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磷脂雙分子層

细胞薄膜结构

磷脂雙分子層（phospholipid bilayer）又稱脂質雙分子層（lipid bilayer），簡稱磷脂雙層、脂雙層[1]，是兩層單分子磷脂「對排」形成雙分子厚度的「片層結構」。磷脂分子具雙親性（雙極性），以疏水性（非極性）烴鏈的尾端朝內，簇集於脂雙層的內側而相對排列；以親水性（極性）頭端朝外，面向外部包圍的極性環境。脂雙層構成了細胞各種膜（生物膜）的基本骨架。

流動的磷脂雙分子層的截面，由磷脂酰膽鹼組成。
三種常見的磷脂結構：脂質體、膠束和雙分子層

單位膜（unit membrane）則是由脂雙層及嵌合蛋白質構成的一層生物膜，為一切生物膜所具有共同的「基本單位」結構，而得名；單位膜構成了細胞膜及細胞內有膜細胞器的膜，在電鏡下其橫斷面呈現「暗—明—暗」三條平行的帶（內、中、外三層式結構），內、外兩層暗帶由蛋白質分子組成，中間一層明帶由雙層脂類分子組成。

所有細胞生物的細胞膜和許多病毒的包膜都具有磷脂雙分子層的結構，此外，核被膜和許多胞器（如內質網等）也具有磷脂雙分子層。 磷脂雙分子層在細胞中起屏障作用，使離子、蛋白質或其它物質保留在需要之處，阻止其擴散到其他地方，並阻止有害物質的進入。儘管厚度只有數納米[2]，磷脂雙分子層能有效發揮屏障作用。大多數水溶性分子都不能透過磷脂雙分子層。因此細胞可以通過離子泵在膜兩側轉運離子，進而調節離子濃度或pH。

自然中的生物膜通常會含有除磷脂外的其他分子。在動物細胞中，一個特別重要的例子就是膽固醇，能保持細胞膜的強度並減少其滲透性。膽固醇還能調節一些整合膜蛋白的活動。此外還有膜蛋白，參與許多細胞內和細胞間信號傳導。由於磷脂雙分子層非常脆弱且在傳統光學顯微鏡中難以看到，對其進行研究頗具挑戰；通常需要較為先進的技術，如電子顯微鏡和原子力顯微鏡。

組成與結構

磷脂雙分子層由具有「兩性」（雙親性、雙極性）的磷脂組成。磷脂分子具有親水性的磷酸酯頭部和由兩個鏈狀脂肪酸組成的疏水性尾部。頭部具有某些特定基團的磷脂可以改變雙分子層表面的化學性質，並且具有特殊功能——例如信息傳遞或固定細胞膜中的其他分子[3]。與頭部類似，尾部的脂肪酸也能影響膜的性質，例如影響雙分子層的物相。雙分子層在較低溫度下為固體凝膠狀態，而在溫度升高後會變為液態。脂肪酸的化學性質影響該相變發生的溫度。脂質之間排列的緊密程度也影響其機械性能，例如抗拉伸性和彎曲性。現在已經能通過在實驗室中人工製造磷脂雙分子層模型來研究這些性質。由雙分子層構成的囊泡也已在臨床上用於傳送藥物分子。

磷脂置於水中時，會自動形成雙分子層結構，疏水性烴基尾部位於內側，因此雙分子層「脂雙層」由兩個相對的「脂單層」組成。雙分子層的中間幾乎沒有水，也不含溶於水中的糖類或離子。雙分子層的形成由疏水效應驅動——疏水溶質進入水中會阻礙水分子間的相互作用，而疏水分子聚集後，水分子彼此能更自由地結合，自由、無序的水分子增加，進而系統的熵增加。這一複雜的過程主要涉及非共價作用力，例如范德華力和氫鍵。

 
磷脂雙分子層的橫截面示意圖。有三個不同的區域：完全水合的頭部基團、完全疏水的烴基和部分水合的短中間區域。頭部基團雖然是中性的，但它們具有較強的的偶極矩，能夠影響分子排列。[4]

截面

與其面積大小相比，磷脂雙分子層非常薄。 如果一個典型的哺乳動物細胞（直徑約10微米）被放大到西瓜的大小（約30厘米），則構成細胞膜的磷脂雙分子層的厚度將僅僅與一張辦公用紙相近。 儘管只有幾納米厚，但磷脂雙分子層的橫截面由幾個不同的化學區域組成。在過去的幾十年中，這些區域及其與周圍水分子的不同相互作用已經通過X射線反射法[5]、中子散射法[6]和核磁共振法分辨被研究。

