胆固醇对细胞膜的影响

十多年来，科学家们已经接受胆固醇(细胞膜的关键成分)并不能统一影响不同类型的膜。但是，由弗吉尼亚理工大学物理系助理教授拉娜·阿什卡(Rana Ashkar)领导的一项新研究发现，胆固醇实际上确实符合生物物理原理。

该发现最近发表在《美国国家科学院院刊》上，对疾病的一般理解，药物递送方法的设计以及许多其他需要对胆固醇在细胞中的作用进行特定假设的生物学应用具有深远的影响。膜。

弗吉尼亚理工大学理学院的教授阿什卡说：“众所周知，胆固醇能促进细胞膜更紧密的分子堆积，但有关如何使细胞膜变硬的报道却是如此。” “在这项工作中，我们证明，按照物理定律，胆固醇在纳米级确实引起膜硬化。这些发现影响了我们对胆固醇生物学功能及其在健康和疾病中的作用的理解。”

根据这项研究，细胞膜是脂肪分子的薄层，其界定细胞边界并调节各种生物学功能，包括病毒如何传播以及细胞如何分裂。为了实现这种功能，膜片应能够弯曲并允许形状改变。这种弯曲倾向取决于分子结构单元的堆积程度。阿什卡(Ashkar)补充说，更紧密的包装会导致更坚硬的膜无法轻易弯曲。

胆固醇在分子水平上对细胞膜的影响

培根，鸡蛋，奶酪和许多其他舒适食品中都含有大量胆固醇。虽然过多的胆固醇会损害人体，但细胞膜中胆固醇的调节量绝对是细胞正常功能所必需的。胆固醇含量异常通常与各种疾病状况相关。

除了胆固醇外，我们的细胞膜还主要由脂质组成，脂质是一种小的脂肪分子，当存在于水中时会自动组装成双层结构-人体的近60%由水组成。脂质和胆固醇共同形成了限制我们细胞并调节细胞营养交换的屏障。

在分子水平上，胆固醇具有光滑而刚性的结构。当它与我们的细胞膜相互作用时，它会自身卡在脂质之间，从而导致膜的密度更高。根据结构-属性关系，这自然会导致膜变硬。

然而，在过去的10多年中，物理学家和生物学家一直认为胆固醇对顺式不饱和脂质(一种在我们细胞中发现的常见脂质)形成的膜的硬度几乎没有影响，尽管它对脂质包装。

“这违背了我们对胆固醇对细胞膜的作用的理解，”阿什卡尔说。“这也与自组装材料中的标准结构-特性关系相矛盾。”

这些感觉很重要，因为在理想情况下，细胞膜应保持半刚性的结构：足够坚硬以保持其形式，但足够灵活以允许信号蛋白和功能域的动态运动。关于胆固醇如何增强细胞膜的误解影响了我们对膜功能的理解。

最初数据并没有多大意义，但是当她深入研究时，Ashkar发现了一个清楚的案例，即根据观察方法的参数，软材料如何“明显”表现出不同的特性。她发现，在较短的时间长度和时间范围内，发生重要的信号事件-我们所说的是纳米和纳秒-添加的胆固醇会引起人们期望的膜硬化。

证明她的观点

要与科学中的既定学说相矛盾，不仅需要一组数据点。阿什卡说：“我们发现这些结果有一段时间了，但由于它们与现有观念背道而驰，因此受到了怀疑。”

Ashkar的首批测试使用中子自旋回波光谱法，这是一种独特的探针，可以研究纳米级的材料。这些实验是在美国的两个主要中子散射设施，NIST中子研究中心和橡树岭国家实验室的散裂中子源中进行的。

阿什卡(Ashkar)与威尔·康奈尔大学(Weill Cornell)生理与生物物理学系助理教授George Khelashvilli合作，通过计算机建模仿真来增强她的证据，并与教授Michael Brown合作，通过最近的核磁共振测量进一步验证了实验结果。亚利桑那大学化学与生物化学专业。这三种方法的数据一致性为阿什卡尔的假设提供了充分的证据，并证实了脂膜的标准结构-性质关系。

“这些结果要求对胆固醇如何影响脂质膜的现有结构进行重新评估，”阿什卡说。“如果我们没有正确的假设，我们将无法做出正确的预测，我们也将没有正确的设计来治疗病毒，疾病或其他生物异常。”

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