脂質二重層

脂質二重層は、その横方向の寸法に比べて非常に薄い。典型的な哺乳類細胞（直径約10マイクロメートル）をスイカ（約30cm）の大きさに拡大すると 、細胞膜 を構成する脂質二重層の厚さは、事務用紙1枚分程度になる。わずか数ナノメートルの厚さであるにもかかわらず、二重層はその断面に沿っていくつかの異なる化学領域から構成されている。これらの領域と周囲の水との相互作用は、過去数十年にわたり、X線反射率測定法^{[ 6 ]}、中性子散乱法[ ^{7 ]}、核磁気共鳴法^{[ 8 ]を用いて特徴づけられてきた。}

二重層の両側の最初の領域は親水性ヘッドグループです。膜のこの部分は完全に水和しており、通常 厚さは約 0.8 ～ 0.9 nm です。リン脂質二重層では、リン酸基はこの水和領域内にあり、 疎水性コアの外側約 0.5 nm に位置しています。^{[ 9 ]}場合によっては、水和領域がさらに広がることもあります。たとえば、ヘッドに大きなタンパク質や長い糖鎖がグラフトされた脂質の場合などです。自然界におけるこのような修飾の一般的な例の 1 つは、細菌の外膜上のリポ多糖コートです。 ^{[ 10 ]}

親水性ヘッドグループ領域の隣には、部分的にしか水和されていない中間領域があります。この境界層の 厚さは約 0.3 nm です。この短い距離内で、水の濃度はヘッドグループ側で 2M からテール (コア) 側でほぼゼロまで低下します。^{[ 11 ] [ 12 ]}二重層の疎水性コアは通常 3～4  nm の厚さですが、この値は鎖長と化学によって異なります。^{[ 6 ] [ 13 ]}コアの厚さは温度によっても大きく変化し、特に相転移付近で顕著です。^{[ 14 ]}

多くの天然の二重層では、内側と外側の膜小葉の構成が異なります。ヒトの赤血球では、内側（細胞質側）小葉は主にホスファチジルエタノールアミン、ホスファチジルセリン、ホスファチジルイノシトールとそのリン酸化誘導体で構成されています。対照的に、外側（細胞外側）小葉は、ホスファチジルコリン、スフィンゴミエリン、およびさまざまな糖脂質に基づいています。^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}場合によっては、この非対称性は細胞内で脂質が作られる場所に基づいており、それらの初期配向を反映しています。^{[ 18 ]}脂質の非対称性の生物学的機能は完全には理解されていませんが、それがいくつかの異なる状況で使用されていることは明らかです。例えば、細胞がアポトーシスを起こすと、 通常は細胞質膜に局在するホスファチジルセリンが 外表面に移動します。そこでマクロファージによって認識され、マクロファージは死滅した細胞を積極的に除去します。^{[ 19 ]}

脂質の非対称性は、少なくとも部分的には、ほとんどのリン脂質が合成されて最初に内側の単層に挿入されるという事実から生じます。外側の単層を構成するリン脂質は、その後、フリッパーゼと呼ばれる酵素群によって内側の単層から輸送されます。^{[ 20 ] [ 21 ]}スフィンゴミエリンなどの他の脂質は、外側のリーフレットで合成されるようです。フリッパーゼは、脂質を逆方向に輸送するフロッパーゼや、脂質二重層全体に脂質分布をランダム化するスクランブラーゼ（アポトーシス細胞の場合など）を含む、より大きな脂質輸送分子ファミリーのメンバーです。いずれにせよ、脂質の非対称性が確立されると、リーフレット間の脂質の自発的なフリップフロップが非常に遅いため、通常はすぐには消失しません。^{[ 22 ]}コレステロールも二重層の非対称性の作成と維持に重要な役割を果たしているようです。^{[ 23 ]}

この非対称性は、実験室でモデル二重層システムを用いて模倣することが可能です。非常に小さな人工小胞の特定の種類は、細胞内とは大きく異なるメカニズムで、自動的にわずかに非対称になります。^{[ 24 ]}ラングミュア・ブロジェット法^{[ 25 ]}で2種類の異なる単分子膜を使用するか、ラングミュア・ブロジェット法と小胞破裂法^{[ 26 ]}を組み合わせることで、非対称な平面二重層を合成することも可能です。支持された二重層の脂質はフリップフロップを起こしやすいため、この非対称性は時間とともに失われる可能性があります。^{[ 27 ]}しかし、脂質のフリップフロップはコレステロールや他の小さな分子に比べて遅いことが報告されています。^{[ 28 ] [ 29 ]}

