เยื่อชีวภาพหรือไบโอเมมเบรนคือเยื่อที่มีคุณสมบัติเลือกผ่านได้ ซึ่งทำหน้าที่แยกส่วนภายในของเซลล์ออกจาก สิ่งแวดล้อม ภายนอกหรือสร้างช่องว่างภายในเซลล์โดยทำหน้าที่เป็นขอบเขตระหว่างส่วนหนึ่งของเซลล์กับอีกส่วนหนึ่ง เยื่อชีวภาพในรูปแบบของเยื่อเซลล์ยูคาริโอตประกอบด้วยชั้นฟอสโฟลิปิดสองชั้นที่มีโปรตีน ฝังตัว โปรตีน แบบอินทิกรัลและโปรตีน แบบรอบนอก ซึ่งใช้ในการสื่อสารและการขนส่งสารเคมีและไอออน ลิ ปิด ส่วนใหญ่ในเยื่อเซลล์ทำหน้าที่เป็นเมทริกซ์ของเหลวสำหรับให้โปรตีนหมุนและแพร่กระจายในแนวราบเพื่อการทำงานทางสรีรวิทยา โปรตีนปรับตัวให้เข้ากับ สภาพแวดล้อม ที่มีความลื่นไหล สูง ของเยื่อลิปิดสอง ชั้น ด้วยการมีเปลือกลิปิดวงแหวนซึ่งประกอบด้วยโมเลกุลลิปิดที่ยึดติดแน่นกับพื้นผิวของโปรตีนเมมเบรนแบบอินทิกรัลเยื่อเซลล์แตกต่างจากเนื้อเยื่อ ที่แยกส่วน ซึ่งเกิดจากชั้นของเซลล์ เช่นเยื่อเมือก เยื่อฐานและเยื่อเซรุ่ม

ชั้นไขมันสองชั้นประกอบด้วยสองชั้น คือ ชั้นนอกและชั้นใน^{[ 1 ]}ส่วนประกอบของชั้นไขมันสองชั้นจะกระจายตัวไม่เท่ากันระหว่างสองพื้นผิว ทำให้เกิดความไม่สมมาตรระหว่างพื้นผิวด้านนอกและด้านใน^{[ 2 ]}โครงสร้างที่ไม่สมมาตรนี้มีความสำคัญต่อการทำงานของเซลล์ เช่นการส่งสัญญาณของเซลล์^{[ 3 ]}ความไม่สมมาตรของเยื่อหุ้มเซลล์สะท้อนให้เห็นถึงหน้าที่ที่แตกต่างกันของสองชั้นของเยื่อหุ้มเซลล์^{[ 4 ]}ดังที่เห็นในแบบจำลองเยื่อหุ้มเซลล์แบบ ของเหลว ของชั้นไขมันฟอสโฟลิปิดสองชั้น ชั้นนอกและชั้นในของเยื่อหุ้มเซลล์มีองค์ประกอบที่ไม่สมมาตร โปรตีนและไขมันบางชนิดจะอยู่บนพื้นผิวด้านใดด้านหนึ่งของเยื่อหุ้มเซลล์เท่านั้น ไม่ใช่ทั้งสองด้าน

