細(xì)胞脂滴的物理結(jié)構(gòu)及影響其穩(wěn)定的因素

張來福 尹云厚

【摘? ?要】 脂滴是儲存中性脂質(zhì)的細(xì)胞器，對能量代謝至關(guān)重要，它們廣泛存在于存在于動物、植物、真菌，甚至細(xì)菌中。脂滴是油包水乳液在細(xì)胞水溶液中的分散相，乳液的基本生物物理原理對于脂滴生物學(xué)的重要性正在被人們所重視。由于其存在于分散油相和水胞質(zhì)之間的獨特結(jié)構(gòu)，其形成，生長和收縮的具體機制尤為復(fù)雜，這種機制使細(xì)胞能夠在代謝能量或膜合成需求發(fā)生變化時使用乳化油，有利于為細(xì)胞新陳代謝提供更有利的途徑。此外，脂滴表面的磷脂作為表面活性劑組成的調(diào)控對脂滴的穩(wěn)態(tài)? 和表面蛋白靶向至關(guān)重要。在這里，我們回顧脂滴的乳液結(jié)構(gòu)及其在細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)定的機制，并簡述這一新興領(lǐng)域的最新發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】 脂滴;結(jié)構(gòu);穩(wěn)定;乳液

長期以來，脂滴（LDs）被認(rèn)為是惰性脂肪顆粒，但在很大程度上被細(xì)胞生物學(xué)家所忽視[1]。然而，最近，脂滴被越來越多地認(rèn)為是代表細(xì)胞生物學(xué)前沿的動態(tài)細(xì)胞器[2]。這些普遍存在的細(xì)胞器存在于大多數(shù)真核細(xì)胞中，每個由磷脂單層圍繞一個核心的中性脂質(zhì)，如甾醇酯或甘油三酯。許多蛋白質(zhì)修飾它們的表面，其中許多在生物學(xué)中起著功能作用。因此，脂滴在結(jié)構(gòu)上與血漿脂蛋白相似，血漿脂蛋白由細(xì)胞分泌，通過水循環(huán)將脂質(zhì)輸送到身體的不同區(qū)域[3]。我們剛剛開始了解脂滴生物發(fā)生、分解代謝和細(xì)胞功能活動的基本方面，脂滴細(xì)胞生物學(xué)知識的增加對人類健康和生物燃料領(lǐng)域的應(yīng)用科學(xué)具有重要的作用[4]。

1? 脂滴基本結(jié)構(gòu)

乳狀液是兩種不混溶的流體的混合物：一種流體以液滴的形式分散在另一種流體中[5]。乳液的實例包括直接乳液（如水中的油滴）或反相乳液（如油中的水滴）。細(xì)胞質(zhì)中的脂滴提供了大多數(shù)細(xì)胞常見的直接乳液的生物學(xué)實例。細(xì)胞溶膠代表連續(xù)的水相，而分散的油相即脂滴包括中性脂質(zhì)，如三酰甘油、甾醇酯、視黃醇酯、蠟或醚類脂質(zhì)等，這取決于細(xì)胞類型和它們存儲的中性脂質(zhì)類型[6]。

細(xì)胞通過酯化潛在有毒的脂質(zhì)以形成更惰性的中性脂質(zhì)（如三酰甘油或甾醇酯），來處理過量的脂質(zhì)，如脂肪酸（它可以作為洗滌劑）[7]。這些油的形成發(fā)生在雙層膜內(nèi)，然而，由于雙層膜不適合儲存大量的油，因此這些油在細(xì)胞質(zhì)中形成了油滴狀的流體[8]。特異性蛋白可作用于細(xì)胞質(zhì)脂滴以調(diào)節(jié)其生長或利用，近年來，學(xué)術(shù)界逐漸認(rèn)識到細(xì)胞已經(jīng)進(jìn)化出一種機制，以有組織和規(guī)范的方式產(chǎn)生和利用脂滴-細(xì)胞溶膠乳液。因此，乳劑科學(xué)中的概念與了解脂滴細(xì)胞生物學(xué)密切相關(guān)。然而，這一模式還沒有很好地融入到脂滴生物學(xué)領(lǐng)域[9]。

