北京大學醫(yī)學部生物物理學系(精)第一頁，共56頁。4.生物膜的結構第二頁，共56頁。生物膜的結構模型1972年，Singer&Nicolson提出生物膜“流動鑲嵌模型”生物膜是脂雙層結構生物膜是均勻的二維流體，可以流動蛋白質鑲嵌在脂雙層之中，像海洋中的“冰山”，可在脂雙層中運動對“流動鑲嵌模型”的修正生物膜中存在膜微疇(detergent-resistantmembranedomains)膜微疇由鞘脂和膽固醇聚集而成許多蛋白在膜微疇中“停泊”并行使功能膜微疇是一個漂浮于二維流體中的“功能筏”(functionalrafts)第三頁，共56頁。4.1細胞膜中的功能筏4.1.1功能筏概念的形成傳統(tǒng)觀點脂質在生物膜中作為蛋白質的溶劑不同的蛋白質決定了不同膜的功能現(xiàn)代觀點特定的脂質可形成微小的脂質微區(qū)脂質微區(qū)具有“篩選”蛋白質的功能例：上皮細胞頂生部：富含鞘脂類基底部：富含甘油脂和卵磷脂頂生部和基底部具有完全不同的生理功能第四頁，共56頁。4.1.2功能筏的結構4.1.2.1功能筏中脂的組織形式功能筏中富含鞘脂和膽固醇鞘脂頭部的截面積>尾部的截面積膽固醇頭部的截面積<尾部的截面積兩者互補形成一個排列緊密的脂雙層鞘脂是飽和磷脂，脂雙層呈凝膠態(tài)鞘脂兩條脂肪酰鏈不等，形成交錯脂雙層膽固醇填補鞘脂脂雙層的空隙調節(jié)脂雙層的物理狀態(tài)脂雙層處于流體有序狀態(tài)第五頁，共56頁。4.1.2功能筏的結構4.1.2.2功能筏形成的物理化學基礎1.鞘脂類的相性質鞘脂類含飽和長鏈脂肪酸極性頭部之間可形成分子間氫鍵分子間可形成緊密的排列鞘磷脂的相變溫度Tt一般在37-41C,在生理條件處于凝膠相L生物膜中甘油磷脂的Tt一般小于0C,在生理條件處于液晶相L鞘磷脂在生物膜中可與其他脂類分離形成微疇結構第六頁，共56頁。鞘磷脂和甘油磷脂的區(qū)別骨架甘油磷脂：甘油鞘磷脂：鞘氨醇碳氫鏈甘油磷脂：長度近似相等;一條飽和，一條不飽和鞘磷脂：一長一短；兩條都為飽和氫鍵甘油磷脂：受體，只能用氫鍵形成3分子聚集體鞘磷脂：既可作受體，亦可作供體，可用氫鍵形成分子網(wǎng)絡氫鍵受體氫鍵供體GPLSM第七頁，共56頁。4.1.2.2功能筏形成的物理化學基礎2.去垢劑不溶性由鞘脂類形成的微疇結構能抵抗溫和去垢劑的溶解作用這種抵抗作用來自與鞘磷脂的緊密排列能力和高Tt，與蛋白質存在與否無關第八頁，共56頁。4.1.2.2功能筏形成的物理化學基礎3.功能筏與液態(tài)有序相鞘磷脂在生理條件處于凝膠態(tài)L(Tt>37°C)膽固醇的存在使功能筏處于一種特殊的物理狀態(tài)-液態(tài)有序相(liquid-orderedphase,Lophase)液態(tài)有序相Lo介于凝膠相L與液晶相L之間在液態(tài)有序相，磷脂處于緊密填充、烴鏈伸展狀態(tài)（與凝膠相類似）在液態(tài)有序相，磷脂分子仍可在脂雙層中作側向和旋轉運動（與液晶相類似）第九頁，共56頁。為什么膽固醇傾向與鞘磷脂聚集？第十頁，共56頁。膽固醇對膜物理狀態(tài)的調節(jié)第十一頁，共56頁。4.1.2.3功能筏中蛋白質錨定方式蛋白質可以三種方式與功能筏結合跨膜序列GPI錨定脂化錨定第十二頁，共56頁。跨膜序列錨定第十三頁，共56頁。GPI(glycosylphosphatidylinositol)錨定第十四頁，共56頁。GPI的添加過程第十五頁，共56頁。脂化錨定第十六頁，共56頁。第十七頁，共56頁。4.2功能筏的分子組成功能筏中富集了特殊的脂質和蛋白質功能筏是一個特殊的膜脂-蛋白復合體系功能筏富含脂錨定蛋白功能筏富含受體和信號轉導分子第十八頁，共56頁。4.2功能筏的分子組成脂類 生化定位 形態(tài)學定位神經(jīng)節(jié)苷脂(GSL) 神經(jīng)鞘磷脂(SM) 神經(jīng)酰胺(ceramide) 二酰甘油(DAG) 膽固醇 (cholesterol) 第十九頁，共56頁。4.2功能筏的分子組成糖蛋白 生化定位 形態(tài)學定位G-蛋白(G,G)