雙分子層兩側的第一個區域是親水性頭部。該部分完全水合，通常約0.8-0.9nm厚。磷酸基團位於該水合區域內，在疏水性核心向外約0.5nm[7]。在某些情況下，水合區域可以進一步延伸，例如，磷酸酯頭部附有大分子蛋白質或長鏈糖類時。一個常見的例子是細菌外層膜（outer membrane，在細胞膜之外）上的脂多糖層[8]，有助於在細菌周圍保留水層以防止脫水。

 
由透射電子顯微鏡拍攝的枯草桿菌。外部毛茸茸的外觀是由於附着在細胞膜上的長鏈糖層，能捕獲水分，防止細菌脫水。

水合區域內側是僅部分水合的中間區域。該邊界層的厚度約為0.3nm。在這個較短的距離內，水的濃度從水合側的2M下降到疏水側的幾乎為零[9][10]。中央疏水層通常為3-4nm厚，也會因鏈長和化學性質而有所變化[11]。疏水層厚度同時會隨溫度而顯著變化，尤其是在相變溫度附近[12]。

不對稱性

對於許多天然存在的磷脂雙分子層，兩個脂單層的組成是不同的。在人類紅細胞中，內側的脂單層主要由磷脂酰乙醇胺、磷脂酰絲氨酸和磷脂酰肌醇及其磷酸化衍生物組成，外側的脂單層由磷脂酰膽鹼，鞘磷脂和各種糖脂[13][14]。 在某些情況下，這種不對稱性基於脂質在細胞中的形成位置，並反映它們的初始方向 [15]。雙分子層不對稱的生物學功能尚未為人完全所知，但現在已經清楚的的是，其主要用於幾種不同的情況。 例如，當細胞凋亡時，通常會位於內側脂單層的磷脂酰絲氨酸被轉移到外側，並被巨噬細胞識別，然後巨噬細胞主動清除凋亡的細胞。

雙分子層的不對稱性至少部分地來源於其形成的方式——大多數磷脂被合成時最初置入內側單層，而構成外側單層的通過翻轉酶從內單層轉運而來[16][17]；其他脂質，例如鞘磷脂，則是直接在外側單層合成的。翻轉酶是脂質轉運分子的一種，其中還包括向相反方向轉移脂質的翻轉酶和能使兩側的脂質分布隨機化（凋亡細胞會發生這樣的過程）的磷脂混雜酶。不對稱性一旦建立，通常不會在短暫時間內消失，因為脂單層間脂質的自發相互轉移極其緩慢[18]。

現已可以在實驗室中的人造雙分子層系統中模擬這種不對稱性。某些非常小的人工囊泡會自動產生略微的不對稱性，但產生這種不對稱性的機制與細胞中的非常不同[19]。通過在Langmuir-Blodgett沉積法中使用兩種不同的單層[20]或用Langmuir-Blodgett和囊泡破裂沉積的組合[21]也可以合成不對稱的平面雙層。隨着時間的推移，這種不對稱性可能會消失，因為固定面支撐的雙分子層（SLB）中的脂質可能易於發生單層間相互轉移[22]。

物相和相變

 
上圖顯示帶有不飽和鍵對雙分子層的影響。具有不飽和烴基尾部（藍色）的脂質破壞僅具有飽和尾部（黑色）的脂質的緊密排列，得到的雙分子層具有更多的自由空間，因此對水和其他小分子滲透性更強。

在給定溫度下，脂質雙層可以以液體或凝膠（固體）相存在。所有脂質都具有一特徵溫度，在該溫度下它們從凝膠相轉變為液相。在這兩個相中，脂質分子都難以在兩個單層間相互轉移，但是在液相雙層中，特定的脂質將與同一單層內其它脂質分子交換位置，頻率會高達每秒數百萬次。這種隨機的交換會使脂質擴散並因此在膜表面上轉移[23]。與液相不同，凝膠相中的脂質具有較低的遷移率。

脂質雙分子層的狀態主要由相鄰脂質分子之間吸引的范德華力的強度決定。較長的烴基具有更多的相互作用區域，相互作用更強，則脂質的流動性更低。因此，在一定溫度下，短尾脂質將比其他條件相同的長尾脂質流動性更強[11]。相變溫度也受烴基不飽和度的影響。不飽和的雙鍵可在烷烴之間產生扭結的鏈，破壞脂質分子的緊密排列，產生額外的空間，增加相鄰分子間的靈活性[11]。這種效應在日常生活中的一個例子是，含有大量飽和脂肪的黃油在室溫下是固體，而主要是不飽和的植物油是液體。