• ทั้งเยื่อหุ้มพลาสมาและเยื่อหุ้มภายในต่างก็มีด้านที่หันเข้าหาไซโตพลาสซึมและด้านที่หันเข้าหาเอ็กโซพลาสซึม
• การวางแนวนี้จะคงอยู่ระหว่างการขนส่งเมมเบรน – โปรตีน ไขมัน และไกลโคคอนจูเกตที่หันหน้าเข้าหาลูเมนของ ER และ Golgi จะถูกแสดงออกที่ด้านนอกเซลล์ของเยื่อหุ้มพลาสมา ในเซลล์ยูคาริโอต ฟอสโฟลิปิดใหม่จะถูกสร้างขึ้นโดยเอนไซม์ที่จับกับส่วนของเยื่อหุ้มเอนโดพลาสมิกเรติคูลัมที่หันหน้าเข้าหาไซโตโซล^{[ 5 ]}เอนไซม์เหล่านี้ซึ่งใช้กรดไขมันอิสระเป็นสารตั้งต้นจะฝากฟอสโฟลิปิดที่สร้างขึ้นใหม่ทั้งหมดลงในครึ่งไซโตโซลของไบเลเยอร์ เพื่อให้เยื่อหุ้มเซลล์โดยรวมเติบโตอย่างสม่ำเสมอ โมเลกุลฟอสโฟลิปิดใหม่ครึ่งหนึ่งจะต้องถูกถ่ายโอนไปยังโมโนเลเยอร์ฝั่งตรงข้าม การถ่ายโอนนี้ถูกเร่งปฏิกิริยาโดยเอนไซม์ที่เรียกว่าฟลิปเพสในเยื่อหุ้มพลาสมา ฟลิปเพสจะถ่ายโอนฟอสโฟลิปิดเฉพาะอย่างเลือกสรร เพื่อให้ฟอสโฟลิปิดชนิดต่างๆ มีความเข้มข้นในแต่ละโมโนเลเยอร์^{[ 5 ]}

การใช้ฟลิปเพสแบบเลือกสรรไม่ใช่เพียงวิธีเดียวในการสร้างความไม่สมมาตรในชั้นไขมันสองชั้น อย่างไรก็ตาม โดยเฉพาะอย่างยิ่ง กลไกที่แตกต่างกันจะทำงานสำหรับไกลโคลิปิด ซึ่งเป็นลิปิดที่แสดงการกระจายตัวแบบไม่สมมาตรที่โดดเด่นและสม่ำเสมอที่สุดในเซลล์สัตว์^{[ 5 ]}

เยื่อชีวภาพประกอบด้วยลิปิดที่มีหางไฮโดรโฟบิกและหัวไฮโดรฟิลิก^{[ 6 ]}หางไฮโดรโฟบิกคือหางไฮโดรคาร์บอนซึ่งความยาวและความอิ่มตัวมีความสำคัญในการกำหนดลักษณะของเซลล์^{[ 7 ]}แพลิปิดเกิดขึ้นเมื่อลิปิดและโปรตีนรวมตัวกันเป็นโดเมนในเยื่อหุ้มเซลล์ สิ่งเหล่านี้ช่วยจัดระเบียบส่วนประกอบของเยื่อหุ้มเซลล์ให้เป็นบริเวณเฉพาะที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการเฉพาะ เช่น การส่งสัญญาณ

เซลล์เม็ดเลือดแดงหรือเม็ดเลือดแดงมีองค์ประกอบของไขมันที่เป็นเอกลักษณ์ ชั้นไขมันสองชั้นของเซลล์เม็ดเลือดแดงประกอบด้วยคอเลสเตอรอลและฟอสโฟลิปิดในสัดส่วนที่เท่ากันตามน้ำหนัก^{[ 7 ]}เยื่อหุ้มเซลล์เม็ดเลือดแดงมีบทบาทสำคัญในการแข็งตัวของเลือด ในชั้นไขมันสองชั้นของเซลล์เม็ดเลือดแดงมีฟอสฟาติดิลเซอรีน^{[ 8 ]}โดยปกติจะอยู่ด้านไซโตพลาสมิกของเยื่อหุ้มเซลล์ อย่างไรก็ตาม มันจะถูกพลิกไปที่เยื่อหุ้มเซลล์ด้านนอกเพื่อใช้ในการแข็งตัวของเลือด^{[ 8 ]}