脂質二重層における脂質単分子層の組織とダイナミクスは連動していることが報告されている。^{[ 30 ] [ 31 ]}例えば、一方の単分子層に障害物を導入すると、両方の単分子層の横方向拡散が遅くなることがある。^{[ 30 ]}さらに、一方の単分子層で相分離が起こると、もう一方の単分子層が単独では相分離を起こさない場合でも、もう一方の単分子層で相分離が起こることがある。^{[ 31 ]}

特定の温度では、脂質二重層は液体相またはゲル（固体）相のいずれかで存在できます。すべての脂質には、ゲル相から液体相に転移（融解）する固有の温度があります。どちらの相でも、脂質分子は二重層を横切ってフリップフロップすることはできませんが、液体相の二重層では、特定の脂質は1秒間に数百万回隣接する脂質と位置を交換します。このランダムウォーク交換により、脂質は拡散して膜の表面を移動することができます。液体相の二重層とは異なり、ゲル相の二重層の脂質は移動性が低くなります。^{[ 32 ]}

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引力相互作用の強さによって大きく左右されます。尾部が長い脂質は相互作用する面積が広いため、この相互作用の強さが増し、結果として脂質の可動性が低下します。したがって、特定の温度では、尾部が短い脂質は、それ以外は同じ尾部が長い脂質よりも流動性が高くなります。^{[ 13 ]}相転移温度は、脂質尾部の不飽和度によっても影響を受けることがあります。不飽和二重結合はアルカン鎖に折れ曲がりを生じさせ、脂質のパッキングを乱します。この乱れにより、二重層内に余分な自由空間が生まれ、隣接する鎖の柔軟性が増します。^{[ 13 ]}この効果の一例として、飽和脂肪を多く含むバターは室温で固体であるのに対し、不飽和脂肪を多く含む植物油は液体であるということが挙げられます。^{[ 33 ]}

ほとんどの天然膜は、さまざまな脂質分子の複雑な混合物です。ある温度で一部の成分が液体で、他の成分がゲル相にある場合、2つの相は、海に浮かぶ氷山のように、空間的に分離された領域で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配され、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。^{[ 34 ]}多くの混合相システムの特に重要な成分の1つはコレステロールであり、これは二重層の透過性、機械的強度、および生化学的相互作用を調節します。^{[ 35 ]}

脂質尾部は主に二重層の相挙動を調節するが、二重層の表面化学を決定するのはヘッドグループである。ほとんどの天然の二重層は主にリン脂質で構成されているが、スフィンゴ脂質やコレステロールなどのステロールも重要な構成要素である。^{[ 36 ]}リン脂質の中で最も一般的なヘッドグループはホスファチジルコリン（PC）であり、ほとんどの哺乳類細胞のリン脂質の約半分を占めている。^{[ 37 ]} PCは両性イオン性のヘッドグループであり、リン酸基に負電荷、アミンに正電荷があるが、これらの局所電荷が釣り合っているため、正味の電荷はない。^{[ 38 ]}

他のヘッドグループもさまざまな程度で存在し、ホスファチジルセリン（PS） 、ホスファチジルエタノールアミン（PE）、ホスファチジルグリセロール（PG）などが含まれる。これらの代替ヘッドグループは、多くの場合、状況に大きく依存する特定の生物学的機能をもたらす。たとえば、赤血球の細胞外膜面にPSが存在することは細胞アポトーシスのマーカーであるが^{[ 19 ]}、成長板小胞内のPSはヒドロキシアパタイト結晶の核形成とそれに続く骨の石灰化に必要である^{[ 39 ] [ 40 ]} 。PCとは異なり、他のヘッドグループの中には正味電荷を持つものがあり、これが小分子と二重層との静電相互作用を変化させる可能性がある^{[ 41 ] 。}