大多數天然的生物膜是不同種類脂質分子的複雜混合物。如果某些組分在給定溫度下是液體，而其他一些組分處於凝膠相，則這兩個相可以各自處於分離區域中，彼此共存——有些像漂浮在海洋中的冰山。這在生理過程中發揮着關鍵作用，因為蛋白質等膜組分可以單獨處於一個或另一個相[24]，從而局部濃縮或活化。許多混合相生物膜的一個特別重要的組分是膽固醇，其能調節雙分子層的滲透性、機械強度和生化反應。

表面化學

脂質尾部的烴基主要調節雙分子層的相態，而頭部基團決定其表面化學性質。自然中大多數雙分子層主要由磷脂組成，但鞘脂和膽固醇之類的甾醇通常也是重要的組分[25]。在磷脂中，最常見的頭基種類是磷脂酰膽鹼（PC），占大多數哺乳動物細胞中磷脂的約一半。磷脂酰膽鹼的頭基是兩性離子——其磷酸基團帶負電荷，而胺基上帶正電荷。但這些局部電荷保持平衡，因而整體不帶電荷。

其他頭部基團包括磷脂酰絲氨酸（PS）磷脂酰乙醇胺（PE）和磷脂酰甘油（PG）。這些頭部基團通常使雙分子層具有一些特定生物學功能，例如，在細胞膜外側存在磷脂酰絲氨酸是紅血球細胞凋亡的標誌[26]，而骺板處的磷脂酰絲氨酸則對羥磷灰石晶體的成核和隨後的骨礦化很有必要[27][28]。與磷脂酰膽鹼不同，一些其他頭基帶有淨電荷，能改變雙分子層與其他小分子間的靜電相互作用[29]。

生物學作用

分隔作用

磷脂雙分子層在生物體中最主要的作用是將一部分水溶液與其周圍環境分隔開。如果沒有能分隔「自身」與「異己」的屏障，甚至有機體和生命的概念都很難定義。目前已知的所有生命形式都以磷脂雙分子層作為其與外界的屏障，除了細胞膜為脂單層的少數古細菌外。甚至有理論認為，最初的生命形式可能是一種簡單的脂質囊泡，其唯一的生物合成是產生更多的磷脂[30]。磷脂雙分子層有分隔能力，是因為親水性分子難以穿過具有疏水性的中心部分（參見下文穿膜運輸部分）。細胞核、線粒體和葉綠體都有兩層磷脂雙分子層，而其他一些亞細胞結構（例如液泡、內質網、高爾基體和溶酶體）則由單層包圍[31]。（詳見細胞器）

原核生物一般只有一個磷脂雙分子層——細胞膜（也稱為質膜）。許多原核生物也具有細胞壁，但細胞壁是由蛋白質或碳水化合物組成。相比之下，真核生物具有多種細胞器，包括線粒體、溶酶體和內質網。所有這些亞細胞結構都被一個或多個磷脂雙分子層包圍。因此，一般情況下，這些細胞內部的亞細胞結構才構成了細胞大多數的磷脂雙分子層，而非外部的細胞膜。例如，在肝細胞中，細胞膜僅占細胞總磷脂雙分子層面積的2％，而線粒體30％，內質網超過50％[32]。

 
G蛋白偶聯受體（GPCR）的示意圖。外側的結構域（藍色）與激素分子結合，使GPCR改變構象並催化內部結構域（紅色）上的化學反應。灰色區域指周圍的磷脂雙分子層。

訊息傳遞

突觸傳遞可能是最廣為人知的細胞信號傳導形式，神經衝動到達一個神經元末端後，通過神經遞質的釋放傳遞給相鄰的神經元。這種信息傳導依賴能夠運載神經遞質的突觸小泡。這些囊泡與突觸前膜（實為第一個神經元的細胞膜）融合，並將其內容物釋放到突觸間隙，然後通過擴散到達突觸後膜。然而，到達突觸後膜後，神經遞質也要依靠細胞膜的信息傳遞功能來發揮作用。