ชั้นไขมันฟอสโฟลิปิดประกอบด้วยโปรตีนที่แตกต่างกันโปรตีนเยื่อหุ้มเซลล์ เหล่านี้ มีหน้าที่และลักษณะต่างๆ กัน และเร่งปฏิกิริยาเคมีที่แตกต่างกัน โปรตีนอินทิกรัลทอดข้ามเยื่อหุ้มเซลล์โดยมีโดเมนที่แตกต่างกันอยู่ทั้งสองด้าน^{[ 6 ]}โปรตีนอินทิกรัลมีการเชื่อมโยงที่แข็งแรงกับชั้นไขมันและไม่สามารถหลุดออกได้ง่าย^{[ 9 ]}พวกมันจะแยกตัวออกได้ก็ต่อเมื่อได้รับการบำบัดทางเคมีที่ทำให้เยื่อหุ้มเซลล์แตก โปรตีนรอบนอกนั้นแตกต่างจากโปรตีนอินทิกรัลตรงที่พวกมันมีปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอกับพื้นผิวของชั้นไขมันและสามารถแยกตัวออกจากเยื่อหุ้มเซลล์ได้ง่าย^{[ 6 ]}โปรตีนรอบนอกตั้งอยู่บนด้านใดด้านหนึ่งของเยื่อหุ้มเซลล์เท่านั้นและทำให้เยื่อหุ้มเซลล์ไม่สมมาตร

โอลิโกแซ็กคาไรด์เป็นพอลิเมอร์ที่มีน้ำตาลเป็นองค์ประกอบ ในเยื่อหุ้มเซลล์ โอลิโกแซ็กคาไรด์สามารถจับกับลิปิด ด้วยพันธะโควาเลนต์เพื่อสร้างไกล โคลิปิดหรือจับกับโปรตีนด้วยพันธะโควาเลนต์เพื่อสร้างไกลโคโปรตีนเยื่อหุ้มเซลล์ประกอบด้วยโมเลกุลลิปิดที่มีน้ำตาลเป็นองค์ประกอบที่เรียกว่าไกลโคลิปิด ในไบเลเยอร์ กลุ่มน้ำตาลของไกลโคลิปิดจะอยู่บนพื้นผิวเซลล์ ซึ่งสามารถสร้างพันธะไฮโดรเจนได้^{[ 9 ]}ไกลโคลิปิดเป็นตัวอย่างที่ชัดเจนที่สุดของความไม่สมมาตรในไบเลเยอร์ของลิปิด^{[ 10 ]}ไกลโคลิปิดทำหน้าที่มากมายในเยื่อหุ้มเซลล์ทางชีวภาพ ซึ่งส่วนใหญ่เป็นการสื่อสาร รวมถึงการจดจำเซลล์และการยึดเกาะระหว่างเซลล์ ไกลโคโปรตีนเป็นโปรตีนที่ฝังอยู่ในเยื่อหุ้มเซลล์^{[ 2 ]} ไกลโคโปรตีน มีบทบาทสำคัญในการตอบสนองและการป้องกันภูมิคุ้มกัน^{[ 11 ]}

ชั้นฟอสโฟลิปิดสองชั้นเกิดขึ้นเนื่องจากการรวมตัวของลิปิดในเยื่อหุ้มเซลล์ในสารละลายน้ำ^{[ 4 ]}การรวมตัวเกิดจากผลของไฮโดรโฟบิกโดยที่ปลายไฮโดรโฟบิกจะสัมผัสกันและแยกตัวออกจากน้ำ^{[ 6 ]}การจัดเรียงนี้จะเพิ่มพันธะไฮโดรเจนระหว่างหัวไฮโดรฟิลิกกับน้ำให้มากที่สุด ในขณะที่ลดการสัมผัสที่ไม่พึงประสงค์ระหว่างหางไฮโดรโฟบิกกับน้ำให้น้อยที่สุด^{[ 10 ]}การเพิ่มขึ้นของพันธะไฮโดรเจนที่มีอยู่จะเพิ่มเอนโทรปีของระบบ ทำให้เกิดกระบวนการที่เกิดขึ้นเองได้