Src,fyn,hck eNOS CD-36 caveolin 第二十頁，共56頁。4.2功能筏的分子組成脂錨定蛋白 生化定位 形態(tài)學定位 GPI錨蛋白葉酸受體 Thy-1 堿性磷酸酶 Prion 尿激酶rec CD14 異戊二烯錨蛋白Rap1A Ras 第二十一頁，共56頁。4.2功能筏的分子組成膜受體 生化定位 形態(tài)學定位生長因子PDGF受體 胰島素受體 EGF受體 縮膽囊素CCK受體 M2乙酰膽堿受體 腎上腺素受體 緩激肽受體 內皮素受體 組織因子受體

第二十二頁，共56頁。4.2功能筏的分子組成信使 生化定位 形態(tài)學定位PKC

SHC Sos Grb2 MAP激酶 腺苷酸環(huán)化酶 SYP PI3激酶 Raf1 CaM 磷脂酸肌醇磷脂酶 第二十三頁，共56頁。4.2功能筏的分子組成轉運蛋白 生化定位 形態(tài)學定位Porin IP3受體 Ca2+-ATP酶 H+-ATP酶 aquaporin-1 第二十四頁，共56頁。4.2功能筏的分子組成結構分子 生化定位 形態(tài)學定位膜聯(lián)蛋白II VAMP NSF MAL 肌球蛋白 肌動蛋白 第二十五頁，共56頁。4.2功能筏的分子組成4.2.1脂類功能筏中富含鞘脂（糖鞘脂、鞘磷脂）和膽固醇形成的脂聚集體具有液態(tài)有序相的特征分子的側向運動和轉動比液晶相低膜蛋白特別是脂錨定蛋白可長期停留在功能筏中第二十六頁，共56頁。4.2功能筏的分子組成4.2.2蛋白質功能筏中的蛋白大部分是脂錨定蛋白GPI錨定蛋白脂化錨定蛋白脂錨定蛋白趨向于在功能筏中成簇脂錨定蛋白與功能筏的結合是動態(tài)的脂錨定蛋白的側向遷移在不同的膜區(qū)來回傳遞信息第二十七頁，共56頁。4.3功能筏的功能4.3.1生物合成運輸對MDCK細胞的胞內運輸研究表明：細胞在高爾基體的trans-Golginetwork(TGN)區(qū)將GPI錨蛋白和頂生膜蛋白篩選入富含鞘脂/膽固醇的功能筏中通過富含功能筏的囊泡運送到細胞膜的頂生區(qū)GPI錨和特定跨膜序列起分選信號的作用N-聚糖具有頂生分選的功能，蛋白通過N-聚糖與功能筏上的外源凝集素結合第二十八頁，共56頁。

Post-Golgi循環(huán)深色：基于功能筏的循環(huán)淺色：非功能筏循環(huán)第二十九頁，共56頁。4.3功能筏的功能穿胞吞排（transcytosis）在內皮細胞中，功能筏介導一種跨越細胞的穿胞吞排在腔側表面形成含蛋白質的囊泡囊泡穿越細胞與基底膜融合，釋放所含物質4.3.2胞吞運輸?shù)谌?，?6頁。4.3功能筏的功能攝液作用（potocytosis）細胞通過功能筏形成的膜穴的可逆開關內吞葉酸1.葉酸與開放膜穴膜上受體結合2.膜穴閉合3.葉酸從受體解離，通過載體進入胞內4.膜穴重新開放4.3.2胞吞運輸?shù)谌豁摚?6頁。4.3功能筏的功能4.3.3信號轉導細胞膜脂類分布的區(qū)域化使不同蛋白質被限制在不同的區(qū)域在功能筏中發(fā)現(xiàn)多種信號轉導相關分子GPI錨蛋白的富集可根據(jù)細胞類型激活不同的信號途徑1.筏中被激活的酶可水解GPI產生第二信使2.GPI蛋白的富集為與其作用的信號轉導蛋白相互作用提供了平臺功能筏可將受體濃縮加速與配體的結合避免信號途徑的交叉，保證信號轉導的準確性第三十二頁，共56頁。4.3功能筏的功能功能筏介導細胞信號轉導1.酪氨酸激酶(tyrosinekinase,PTK)PTK使與之偶聯(lián)的受體磷酸化，激活級聯(lián)反應PTKs富集于功能筏之中PTK的靶分子也富集于功能筏之中功能筏是PTKs介導的信號轉導場所第三十三頁，共56頁。4.3功能筏的功能2.GTP結合蛋白(G-蛋白)G-蛋白活化與之耦聯(lián)的受體，產生第二信使或直接引起級聯(lián)反應G-蛋白及其效應蛋白富集于功能筏功能筏是G-蛋白介導的信號轉導場所第三十四頁，共56頁。4.3功能筏的功能3.Ca2+信號轉導功能筏是平滑肌Ca2+進入和存貯部位與Ca2+運輸相關的關鍵蛋白均在功能筏定位Ca2+-ATPaseIP3receptorCaM功能筏是Ca2+信號轉導場所第三十五頁，共56頁。4.3功能筏的功能4.脂介導的信號轉導功能筏中的分子鞘磷脂、磷脂酰肌醇-4，5-二磷酸和GPI蛋白在受激時產生信使分子神經(jīng)酰胺(ceramide)肌醇三磷酸(IP3)肌醇磷酸聚合物(IPG)反應是功能筏特異的，在非功能筏區(qū)不發(fā)生功能筏是脂介導的信號轉導場所第三十六頁，共56頁。4.3功能筏的功能5.信號整合信號整合是兩個或多個信號轉導過程之間存在反饋相互作用，使信號轉導途徑相互調節(jié)功能筏中存在不同途徑的信號轉導分子，使信號整合成為可能參與不同信號通路的組分在同一功能筏中存在，功能筏成為通路間進行“交互聯(lián)通”(cross-talk)的平臺第三十七頁，共56頁。第三十八頁，共56頁。4.4特殊的“功能筏”-膜穴