磷脂雙分子層依靠附着其上的膜蛋白而參與信息傳遞。膜蛋白是一類非常廣泛且重要的生物分子——據估計，人類蛋白質組中可能有多達三分之一的膜蛋白[33]。這些蛋白質中，一些附在細胞膜的表面，例如CD59蛋白，它使細胞被識別為「自身」，從而防止其被免疫系統破壞。HIV能逃避人的免疫系統，部分是依靠從宿主細胞膜中轉移這類蛋白質到其自身表面[32]；此外，還有一些膜蛋白貫穿雙分子層，並用於將信息從一側傳遞到另一側。這類蛋白質中最常見的是G蛋白偶聯受體（GPCR）。細胞與外界信息交流的功能很多都依靠GPCR。由於這一重要作用，大約40％的現代藥物都是針對GPCR的[34]。

除由蛋白質或溶液介導外，磷脂雙分子層還可能直接參與信息傳遞。一個典型的例子是磷脂酰絲氨酸觸發的吞噬作用。通常，磷脂酰絲氨酸在細胞膜中不對稱分布，僅存在於內側。在細胞凋亡期間，磷脂混雜酶使其分布平均，因此在細胞膜外側也出現磷脂酰絲氨酸。然後磷脂酰絲氨酸在外側的存在引發吞噬作用，以清除衰老或死亡的細胞。

研究方法

 
通過熒光顯微鏡觀察的人類紅細胞。細胞膜已被熒光染料染色。比例尺為20μm。
 
囊泡的透射電子顯微鏡（TEM）圖像。邊緣的兩條暗帶是兩個脂單層。類似的圖像曾經證實了細胞膜具有雙層脂質結構。

磷脂雙分子層是一種非常難以研究的結構，因為它非常薄且易碎。儘管存在這些限制，在過去幾十年中已經開發了許多技術以對其結構和功能進行研究。

電測量是一個簡單電測量是研究磷脂雙分子層一個重要功能的直接方式——分隔並阻止溶液中的離子自由流動。通過在雙分子層上施加電壓並測量所得電流，可以得到雙層的電阻。這種電阻通常非常高(108 Ω/cm2 或更多) [35]，因為疏水核心對帶電的離子是不可滲透的。即使是幾納米大小的孔也會導致電流急劇增加[36]。這種測量方法的靈敏度較高，甚至可以分辨出單個離子通道的活動[37]。

電測量不能提供像顯微鏡成像那樣的實際圖像。因為太薄，傳統顯微鏡無法觀察到雙分子層。為了對其進行觀察，研究人員經常使用熒光顯微鏡，用特定波長的光照射樣品，並觀察樣品發出的更長波長的光。自然狀態下磷脂雙分子層沒有熒光性，須用能附着在雙分子層中分子上的熒光染料。熒光顯微鏡的分辨率通常限於幾百納米，比典型的細胞小得多，但仍遠大於脂質雙層的厚度。

 
3D化的原子力顯微鏡（AFM）圖像，顯示支撐磷脂雙層中形成的跨膜孔洞[38]。
 
支撐磷脂雙層的AFM圖像。凹坑是雙層中的缺陷，暴露出襯底的光滑表面。

電子顯微鏡能提供更高分辨率的圖像。在電子顯微鏡中，電子束「照射」樣品，而不是傳統顯微鏡中的光束，因而有更高的分辨率。結合快速冷凍技術，電子顯微鏡也被用於研究細胞間和細胞內物質運輸的機制，例如證明突觸中神經遞質釋放的方式是胞吐。[39]

31P-NMR（核磁共振）譜也被廣泛用於自然條件下磷脂雙分子層和生物膜的研究。[40]對31P-NMR譜的分析可以提供關於磷脂雙分子層的很多信息，包括分子組成、相變（凝膠相、液晶相、波紋相，非雙層相）、頭部基團的結構取向，以及彈性（彈性既來源於雙分子層本身，也依靠附着其上的蛋白質或其他分子）。

一種研究磷脂雙分子層的新方法是原子力顯微鏡（AFM）。AFM不使用光束或粒子束，而是用一個非常小的探針尖端與樣品物理接觸並在其上移動來掃描表面（類似於唱片機針）。AFM是一種很有前途的技術，因為其有可能在室溫下甚至在水或緩衝溶液（自然條件下雙分子層正常工作所需的條件）條件下以納米級分辨率成像。利用這種功能，AFM已被用於檢查動態雙層行為，包括跨膜孔洞的形成[38]和支撐磷脂雙層的相變[41]。另一個優點是，由於探針尖端與樣品直接機械相互作用，AFM不需要熒光染料或同位素標記。因此，可以同時對脂質和相關蛋白質進行成像，甚至能達到單分子分辨率[42]。AFM還可以探測脂雙層膜的機械性質[43]。