โมเลกุลทางชีวภาพเป็นแอมฟิฟิลิกหรือแอมฟิพาติก กล่าวคือมีทั้งคุณสมบัติไม่ชอบน้ำและชอบน้ำพร้อมกัน^{[ 6 ]} ชั้น ไขมันฟอสโฟลิปิดประกอบด้วยกลุ่มหัวที่ชอบน้ำ ที่มีประจุ ซึ่งทำ ปฏิกิริยากับน้ำ ที่มีขั้ว ชั้นเหล่านี้ยังประกอบด้วย หางที่ ไม่ชอบน้ำ ซึ่งมาบรรจบกับหางที่ไม่ชอบน้ำของชั้นที่เสริมกัน หางที่ไม่ชอบน้ำมักจะเป็นกรดไขมันที่มีความยาวแตกต่างกัน^{[ 10 ]}ปฏิสัมพันธ์ของลิปิด โดยเฉพาะหางที่ไม่ชอบน้ำ จะกำหนดคุณสมบัติทางกายภาพของชั้นไขมันเช่น ความลื่นไหล

โดยทั่วไปแล้ว เยื่อหุ้มเซลล์จะกำหนดพื้นที่ปิดหรือช่องต่างๆ ที่เซลล์สามารถรักษาสภาพแวดล้อมทางเคมีหรือชีวเคมีที่แตกต่างจากภายนอกได้ ตัวอย่างเช่น เยื่อหุ้มรอบเพอร์ออกซิโซมจะปกป้องส่วนอื่นๆ ของเซลล์จากสารเปอร์ออกไซด์ ซึ่งเป็นสารเคมีที่อาจเป็นพิษต่อเซลล์ และเยื่อหุ้มเซลล์ยังแยกเซลล์ออกจากสิ่งแวดล้อมโดยรอบ เพอร์ออกซิโซมเป็นแวคิวโอลชนิดหนึ่งที่พบในเซลล์ซึ่งบรรจุผลพลอยได้จากปฏิกิริยาเคมีภายในเซลล์ ออร์แกเนลล์ส่วนใหญ่มีเยื่อหุ้มดังกล่าว และเรียกว่า ออร์แกเน ล ล์ที่มีเยื่อหุ้ม

คุณสมบัติที่สำคัญที่สุดของเยื่อชีวภาพคือ มันเป็น โครงสร้าง ที่ยอมให้สารบางชนิดผ่านได้แบบเลือกสรรหมายความว่า ขนาด ประจุ และคุณสมบัติทางเคมีอื่นๆ ของอะตอมและโมเลกุลที่พยายามจะผ่านเยื่อนี้จะเป็นตัวกำหนดว่าพวกมันจะผ่านได้หรือไม่ การยอมให้สารบางชนิดผ่านได้แบบเลือกสรรนั้นมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการแยกเซลล์หรือออร์แกเนลล์ออกจากสิ่งแวดล้อมอย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ เยื่อชีวภาพยังมีคุณสมบัติทางกลหรือความยืดหยุ่นบางอย่างที่ช่วยให้มันเปลี่ยนรูปร่างและเคลื่อนไหวได้ตามต้องการ

โดยทั่วไป โมเลกุลไฮโดรโฟบิกขนาดเล็กสามารถผ่านชั้นไขมันฟอสโฟลิปิดได้โดยง่ายด้วยการแพร่แบบธรรมดา^{[ 12 ]}