脂質二重層の生物学における主な役割は、水性コンパートメントを周囲から分離することです。「自己」と「非自己」を区別する何らかの障壁がなければ、生物や生命の概念を定義することさえ困難です。この障壁は、特殊な適応をした脂質単層を利用する少数の古細菌種を除いて、既知のすべての生命体において脂質二重層の形をとります。 ^{[ 42 ]}生命の最初の形態は、事実上唯一の生合成能力がリン脂質の生産である単純な脂質小胞であった可能性さえ提案されています。^{[ 43 ]}脂質二重層の分離能力は、後述の「二重層を介した輸送」で説明するように、親水性分子が疎水性二重層コアを容易に通過できないという事実に基づいています。核、ミトコンドリア、葉緑体は2つの脂質二重層を持つが、その他の細胞内構造は1つの脂質二重層に囲まれている（細胞膜、小胞体、ゴルジ体、リソソームなど）。オルガネラを参照。^{[ 44 ]}

原核生物は、細胞膜（形質膜とも呼ばれる）という1つの脂質二重層しか持っていません。多くの原核生物は細胞壁も持っていますが、細胞壁は脂質ではなく、タンパク質または長鎖炭水化物で構成されています。対照的に、真核生物は、核、ミトコンドリア、リソソーム、小胞体など、さまざまな細胞小器官を持っています。これらの細胞内区画はすべて1つ以上の脂質二重層に囲まれており、通常、これらを合わせると、細胞内に存在する二重層面積の大部分を占めます。たとえば、肝細胞では、形質膜は細胞全体の二重層面積のわずか2パーセントを占めるにすぎず、小胞体は50パーセント以上、ミトコンドリアはさらに30パーセントを占めています。^{[ 45 ]}

細胞シグナル伝達の最もよく知られた形態はシナプス伝達であり、これはあるニューロンの末端に到達した神経インパルスが神経伝達物質の放出を介して隣接するニューロンに伝達されるものである。この伝達は、細胞内で後で放出される神経伝達物質を詰め込んだシナプス小胞の働きによって可能になる。これらの詰め込まれた小胞はシナプス前終末で細胞膜と融合し、その内容物が細胞外の空間に放出される。その後、内容物はシナプスを介して拡散し、シナプス後終末に到達する。^{[ 46 ]}

脂質二重層は、膜貫通タンパク質の宿主としての役割を通じてシグナル伝達にも関与しています。これは非常に広範で重要な生体分子のクラスです。ヒトのプロテオームの最大3分の1が膜タンパク質であると推定されています。^{[ 47 ]}これらのタンパク質の一部は細胞膜の外側に結合しています。その例として、細胞を「自己」として認識し、免疫系による破壊を阻害するCD59タンパク質があります。HIVウイルスは、宿主膜からこれらのタンパク質を自身の表面に移植することによって、部分的に免疫系を回避しています。 ^{[ 45 ]}あるいは、一部の膜タンパク質は二重層を完全に貫通し、細胞外から細胞内への個々のシグナルイベントの中継に役立っています。この種のタンパク質で最も一般的なクラスは、Gタンパク質共役受容体（GPCR）です。GPCRは、細胞が周囲を感知する能力の大部分を担っており、この重要な役割のため、現代のすべての医薬品の約40%がGPCRを標的としています。^{[ 48 ]}

タンパク質や溶液を介したプロセスに加えて、脂質二重層がシグナル伝達に直接関与することもあります。その典型的な例が、ホスファチジルセリンによって誘発される食作用です。通常、ホスファチジルセリンは細胞膜内で非対称に分布しており、内側にのみ存在します。プログラム細胞死の際、スクランブラーゼと呼ばれるタンパク質がこの分布を均衡させ、ホスファチジルセリンを細胞外側の二重層面に表示します。ホスファチジルセリンの存在は、死んだ細胞や死にかけている細胞を除去する食作用を誘発します。^{[ 49 ]}

電気測定は、二重層の重要な機能、すなわち溶液中のイオンを分離して流れを阻止する能力を特徴付ける簡単な方法です。二重層に電圧を印加し、結果として生じる電流を測定することで、二重層の抵抗が決定されます。疎水性コアは荷電種に対して不透過性であるため、この抵抗は通常非常に高い値（10 ⁸ Ω-cm ²以上）になります^{[ 51 ]。}数ナノメートルスケールの穴が存在するだけでも、電流が劇的に増加します^{[ 53 ]} 。このシステムの感度は、単一のイオンチャネルの活動さえも識別できるほどです^{[ 54 ] 。}