磷脂雙分子層表現出高水平的雙折射，其中水平方向與垂直方向上的折射率差達到0.1。這已被用於使用雙極化干涉測量法來研究磷脂雙分子層的有序或無序程度，並理解蛋白質的作用機制。

磷脂雙分子層是具有許多自由度的複雜分子系統。因此，對其從分子上進行模擬，特別是對其性質從頭計算將是十分困難的並且成本昂貴。最近，已經成功進行估計雙分子層偶極和四極矩的量子計算[44]。

跨雙層運輸

自由擴散

大多數極性分子在磷脂雙分子層由烴基組成的中心部分具有較低的溶解度，因此極性分子對於整個雙分子層的滲透係數較低。這種效應對於帶電離子尤其明顯，帶電離子的滲透係數甚至低於中性極性分子[45]。 陰離子通常具有比陽離子更高的擴散速率[46][47]。與離子相比，水分子的滲透性實際上較強，滲透現象能證明這一點：當將具有較低水含量（較高滲透壓）的細胞或囊泡置於具有較高水含量（較低濃度）的溶液中時，細胞將膨脹並最終破裂。除非水能夠相對容易地通過雙分子層，否則將不會觀察到這樣的結果。磷脂雙分子層對於水異常大的滲透性仍未被完全理解，並且仍然有很多爭議[48]。較小且不帶電荷的非極性分子能通過自由擴散通過雙分子層，速度比離子或水快多個數量級。這適用於脂肪和氯仿、乙醚之類的有機溶劑。對於極性和非極性物質，較大的分子的擴散速率都比小分子更慢[49]。

 
鉀離子通道的結構。圖中的α螺旋穿透磷脂雙分子層（紅色和藍色線表示其邊界），形成一個孔，通過該孔洞運輸鉀離子。

離子泵和離子通道

為了跨膜運輸難以滲透的離子，磷脂雙分子層上有兩種的蛋白質——離子泵和離子通道。這兩類蛋白質都是跨過雙分子層的整合性膜蛋白，但它們的功能有所區別。離子泵能利用外部能量逆濃度梯度（運輸到化學勢更高的一側）運輸離子，以構建或維持濃度梯度或電位梯度。能量來源可以是ATP（例如鈉鉀泵），或是已經存在的另一種濃度梯度，如鈉鈣交換蛋白（NCX），利用鈉離子順濃度梯度運輸的能量逆濃度梯度運輸鈣離子。通過離子泵的作用，細胞能運輸質子以調節pH。

與離子泵相比，離子通道不能產生濃度梯度，而只能使離子順濃度梯度運輸，減小濃度梯度。常見的例子是鈉離子通道，對於神經元上動作電位的產生十分重要。所有離子通道都有某種觸發機制，可能是因電壓變化而激活 ，也可以通過結合配體或通過另一種附近蛋白質的構象變化來激活[50]。

 
胞吞作用的示意圖。

胞吞和胞吐

參見：胞吞和胞吐

如果遇到分子或其他顆粒太大或親水性太強而不能通過雙分子層，或分子可以通過雙分子層，但必須快速大量運輸，以至於離子通道不能滿足需求的情況，這些物質可以通過囊泡的融合或形成通過雙分子層。當在細胞內產生囊泡並與細胞膜融合，以將其內容物釋放到細胞外部時，該過程稱為胞吐；與之相反，細胞膜的一個區域內凹陷並最終斷開，形成囊泡，包含部分細胞外液並將其輸送到細胞中，這一過程稱為胞吞。胞吞和胞吐作用依賴的分子機制不同，但這兩個過程又密切相關，不能分離。不能分離的原因在於生物膜的脂質含量需要維持相對恆定，才能正常發揮作用[51]。 在一個典型的細胞中，每大約半小時，胞吞、胞吐形成的囊泡總表面積就與整個細胞膜相當[52]。因此，如果這兩個過程沒有相互平衡，那麼細胞將向外膨脹至無法正常發揮作用的大小，或在幾分鐘內耗盡其細胞膜。

 
外膜囊泡（圖中MV）以胞吐方式從人類沙門氏菌的周質空間（p）釋放出來，對接在雞迴腸巨噬細胞（M）的細胞膜上。該囊泡將用於微生物和宿主細胞的信息傳遞。

原核生物中的胞吐作用：囊泡運輸系統因2013年諾貝爾獎而廣為人知。囊泡運輸傳統上被認為是真核細胞的特權[53]，而現在，這一論斷已經被打破，因為現已發現革蘭氏陰性菌能釋放外膜囊泡將細菌信號分子轉移到宿主或靶細胞上[54]，以實現某些功能，例如入侵宿主細胞[55]或微生物 - 環境相互作用[56]。