อนุภาคที่จำเป็นต่อการทำงานของเซลล์ แต่ไม่สามารถแพร่ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ได้อย่างอิสระ จะเข้าสู่เซลล์ผ่านโปรตีนขนส่งที่เยื่อหุ้มเซลล์ หรือถูกนำเข้าสู่เซลล์โดยกระบวนการเอนโดไซโทซิสซึ่งเยื่อหุ้มเซลล์จะยอมให้แวคิวโอลเกาะติดและผลักสารภายในแวคิวโอลเข้าไปในเซลล์ เยื่อหุ้มเซลล์พลาสมาชนิดพิเศษหลายชนิดสามารถแยกเซลล์ออกจากสิ่งแวดล้อมภายนอกได้ เช่น เยื่อหุ้มเซลล์ด้านปลาย ด้านข้างฐาน ด้านก่อนและหลังไซแนปส์ เยื่อหุ้มของแฟลเจลลา ซิเลียไมโครวิลลัสฟิโลโพเดียและลาเมลลิโพเดียซาร์โคเลมมาของเซลล์กล้ามเนื้อ รวมถึงเยื่อหุ้มไมอีลินและเดนไดรต์สไป น์ของเซลล์ประสาท เยื่อหุ้มเซลล์พลาสมายังสามารถสร้างโครงสร้าง "เหนือเยื่อหุ้มเซลล์" ชนิดต่างๆ ได้ เช่นคาเวโอเล โพสต์ไซแนปติกเดนซิตี้ โพ โดโซม อินวาโด โพเดียม เดสโมโซม เฮ มิเดสโมโซม โฟกัสแอดฮีชั่นและจุดเชื่อมต่อเซลล์ เยื่อหุ้มเซลล์ชนิดต่างๆ เหล่านี้แตกต่างกันในองค์ประกอบของไขมันและโปรตีน

เยื่อหุ้มเซลล์ชนิดต่างๆ ยังก่อให้เกิดออร์แกเนลล์ภายในเซลล์ ได้แก่ เอนโดโซม เอนโดพลาสมิกเรติคูลัมแบบเรียบและแบบขรุขระ ซาร์โคพลาสมิกเรติคูลัม กอลจิแอพพาราตัส ไลโซโซม ไมโทคอนเดรีย (เยื่อหุ้มชั้นในและชั้นนอก) นิวเคลียส (เยื่อหุ้มชั้นในและชั้นนอก) เพอร์ออกซิโซม แวคิวโอล แกรนูลในไซโตพลาสซึม เวสิเคิลของเซลล์ ( ฟาโกโซมออโตฟาโกโซม เวสิเคิลเคลือบคลัทริน เวสิเคิลเคลือบ COPIและ เวสิเคิลเคลือบ COPII ) และเวสิเคิลหลั่งสาร (รวมถึง ไซแน ป โท โซม อะโครโซม เมลาโนโซม และแกรนูลโครมาฟฟิน) เยื่อหุ้มเซลล์ทางชีวภาพชนิดต่างๆ มีองค์ประกอบของไขมันและโปรตีนที่แตกต่างกัน องค์ประกอบของเยื่อหุ้มเซลล์เป็นตัวกำหนดคุณสมบัติทางกายภาพและชีวภาพของมัน ส่วนประกอบบางอย่างของเยื่อหุ้มเซลล์มีบทบาทสำคัญในทางการแพทย์ เช่น ปั๊มขับยาออกจากเซลล์

แกนไฮโดรโฟบิกของชั้นไขมันฟอสโฟลิปิดเคลื่อนที่อยู่ตลอดเวลาเนื่องจากการหมุนรอบพันธะของหางไขมัน^{[ 13 ]}หางไฮโดรโฟบิกของชั้นไขมันจะโค้งงอและล็อคเข้าด้วยกัน อย่างไรก็ตาม เนื่องจากพันธะไฮโดรเจนกับน้ำ กลุ่มหัวไฮโดรฟิลิกจึงมีการเคลื่อนไหวน้อยลงเนื่องจากการหมุนและการเคลื่อนที่ถูกจำกัด^{[ 13 ]}ส่งผลให้ความหนืดของชั้นไขมันเพิ่มขึ้นใกล้กับหัวไฮโดรฟิลิก^{[ 6 ]}