脂質二重層は薄すぎるため、従来の顕微鏡では見ることができません。そのため、研究者はしばしば蛍光顕微鏡を使用します。サンプルをある波長の光で励起し、別の波長の光で観察することで、励起と発光のプロファイルが一致する蛍光分子のみを見ることができます。天然の脂質二重層は蛍光を発しないため、少なくとも1つの蛍光色素を二重層内の分子のいくつかに結合させる必要があります。解像度は通常数百ナノメートルに制限されますが、これは残念ながら脂質二重層の厚さよりもはるかに大きいです。^{[ 50 ]}

電子顕微鏡はより高解像度の画像を提供します。電子顕微鏡では、従来の顕微鏡のように光線ではなく、集束された電子ビームが試料と相互作用します。急速凍結技術と組み合わせることで、電子顕微鏡は細胞間および細胞内輸送のメカニズムの研究にも使用されており、たとえばシナプスでの化学物質放出の手段がエキソサイトーシス小胞であることを示すのに使用されています。^{[ 55 ]}

³¹ P-核磁気共鳴分光法は、生体内のリン脂質二重層や生体膜の研究に広く用いられています。脂質の³¹ P-NMRスペクトルの分析により、脂質二重層のパッキング、相転移（ゲル相、生理的液晶相、リップル相、非二重層相）、脂質ヘッドグループの配向/ダイナミクス、純粋な脂質二重層の弾性特性、およびタンパク質やその他の生体分子の結合の結果としての弾性特性に関する幅広い情報が得られます。^{[ 52 ]}

脂質二重層を研究する新しい方法として、原子間力顕微鏡(AFM) があります。光や粒子のビームを使用する代わりに、非常に小さな鋭利な先端が二重層に物理的に接触し、レコードプレーヤーの針のようにその上を移動することで表面をスキャンします。AFM は、室温、さらには水や生理的緩衝液中など、自然な二重層の挙動に必要な条件下でナノメートル分解能でイメージングできる可能性があるため、有望な技術です。この機能を利用して、AFM は膜貫通孔 (穴) の形成^{[ 56 ]}や支持二重層の相転移^{[ 57 ]}など、動的な二重層の挙動を調べるために使用されてきました。もう 1 つの利点は、プローブ先端が二重層表面と機械的に相互作用するため、AFM では脂質の蛍光標識や同位体標識が不要であることです。このため、同じスキャンで脂質と関連タンパク質の両方をイメージングでき、場合によっては単一分子の分解能でイメージングすることもできます。^{[ 56 ] [ 58 ]} AFM は、脂質二重層の機械的性質を調べることもできます。^{[ 59 ]}

脂質二重層は高い複屈折性を示し、二重層の平面内の屈折率は垂直方向の屈折率と最大で0.1屈折率単位も異なります。これは、二重偏光干渉法を用いて二重層の秩序と乱れの度合いを特徴づけ、タンパク質相互作用のメカニズムを理解するために利用されてきました。^{[ 60 ]}

脂質二重層は多くの自由度を持つ複雑な分子システムです。そのため、膜の原子レベルのシミュレーション、特にその特性の第一原理計算は困難で計算コストが高くなります。最近、量子化学計算によって脂質膜の双極子モーメントと四重極モーメントを推定することに成功しました。^{[ 61 ]}

ほとんどの極性分子は脂質二重層の炭化水素コアへの溶解度が低く、その結果、二重層を横切る透過係数が低くなります。この効果は、中性極性分子よりも透過係数がさらに低い荷電種で特に顕著です。^{[ 62 ]}陰イオンは通常、陽イオンよりも二重層を通過する拡散速度が速いです。^{[ 63 ] [ 64 ]}イオンと比較すると、水分子は浸透圧膨張によって証明されるように、二重層を通過する透過性が比較的大きいです。内部の塩濃度が高い細胞または小胞を塩濃度が低い溶液に入れると、膨張して最終的に破裂します。このような結果は、水が比較的容易に二重層を通過できなければ観察されません。二重層を通過する水の異常に大きな透過性はまだ完全には理解されておらず、活発な議論の対象となっています。^{[ 65 ]}小さな非荷電非極性分子は、イオンや水よりも何桁も速く脂質二重層を拡散します。これは脂肪とクロロホルムやエーテルなどの有機溶媒の両方に当てはまります。極性に関係なく、大きな分子は小さな分子よりも脂質二重層をゆっくりと拡散します。^{[ 66 ]}