電穿孔

更多資訊：基因電轉移

電穿孔是通過在膜上施加較大的人工電場，使磷脂雙分子層的滲透性迅速增加。在實驗中，這一技術常被用於將親水性分子導入細胞中。此外，對於較大又帶較多電荷的分子（如DNA），電穿孔技術也非常有用，因為一般情況下這樣的分子基本上不可能擴散穿過雙分子層[57]。因此，電穿孔是轉染和細菌轉化的關鍵方法之一。甚至有理論認為，雷擊引起的電穿孔可能是自然條件下基因轉移的機制[58]。

滲透率的這種增加主要影響離子和其他水合物質的運輸，這表明該現象的機制是在膜中產生納米尺度的充水孔。儘管電穿孔和電擊穿都是由施加電場引起的，但所涉及的機理基是本質不同的。在電擊穿中，電介質被電離，形成導電通路。因此，材料發生化學變化。相反，在電穿孔中，脂質分子沒有發生化學變化，而只是改變位置產生孔洞，填充孔洞的水成為雙分子層的導電通路。

機械性能

 
示意圖顯示了孔隙邊緣脂質的兩種可能構象。在頂部圖像中，脂質沒有重排，因此孔壁是疏水的；在底部圖像中，一些脂質已經傾斜，因此孔壁是親水的。

磷脂雙分子層有足夠大的結構，具有液體或固體的一些機械性質。可以用面積拉伸模量Ka、彎曲模量Kb、臨界能量 來描述其力學性質。固相的磷脂雙分子層也具有剪切模量，而液相時其剪切模量為零。這些機械性能影響膜的功能。例如，Ka和Kb影響蛋白質和小分子插入雙分子層的能力[59][60]。此外，機械性能也已被證明可以改變離子通道的功能[61]。機械性能也決定了細胞在沒有撕裂的情況下可以承受的應力。儘管磷脂雙分子層很容易彎曲，但大多數不能拉伸超過百分之幾，否則會撕裂[62]。

正如在組成與結構部分中所討論的，烴基尾部在水中的疏水性吸引力是將脂質雙層保持在一起的主要力。因此，雙分子層的彈性模量主要取決於當雙分子層被拉伸時，有多少區域暴露於水中[63]。因此就不難理解Ka隨滲透壓變化較大[64]，而與烴基長度或不飽和度關係較小[11]的實驗結果。因為所涉及的力很小，難以通過實驗確定Ka。大多數實驗需要複雜的顯微鏡和非常靈敏的測量設備[43][65]。

拉伸模量 Ka 衡量拉伸雙分子層所需的能量，而彎曲模量Kb衡量彎曲雙分子層所需的能量。彎曲模量衡量使膜從其固有曲率變形到另一曲率所需的能量。固有曲率由構成雙分子層分子頭部基團的直徑與尾部基團的直徑的比例決定——對於頭部基團為磷脂酰膽鹼，有兩個烴基的磷脂分子，該比值接近1，因此固有曲率幾乎為零（層狀結構）。如果一種脂質的固有曲率與零相差較大，則該種脂質難以形成層狀結構，而是形成其他相，例如膠束或反膠束。在富含半乳糖脂的類囊體薄膜中添加較小的親水性分子（如蔗糖），會打破雙分子層的穩定性，變為膠束相[66]。一般情況下 Kb 並非由實驗測定，而是由 Ka 和雙分子層厚度計算得到。

 衡量破壞雙層，使之形成孔洞或暴露的邊緣所需的能量。形成孔洞或邊緣會使部分脂質暴露於水中，更不穩定，因而這一過程需要消耗能量。然而，邊緣處脂質的確切方向是未知的，如圖所示。有證據表明，疏水性和親水性孔隙（見圖）可以共存[67]。

融合

 
囊泡融合可能的兩種結果：半融合和全融合。半融合時只有外側的脂單層混合，而全融合時，整個雙分子層融合，其內容物都混合在一起。

融合是兩個磷脂雙分子層合併，形成連接結構的過程。兩個脂單層都合併為全融合。如果原本雙分子層形成了囊泡，則其包含的溶液也會混合；只有一個脂單層融合則稱為半融合。許多生理過程都依賴雙分子層的融合，特別是在真核生物中，因為真核細胞包含多種膜結構。胞吐、精卵結合或溶酶體的消化作用依靠雙分子層的融合。甚至部分病原體侵入細胞也依靠融合，例如許多包膜病毒。

