细胞脂滴的物理结构及影响其稳定的因素

张来福 尹云厚

【摘   要】 脂滴是储存中性脂质的细胞器，对能量代谢至关重要，它们广泛存在于存在于动物、植物、真菌，甚至细菌中。脂滴是油包水乳液在细胞水溶液中的分散相，乳液的基本生物物理原理对于脂滴生物学的重要性正在被人们所重视。由于其存在于分散油相和水胞质之间的独特结构，其形成，生长和收缩的具体机制尤为复杂，这种机制使细胞能够在代谢能量或膜合成需求发生变化时使用乳化油，有利于为细胞新陈代谢提供更有利的途径。此外，脂滴表面的磷脂作为表面活性剂组成的调控对脂滴的稳态  和表面蛋白靶向至关重要。在这里，我们回顾脂滴的乳液结构及其在细胞内稳定的机制，并简述这一新兴领域的最新发展。

【关键词】 脂滴;结构;稳定;乳液

长期以来，脂滴（LDs）被认为是惰性脂肪颗粒，但在很大程度上被细胞生物学家所忽视[1]。然而，最近，脂滴被越来越多地认为是代表细胞生物学前沿的动态细胞器[2]。这些普遍存在的细胞器存在于大多数真核细胞中，每个由磷脂单层围绕一个核心的中性脂质，如甾醇酯或甘油三酯。许多蛋白质修饰它们的表面，其中许多在生物学中起着功能作用。因此，脂滴在结构上与血浆脂蛋白相似，血浆脂蛋白由细胞分泌，通过水循环将脂质输送到身体的不同区域[3]。我们刚刚开始了解脂滴生物发生、分解代谢和细胞功能活动的基本方面，脂滴细胞生物学知识的增加对人类健康和生物燃料领域的应用科学具有重要的作用[4]。

1  脂滴基本结构

乳状液是两种不混溶的流体的混合物：一种流体以液滴的形式分散在另一种流体中[5]。乳液的实例包括直接乳液（如水中的油滴）或反相乳液（如油中的水滴）。细胞质中的脂滴提供了大多数细胞常见的直接乳液的生物学实例。细胞溶胶代表连续的水相，而分散的油相即脂滴包括中性脂质，如三酰甘油、甾醇酯、视黄醇酯、蜡或醚类脂质等，这取决于细胞类型和它们存储的中性脂质类型[6]。

细胞通过酯化潜在有毒的脂质以形成更惰性的中性脂质（如三酰甘油或甾醇酯），来处理过量的脂质，如脂肪酸（它可以作为洗涤剂）[7]。这些油的形成发生在双层膜内，然而，由于双层膜不适合储存大量的油，因此这些油在细胞质中形成了油滴状的流体[8]。特异性蛋白可作用于细胞质脂滴以调节其生长或利用，近年来，学术界逐渐认识到细胞已经进化出一种机制，以有组织和规范的方式产生和利用脂滴-细胞溶胶乳液。因此，乳剂科学中的概念与了解脂滴细胞生物学密切相关。然而，这一模式还没有很好地融入到脂滴生物学领域[9]。

为了产生稳定的乳状液，需要表面活性剂如磷脂。人工生成的乳液通常由表面活性剂形成，这些表面活性剂可溶于连续相但不可溶分散相，与Bancroft规则一致（其表明乳化剂可溶于连续相）[10]。当表面活性剂的浓度超过其临界胶束浓度时，形成的胶束提供表面活性剂储库以缓冲乳液液滴的表面积波动并因此增加其稳定性[11]。对于细胞脂滴，表面单分子层的磷脂是主要的表面活性剂。与人工乳剂中使用的其他表面活性剂不同，磷脂既不溶于细胞质水相，也不溶于油相[12]。因此，双层膜（如内质网膜）而不是胶束被用作细胞的磷脂储集层。有趣的是，ER双层和脂滴单层磷脂组成不同。具体来说，脂滴单层膜通常比ER膜含有更多的磷脂酰胆碱，而游离胆固醇和鞘磷脂较少[13]。

导致ER和脂滴组成差异的机制尚不清楚，但可能对了解脂滴的生物物理性质有重要意义[14]。这种脂质分类的一种可能性是，脂质组成不同的ER区域专门用于脂滴的形成[15]。这些结构域可以通过在新生脂滴的位置自发地对表面脂质进行分类产生，也可以通过特定的蛋白质介导形成[16]。由于脂滴的表面组成有很大的差异，这种差异的功能意义尤其引人注目。例如，在脂滴生长或收缩过程中，其表面积和磷脂表面活性剂的用量都发生了显著的变化[17]。此外，在这些过程中，代谢反应的中间产物，如未酯化的甾醇、二酰基甘油（DAG）或脂肪酸，可能积聚在脂滴表面[18]。在这些表面，它们起着稀释剂的作用，通过增加磷脂的扩散，从而导致这些油滴更均匀分布在单层磷脂，降低表面张力（γ），这些动态的界面行为，在某些情况下有利于自发形成脂滴[19]。

脂滴的大小在细胞间有很大差别，而且在不同的乳状液尺度上有所不同，从纳米乳状液到大液滴乳状液型（即直径从100nm到100mm）各有不同[20]。例如，酵母中的脂滴通常小于一微米，脂肪细胞通常几十或几百微米[21]。因此，根据细胞类型，脂滴可能受到不同的动力学和热力学失稳机制的影响。然而，目前学术界对于不同大小的脂滴在功能上的不同还知之甚少。

2  細胞内脂滴稳定性

细胞中脂滴的油相被单层表面活性剂磷脂覆盖，由于磷脂的两亲性质，磷脂优先被吸附在界面处，它们通过降低表面张力，为单层提供高弯曲弹性，从而增加脂滴乳液稳定性[22]。例如，在存在磷脂的情况下，脂滴的表面张力可以降低到0.1-100毫乇/米（mN / m），与显示γ～30mN/ m的暴露界面相比，赋予单层更高的弯曲模量或刚度，大约为1-kBT（其中kB是玻尔兹曼常数，T是温度），这在大多数条件下为脂滴提供了动力学稳定性[23]。除了磷脂表面活性剂之外，脂滴表面上的蛋白质还可以增加界面弹性，进一步有助于脂滴的稳定性。然而，即使有磷脂和蛋白质存在降低脂滴的表面张力并增加弹性，细胞中的脂滴乳液也一直处于先天性亚稳定的状态[24]。

磷脂单层的组成取决于细胞类型，但主要由磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺和较低程度的磷脂酰肌醇（PtdIns）以及溶血磷脂组成，每一种磷脂都具有特定的界面性质，这些界面性质决定了它稳定乳液的能力[25]。例如，磷脂酰胆碱的形状是圆柱形的，因此提供了极好的表面积覆盖，并大大降低了表面张力[26]。相比之下，磷脂酰乙醇胺是锥形的，具有较小的头部，头团较小，在稳定油滴乳剂方面不如磷脂胆碱[27]。一些未酯化的脂质，如甾醇或DAG，也可能定位于脂质液滴表面，在那里它们可作为较少的最佳表面活性剂，但可填充磷脂之间的空间，并作为辅助表面活性剂。