在胞吞、脂類運輸過程中，質膜表面會出現(xiàn)一種穴樣凹陷，稱為膜穴(caveolae)膜穴具有功能筏類似的組成、性質和結構膜穴是一種特殊的“功能筏”第三十九頁，共56頁。4.4特殊的“功能筏”-膜穴膜穴的發(fā)現(xiàn)1953年，Palade發(fā)現(xiàn)內皮細胞形如瓶狀的內陷-膜脂囊泡(plamalemmalvesicle)1955年，Yamada提出用膜穴(caveolae)命名這類囊泡第四十頁，共56頁。4.4.1膜穴的定義膜穴是細胞表面的凹陷，具有特殊結構和功能的膜系統(tǒng)膜穴具有如下特征4C時抵制去垢劑TritonX-100的溶解作用具有較輕的浮力密度富含鞘磷脂、膽固醇和脂錨定蛋白第四十一頁，共56頁。膜穴的電鏡照片第四十二頁，共56頁。4.4.2膜穴的分子組成膜穴特征蛋白內皮細胞合成纖維細胞的膜穴有一個條紋狀的衣層（caveolaecoat）（電鏡）衣層對膜穴進行修飾并控制形狀衣層中有特征蛋白-內陷素（caveolin）哺乳動物有4種內陷素：caveolin-1,-1,-2,-3caveolin-1的表達與衣層出現(xiàn)相關膽固醇鰲合或耗竭可使衣層解聚，膜穴消失caveolin-1可能是膽固醇結合蛋白，與膽固醇共同作用形成衣層第四十三頁，共56頁。4.4.3膜穴的產生和維持1.膜穴的組裝首先在高爾基體的運輸區(qū)形成富含GSL/SM/Cholesterol的功能筏脂化錨蛋白、caveolin-1在內質網(wǎng)合成脂化錨蛋白、caveolin-1插入功能筏新合成的含功能筏的分選囊泡運輸?shù)郊毎砻嫫渌哪さ鞍淄ㄟ^蛋白-蛋白相互作用在功能筏中富集膜穴形成并內化將分子分送到特定部位第四十四頁，共56頁。4.4.3膜穴的產生和維持2.膜穴的維持膽固醇和鞘磷脂對于維持膜穴的結構與功能至關重要膽固醇會在不同的膜系統(tǒng)（內質網(wǎng)-質膜，內質網(wǎng)-膜穴）之間來回穿梭功能筏中膽固醇水平降低會導致GPI錨蛋白從簇中分散條紋狀衣層解聚膜穴消失當膽固醇被膽固醇氧化酶氧化時，caveolin從膜穴移到ER去除膽固醇氧化酶后，caveolin回到膜穴第四十五頁，共56頁。4.4.3膜穴的產生和維持膽固醇在內質網(wǎng)和膜穴之間的雙向運輸涉及到caveolincaveolin-1可與膽固醇結合并在內膜和膜穴之間移動caveolin-1水平降低時，膜穴形成受抑制caveolin-1水平升高時，膜穴生成增加第四十六頁，共56頁。4.4.3膜穴的產生和維持A.在Golgi體形成含功能筏的分選囊泡并運到細胞表面B.穿梭囊泡從內質網(wǎng)運輸膽固醇及其它脂質C.GPI及脂錨定蛋白在功能筏富集D.其它膜蛋白通過與錨定蛋白相互作用在功能筏富集和組裝，形成膜穴第四十七頁，共56頁。4.4.4膜穴的功能膜穴是在細胞內兩個表面間穿梭的囊泡的來源穿胞囊泡可不經(jīng)中間區(qū)室，直接穿越細胞膜穴可融合形成跨細胞的膜穴通道，使小分子通過細胞4.4.4.1穿胞吞排(transcytosis)第四十八頁，共56頁。4.4.4膜穴的功能