融合過程有四個基本步驟[68]。首先，兩個雙分子層必須彼此接近，到距離僅為幾納米。之後，將要融合的部位更加緊密地接觸（距離在幾埃之內）。為了實現這種緊密接觸，兩個表面必須至少部分脫水，因為表面結合的水導致雙層之間強烈排斥。離子，尤其是二價陽離子（如Mg2+和Ca2+）對該過程有較大影響[69][70]。鈣離子在生物體內的關鍵作用之一就是調節膜融合。第三，兩個雙分子層之間的某一點形成不穩定，局部扭曲的結構。這種扭曲結構的具體性質尚不明確。一種理論認為雙分子層中必須形成高度彎曲的通道才能融合[71]。該理論的支持者認為，這種理論能解釋磷脂酰乙醇胺（一種高度彎曲的脂質）能促進融合的原因[72]。最後，融合的區域不斷擴大，最終完成融合。

 
通過形成通道來實現融合的過程示意圖。
 
上圖展示 SNARE 蛋白在胞吐中定位囊泡的作用。囊泡和靶向細胞膜上的蛋白質結合併互相纏繞，並兩個雙分子層拉近，起到定位效果[73]。

真實生物體內磷脂雙分子層的融合更加複雜，因為生物膜融合幾乎都受到相關蛋白質的調節。例如病毒融合蛋白，其允許包膜病毒（由磷脂雙分子層包圍的病毒；一般病毒僅具有蛋白質外殼）將其衣殼和基因組插入宿主細胞中。真核細胞也具有融合蛋白，其中包括目前已被深入研究的SNARE蛋白。SNARE蛋白用於調節囊泡在細胞內的運輸。儘管經過多年的研究，關於這類蛋白質的功能還有很多未知之初。即使是SNARE蛋白，對於其發揮作用的階段是兩層膜的早期對接，還是隨後的半融合階段依然存在爭議[74]。

在分子和細胞生物學的研究中，通常需要人工誘導膜融合。其中一種方法是加入聚乙二醇（PEG）誘導融合。這種方法被廣泛使用，例如用於將B淋巴細胞與骨髓瘤細胞融合[75]，形成具有B細胞合成抗體功能，又具有腫瘤細胞無限增殖特性的雜交瘤細胞；此外，用電激法也可以誘導融合。這種方法的原理就是上文提到的電穿孔現象。電穿孔會在雙分子層上形成有活性邊緣的孔洞，可以在兩個雙層之間形成通道[76]。

人造雙分子層

天然生物膜難以分離與純化，因此實驗中常使用人造的磷脂雙分子層。此外，人造雙分子層還被用於合成生物學，作為人造細胞的膜。人造雙分子層分為很多種，有的由人工合成，也有的由天然脂質製成。在實驗中它們各有優點和缺點。最常見的人造雙分子層系統包括：

  • 支撐磷脂雙層（SLB）
  • 錨定磷脂雙層（t-BLM）
  • 囊泡
  • 液滴界面雙層（DIBs）

應用

迄今為止，磷脂雙分子層最成功的應用是將脂質體（脂質體實質上與 囊泡同義，但脂質體僅指人工而非天然囊泡）用於藥物傳遞，尤其是用於癌症治療。脂質體用於傳遞藥物的基本操作是將藥物（通常為溶液）包裹於脂質體內，然後注射到患者體內。這些裝載藥物的脂質體能在體內運輸而保持穩定，直到與靶向位點結合併釋放藥物。理論上，脂質體能成為理想的藥物傳遞載體，因其可以分離幾乎任何親水性藥物，且可以連接其他分子（如糖蛋白）以靶向特定組織或細胞，此外，生物體具有降解脂質的能力，因此脂質體是相對無毒的。[77]

最初的用於藥物傳遞的脂質體僅由簡單的脂質組成，具有若干局限性——由於被腎臟清除或被免疫細胞吞噬，能夠在血流中循環的脂質體非常有限。通過調節脂質組成來改變脂質體的流動性、表面電荷密度和表面水合性質能使其從血清中吸附較少的蛋白質，因此不易被免疫系統識別[78]。該領域最重要的進展是將聚乙二醇（PEG）接到脂質體表面，以產生「隱形」脂質體，其長時間循環而沒有被免疫系統或腎臟清除[79]。