自然界の細胞膜や細胞内膜に見られるイオン勾配を扱うタンパク質には、イオンチャネルとイオンポンプという2つの特殊なクラスがあります。ポンプとチャネルはどちらも二重層を貫通する膜貫通タンパク質ですが、その役割は大きく異なります。イオンポンプは、外部エネルギー源を利用してイオンを濃度勾配に逆らってより高い化学ポテンシャルの領域に移動させることで、化学勾配を構築および維持するタンパク質です。エネルギー源は、 Na ⁺ -K ⁺ ATPaseの場合のようにATPである場合もあります。あるいは、 Ca ²⁺ /Na ⁺アンチポーターのように、既に存在する別の化学勾配をエネルギー源とする場合もあります。イオンポンプの働きによって、細胞はプロトンのポンプ作用を介してpHを調節することができます。^{[ 67 ] [ 68 ]}

イオンポンプとは対照的に、イオンチャネルは化学勾配を形成するのではなく、仕事をしたり信号を送信したりするために化学勾配を消散させます。おそらく最もよく知られ、最もよく研​​究されている例は、ニューロンに沿って活動電位を伝導させる電圧依存性Na ⁺チャネルです。すべてのイオンポンプには、何らかのトリガーまたは「ゲーティング」メカニズムがあります。前の例では電気的バイアスでしたが、他のチャネルは分子アゴニストの結合または近くの別のタンパク質のコンフォメーション変化によって活性化されることがあります。^{[ 69 ]}

分子や粒子の中には、大きすぎたり親水性が高すぎたりして脂質二重層を通過できないものがあります。また、二重層を通過できる分子もありますが、チャネル型の輸送では非現実的なほど大量に迅速に輸送する必要があるため、このような輸送は現実的ではありません。どちらの場合も、これらの輸送物は小胞の融合または出芽によって細胞膜を横切って移動することができます。細胞内で小胞が生成され、細胞膜と融合して内容物を細胞外空間に放出する過程は、エキソサイトーシスと呼ばれます。逆の過程では、細胞膜の一部が内側にくぼみ、最終的に切り離されて細胞外液の一部を包み込み、細胞内に輸送します。エンドサイトーシスとエキソサイトーシスは、機能するために非常に異なる分子機構に依存していますが、この2つのプロセスは密接に関連しており、互いに欠かすことはできません。この相互依存性の主なメカニズムは、関与する脂質物質の量が多いことです。^{[ 70 ]}典型的な細胞では、細胞膜全体に相当する二重層の領域が、約30分でエンドサイトーシス/エキソサイトーシスサイクルを通過する。^{[ 71 ]}

原核生物におけるエキソサイトーシス：膜小胞エキソサイトーシス（一般に膜小胞輸送として知られる）は、ノーベル賞受賞（2013年）のプロセスであり、従来は真核細胞の特権と考えられてきた。^{[ 72 ]}しかし、グラム陰性微生物によって放出されるナノ小胞（一般に細菌外膜小胞として知られる）が、細菌シグナル分子を宿主細胞または標的細胞に輸送し^{[ 73 ]} 、宿主細胞への侵入^{[ 74 ]や微生物と環境の相互作用全般[ 75 ]}など、分泌微生物に有利な複数のプロセスを実行することが明らかになり、この神話は覆された。

電気穿孔法は、膜全体に大きな人工電場を印加することによって誘発される二重層の透過性の急速な増加です。実験的には、電気穿孔法は親水性分子を細胞内に導入するために使用されます。これは、疎水性の二重層コアを自然に拡散することはないDNAのような大きな高電荷分子にとって特に有用な技術です。 ^{[ 76 ]}このため、電気穿孔法は、トランスフェクションや細菌形質転換の主要な方法の1つです。落雷によって生じる電気穿孔法は、自然な水平遺伝子伝達のメカニズムである可能性さえ提案されています。^{[ 77 ]}