でも、脂質分子は膜の 2 次元平面に制限されますが、液体相二重層では、分子はこの平面内で自由に拡散します。したがって、液体二重層では、特定の脂質は 1 秒間に数百万回、隣接する脂質と急速に位置を交換し、ランダム ウォークのプロセスを通じて長距離を移動します。^[1]

この大きな面内移動度とは対照的に、脂質分子が脂質二重層の片側からもう一方の側へフリップフロップすることは非常に困難です。ホスファチジルコリンベースの二重層では、このプロセスは通常数週間のタイムスケールで発生します。^[2]この矛盾は、二重層の基本構造の観点から理解できます。脂質が一方のリーフレットからもう一方のリーフレットへフリップするには、その水和したヘッドグループが二重層の疎水性コアを通過する必要があり、これはエネルギー的に不利なプロセスです。液相二重層とは異なり、ゲル相二重層の脂質は所定の位置に固定されており、フリップフロップも横方向の移動も示しません。この限られた移動度のため、ゲル二重層には、小さな穴を再封する能力という、液体二重層の重要な特性がありません。液相二重層は、水上の油膜が隙間を埋めるために流れ込むのと同じように、小さな空隙を自発的に修復できます。この機能は、細胞膜が通常、液相二重層で構成されている理由の 1 つです。脂質二重層内の脂質に対する運動制約は、生体膜内のタンパク質の存在によっても課せられ、特に膜内在性タンパク質の表面に「付着」している環状脂質殻ではそれが顕著です。

脂質二重層の相挙動は、隣接する脂質分子間のファンデルワールス力の強さによって大きく左右される。この相互作用の程度は、脂質の尾部の長さとそれらがどれだけうまくまとまるかによって決まる。尾部の長い脂質は相互作用する面積が広く、この相互作用が強くなり、結果的に脂質の可動性が低下する。したがって、特定の温度では、尾部の短い脂質は、尾部の長い脂質よりも流動性が高い。^[3]別の言い方をすると、脂質アルカン鎖の炭素数が増加すると、ゲルから液体への相転移温度が上昇する。尾部の長さが14炭素より長い飽和ホスファチジルコリン脂質は室温で固体であるが、14炭素未満のものは液体である。この現象は、長いアルカンで構成されるパラフィンワックスが室温で固体であるのに対し、短いアルカンであるオクタン（ガソリン）は液体であるという 事実に似ています。

鎖長とは別に、転移温度は脂質末端の不飽和度によっても影響を受ける。不飽和二重結合はアルカン鎖にねじれを生じさせ、規則的な周期構造を乱す。この乱れにより二重層内に余分な自由空間が生じ、隣接する鎖の柔軟性が高まる。このパッキングの乱れにより、二重結合が増えるにつれて転移温度が低下する。^[3]これは特に強力な効果であり、全体の鎖長を炭素1つ減らすと、通常、脂質の転移温度は10℃以下しか変化しないが、二重結合を1つ追加すると、転移温度が50℃以上低下することがある（表を参照）。この効果の例は日常生活で観察でき、飽和脂肪の割合が高いバターは室温で固体であるのに対し、大部分が不飽和である植物油は液体である。

二重膜は単一タイプの脂質で構成されている必要はなく、実際、ほとんどの天然膜は異なる脂質分子の複雑な混合物です。このような混合物は、多くの場合、その成分の中間の特性を示しますが、単一成分系では見られない現象、つまり相分離も起こり得ます。ある温度で一部の成分が液体で、他の成分がゲル相である場合、2つの相は空間的に分離された集団として共存することができます。この相分離は、タンパク質などの膜成分がどちらかの相に分かれて^[5]局所的に濃縮または活性化されるため、生化学現象において重要な役割を果たします。

コレステロールの存在は、その独特の物理的特性のため、脂質二重層の特性に深く複雑な影響を及ぼします。コレステロールは脂質ですが、リン脂質とはほとんど似ていません。コレステロールの親水性ドメインは非常に小さく、単一のヒドロキシル基で構成されています。このヒドロキシル基に隣接して、いくつかの縮合環からなる剛性の平面構造があります。環構造の反対側の端には、短い単鎖テールがあります。流体相二重層にコレステロールを追加すると、水に対する透過性が低下することは数十年前から知られています。^{[6] [7]}この相互作用のモードは、コレステロールが脂質分子間に挿入され、自由空間を埋めて周囲の脂質鎖の柔軟性を低下させることによるものであることが最近示されました。^{[8]この相互作用は、流体}膜脂質二重層の機械的剛性も増加させ^[9]、横方向の拡散係数を低下させます。^[10]対照的に、ゲル相二重層にコレステロールを追加すると、局所的なパッキング秩序が乱れ、拡散係数が増加し^[10]、弾性率が低下します。コレステロールと多成分系との相互作用はさらに複雑で、複雑な相図が形成される可能性がある。^[11]最近熱心に研究されている脂質コレステロール系の一つに脂質ラフトがある。脂質ラフトはコレステロールを多く含んだゲルドメインで、特定の細胞シグナル伝達プロセスに関与している可能性があるが^[12]、このテーマは依然として議論の的となっており、研究者の中には生体内での存在すら疑う者もいる。^[13]

混合脂質リポソームは、微小環境の物理的・化学的変化に応じて、脂質多形と呼ばれる異なる相分散構造（例えば、球状ミセル、脂質二重層ラメラ、六角相シリンダーなど）に変化することがある。 ^[14] リポソームと生体膜の相転移温度は、熱量測定、磁気共鳴分光法などの技術を使用して測定することができる。 ^[15]

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