「隱形」脂質體的最初應用是靶向腫瘤組織。因為腫瘤誘導快速和不受控制的血管生成，所以其使得脂質體以比正常組織高得多的速率離開血流[80]。目前已進行將抗體或其它分子標記到脂質體表面，使其與特定的細胞或組織結合的研究[81]，一些實例已經進入臨床實驗階段[82]。

磷脂雙分子層的另一個潛在應用是生物傳感器領域。磷脂雙分子層依靠其上的其他分子承擔許多信號轉導功能。多年來，研究人員一直試圖利用這種潛力開發出一種能用於例如臨床診斷或生物恐怖主義檢測等情況的設備。該領域目前進展緩慢，儘管已有少數公司已開發出基於雙分子層的自動檢測系統，但這些設備的受眾仍然局限於研究領域，而非日常生活。其中包括 Biacore（現為GE Healthcare Life Sciences），該公司提供一種一次性芯片，能夠用於結合動力學研究中[83]；此外，Nanion Inc. 開發了一種自動膜片鉗（英語：Automated patch clamp）系統[84]。 其他更奇特的應用也在試驗中，例如使用磷脂雙分子層孔用於DNA測序。迄今為止，該技術尚未證明具有商業可行性。

用支撐磷脂雙層（SLB）測量藥物滲透性的方法——平行人工膜滲透模型（PAMPA）技術也已經獲得了商業應用。該技術使用一種混合脂質構成的膜來測量藥物滲透性。通過調整不同的脂質組成，PAMPA技術可以實現多個模型，包括Caco-2細胞模型[85][86]、胃腸道模型[87]、血腦屏障模型[88]和皮膚模型[89]。

歷史

在二十世紀初，科學家開始相信細胞周圍存在薄的油性屏障[90]， 但對這種膜的結構性質尚不清楚。1925年的兩次實驗奠定了對這一「屏障」研究的基礎：通過測量紅細胞溶液的電容，雨果·弗里克（Hugo Fricke）確定細胞周圍膜的厚度約為3.3納米[91]。

儘管該實驗的結果是準確的，但弗里克認為細胞膜是單個分子層。萊頓大學的兩名荷蘭科學家高特（E. Gorter, 1881–1954）[92]和格蘭戴爾（F. Grendel）從另一個角度解決了這一問題：他們提取紅細胞中的脂質（紅細胞沒有細胞器，因此所有脂質都來自於細胞膜），並形成Langmuir-Blodgett膜（單分子厚度）。數據表明該單分子膜的表面積與細胞膜面積的比例為2:1[93]。 後來的研究表明，這個實驗實際上有一些錯誤，實驗基於的假設也不盡正確。但是，也許是偶然的原因，這些錯誤沒有在實驗結果中顯現出來，而從這個實際上有缺陷的數據中，Gorter和Grendel得出了正確的結論——細胞膜是雙層膜[68]。

這一理論直到20世紀50年代後期才通過電子顯微鏡觀察得到了證實，研究者羅伯特森（J.D.Robertson）沒有發表這一世界上首次對磷脂雙分子層的電子顯微鏡研究[94]。電子顯微鏡圖片中的細胞膜出現暗-亮-暗結構（見「研究方法」部分中囊泡的圖片），羅伯特森認為，兩個較暗的電子密集帶是兩個相對的脂單層的頭部基團和蛋白質[95][96]。這一理論被稱為單位膜模型，是第一個試圖統一細胞膜和其它生物膜結構的理論。

大約在同一時間，人造雙分子層的發展證實完全由脂質構成的雙分子層也是一種穩定的結構，可以獨立於蛋白質而存在。Paul Mueller 和 Donald O. Rudin 通過在疏水性材料上做出小孔，之後向小孔注射磷脂在有機溶劑中的溶液，製作出了人造雙分子層。實驗表明，該人造雙分子層表現出橫向流動性。高電阻和對穿刺的自我修復能力[97]，而這些同時也是天然生物膜的性質。數年後，亞力克·邦漢姆（Alec Bangham）發現，脂質體（空心球狀的磷脂雙分子層）可以簡單地通過將乾燥的脂質置于于水中而形成[98]。這是一個重要的發現，因為其證明磷脂雙分子層可以通過自組裝自發形成，而不需要經由外部力量有意識的組裝而成。這一過程可能與最初生命的形成有關。

參見

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外部連結

 
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