為了產(chǎn)生穩(wěn)定的乳狀液，需要表面活性劑如磷脂。人工生成的乳液通常由表面活性劑形成，這些表面活性劑可溶于連續(xù)相但不可溶分散相，與Bancroft規(guī)則一致（其表明乳化劑可溶于連續(xù)相）[10]。當(dāng)表面活性劑的濃度超過其臨界膠束濃度時，形成的膠束提供表面活性劑儲庫以緩沖乳液液滴的表面積波動并因此增加其穩(wěn)定性[11]。對于細(xì)胞脂滴，表面單分子層的磷脂是主要的表面活性劑。與人工乳劑中使用的其他表面活性劑不同，磷脂既不溶于細(xì)胞質(zhì)水相，也不溶于油相[12]。因此，雙層膜（如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜）而不是膠束被用作細(xì)胞的磷脂儲集層。有趣的是，ER雙層和脂滴單層磷脂組成不同。具體來說，脂滴單層膜通常比ER膜含有更多的磷脂酰膽堿，而游離膽固醇和鞘磷脂較少[13]。

導(dǎo)致ER和脂滴組成差異的機制尚不清楚，但可能對了解脂滴的生物物理性質(zhì)有重要意義[14]。這種脂質(zhì)分類的一種可能性是，脂質(zhì)組成不同的ER區(qū)域?qū)ｉT用于脂滴的形成[15]。這些結(jié)構(gòu)域可以通過在新生脂滴的位置自發(fā)地對表面脂質(zhì)進(jìn)行分類產(chǎn)生，也可以通過特定的蛋白質(zhì)介導(dǎo)形成[16]。由于脂滴的表面組成有很大的差異，這種差異的功能意義尤其引人注目。例如，在脂滴生長或收縮過程中，其表面積和磷脂表面活性劑的用量都發(fā)生了顯著的變化[17]。此外，在這些過程中，代謝反應(yīng)的中間產(chǎn)物，如未酯化的甾醇、二酰基甘油（DAG）或脂肪酸，可能積聚在脂滴表面[18]。在這些表面，它們起著稀釋劑的作用，通過增加磷脂的擴散，從而導(dǎo)致這些油滴更均勻分布在單層磷脂，降低表面張力（γ），這些動態(tài)的界面行為，在某些情況下有利于自發(fā)形成脂滴[19]。

脂滴的大小在細(xì)胞間有很大差別，而且在不同的乳狀液尺度上有所不同，從納米乳狀液到大液滴乳狀液型（即直徑從100nm到100mm）各有不同[20]。例如，酵母中的脂滴通常小于一微米，脂肪細(xì)胞通常幾十或幾百微米[21]。因此，根據(jù)細(xì)胞類型，脂滴可能受到不同的動力學(xué)和熱力學(xué)失穩(wěn)機制的影響。然而，目前學(xué)術(shù)界對于不同大小的脂滴在功能上的不同還知之甚少。

2? 細(xì)胞內(nèi)脂滴穩(wěn)定性

細(xì)胞中脂滴的油相被單層表面活性劑磷脂覆蓋，由于磷脂的兩親性質(zhì)，磷脂優(yōu)先被吸附在界面處，它們通過降低表面張力，為單層提供高彎曲彈性，從而增加脂滴乳液穩(wěn)定性[22]。例如，在存在磷脂的情況下，脂滴的表面張力可以降低到0.1-100毫乇/米（mN / m），與顯示γ～30mN/ m的暴露界面相比，賦予單層更高的彎曲模量或剛度，大約為1-kBT（其中kB是玻爾茲曼常數(shù)，T是溫度），這在大多數(shù)條件下為脂滴提供了動力學(xué)穩(wěn)定性[23]。除了磷脂表面活性劑之外，脂滴表面上的蛋白質(zhì)還可以增加界面彈性，進(jìn)一步有助于脂滴的穩(wěn)定性。然而，即使有磷脂和蛋白質(zhì)存在降低脂滴的表面張力并增加彈性，細(xì)胞中的脂滴乳液也一直處于先天性亞穩(wěn)定的狀態(tài)[24]。

磷脂單層的組成取決于細(xì)胞類型，但主要由磷脂酰膽堿、磷脂酰乙醇胺和較低程度的磷脂酰肌醇（PtdIns）以及溶血磷脂組成，每一種磷脂都具有特定的界面性質(zhì)，這些界面性質(zhì)決定了它穩(wěn)定乳液的能力[25]。例如，磷脂酰膽堿的形狀是圓柱形的，因此提供了極好的表面積覆蓋，并大大降低了表面張力[26]。相比之下，磷脂酰乙醇胺是錐形的，具有較小的頭部，頭團(tuán)較小，在穩(wěn)定油滴乳劑方面不如磷脂膽堿[27]。一些未酯化的脂質(zhì)，如甾醇或DAG，也可能定位于脂質(zhì)液滴表面，在那里它們可作為較少的最佳表面活性劑，但可填充磷脂之間的空間，并作為輔助表面活性劑。