ที่อุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิเปลี่ยนผ่าน ชั้นไขมันสองชั้นจะสูญเสียความลื่นไหลเมื่อไขมันที่เคลื่อนที่ได้สูงแสดงการเคลื่อนไหวน้อยลงกลายเป็นของแข็งคล้ายเจล^{[ 14 ]}อุณหภูมิเปลี่ยนผ่านขึ้นอยู่กับส่วนประกอบของชั้นไขมันสองชั้น เช่น ความยาวของโซ่ไฮโดรคาร์บอนและความอิ่มตัวของกรดไขมัน ความลื่นไหลที่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิถือเป็นคุณลักษณะทางสรีรวิทยาที่สำคัญสำหรับแบคทีเรียและสิ่งมีชีวิตเลือดเย็น สิ่งมีชีวิตเหล่านี้รักษาความลื่นไหลให้คงที่โดยการปรับเปลี่ยนองค์ประกอบของกรดไขมันในเยื่อหุ้มเซลล์ให้สอดคล้องกับอุณหภูมิที่แตกต่างกัน^{[ 6 ]}

ในเซลล์สัตว์ ความลื่นไหลของเยื่อหุ้มเซลล์จะถูกปรับเปลี่ยนโดยการรวมคอเลสเตอรอลซึ่งเป็นสเตอ รอล โมเลกุล นี้มีอยู่ในปริมาณมากเป็นพิเศษในเยื่อหุ้มพลาสมา โดยคิดเป็นประมาณ 20% ของลิปิดในเยื่อหุ้มเซลล์โดยน้ำหนัก เนื่องจากโมเลกุลของคอเลสเตอรอลสั้นและแข็ง จึงเติมเต็มช่องว่างระหว่างโมเลกุลฟอสโฟลิปิดที่อยู่ติดกันซึ่งเกิดจากรอยหยักในหางไฮโดรคาร์บอนไม่อิ่มตัว ด้วยวิธีนี้ คอเลสเตอรอลจึงมีแนวโน้มที่จะทำให้ไบเลเยอร์แข็งขึ้น ทำให้มีความแข็งตัวมากขึ้นและซึมผ่านได้ยากขึ้น^{[ 5 ]}

สำหรับเซลล์ทั้งหมด ความลื่นไหลของเยื่อหุ้มเซลล์มีความสำคัญด้วยเหตุผลหลายประการ ช่วยให้โปรตีนในเยื่อหุ้มเซลล์สามารถแพร่กระจายได้อย่างรวดเร็วในระนาบของไบเลเยอร์และโต้ตอบกันได้ ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญ เช่น ในการส่งสัญญาณของเซลล์ช่วยให้ลิปิดและโปรตีนในเยื่อหุ้มเซลล์สามารถแพร่กระจายจากบริเวณที่พวกมันถูกแทรกเข้าไปในไบเลเยอร์หลังจากการสังเคราะห์ไปยังบริเวณอื่น ๆ ของเซลล์ ช่วยให้เยื่อหุ้มเซลล์สามารถหลอมรวมกันและผสมโมเลกุลของพวกมันได้ และช่วยให้มั่นใจได้ว่าโมเลกุลของเยื่อหุ้มเซลล์จะกระจายอย่างสม่ำเสมอระหว่างเซลล์ลูกเมื่อเซลล์แบ่งตัว หากเยื่อหุ้มเซลล์ทางชีวภาพไม่ลื่นไหล ก็ยากที่จะจินตนาการได้ว่าเซลล์จะสามารถดำรงชีวิต เติบโต และสืบพันธุ์ได้อย่างไร^{[ 5 ]}

คุณสมบัติความลื่นไหลเป็นหัวใจสำคัญของแบบจำลอง เฮลฟริช ซึ่งช่วยให้สามารถคำนวณต้นทุนพลังงานของการเปลี่ยนรูปยืดหยุ่นของเยื่อหุ้มเซลล์ได้

• ถุงคอลโลเดียน
• แบบจำลองโมเสกของเหลว
• ชีววิทยาของเยื่อหุ้มเซลล์
• ออสโมซิส
• ฟอสโฟลิปิดสแครมเบลส
• สสารอ่อนนุ่ม

• สื่อที่เกี่ยวข้องกับเยื่อชีวภาพในวิกิมีเดียคอมมอนส์
• เยื่อหุ้มเซลล์ ในฐานข้อมูล Medical Subject Headings (MeSH) ของหอสมุดแห่งชาติสหรัฐอเมริกา