細胞膜的功能筏及膜穴系統(tǒng)

關于細胞膜的功能筏及膜穴系統(tǒng)第1頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三一、細胞膜的結構第2頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三第3頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三★主要由膜脂和膜蛋白組成，另外還有少量糖，以糖脂和糖蛋白存在?！锬ぶ悄さ幕竟羌?，膜蛋白是膜功能的主要體現(xiàn)者。★動物細胞膜通常含等量的脂類和蛋白質。第4頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三第5頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三（一）膜脂第6頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三（一）膜脂1.磷脂約占膜脂的50％以上。主要特征：◆一個極性頭、兩個非極性尾（脂肪酸鏈）?！糁舅崽兼湠榕紨?shù)，16，18或20個碳原子。◆常含有不飽和脂肪酸（如油酸）。膜脂主要包括磷脂、糖脂和膽固醇三類。第7頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三Phospholipids第8頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三⑴甘油磷脂以甘油為骨架，主要有：磷脂酰膽堿phosphatidylcholine，PC（卵磷脂）磷脂酰絲氨酸phosphatidylserine，PS磷脂酰乙醇胺phosphatidylethanolamine，PE（腦磷脂）磷脂酰肌醇phosphatidylinositol，PI雙磷脂酰甘油Diphosphatidylglycerol,DPG（心磷脂）第9頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三PhospholipidsinPlasmaMembrane卵磷脂腦磷脂磷脂酰絲氨酸磷脂酰肌醇第10頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三Diphosphatidylglycerol雙磷脂酰甘油心磷脂

第11頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三⑵鞘磷脂鞘磷脂（sphingomyelin，SM）以鞘胺醇（sphingosine）為骨架。腦和神經(jīng)細胞膜中特別豐富，原核和植物細胞膜中不含。第12頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三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13頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三（3）脂肪酸

在原核生物中15C~19C的脂肪酸是最常見的，脂肪酸的碳鏈中可以含有奇數(shù)或偶數(shù)碳原子．而且可以具有支鏈或者是環(huán)丙烷的衍生物。原核生物中一般不含有多不飽和脂肪酸。由于細菌中的脂肪酸組成在很多情況下取決于其生長的環(huán)境，所以很難將其脂肪酸組分的種類和數(shù)目完整列舉出來。第14頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三

在真核生物中，磷脂的?；準怯?4C到24C之間(動物)或16C到18C之間(植物)的直鏈脂肪酸衍生而來。它們通常含有偶數(shù)個碳原子(通過逐步增加2碳單元而合成)，并且含有1個或多個不飽和鍵：在動物細胞中，磷脂中最多可具有6個順式雙鍵，而在植物中通常少于3個雙鍵。在二酰基甘油-3-磷酸基團衍生的磷脂中(來自動物)，通常含有一個飽和脂肪酸和一個不飽和脂肪團。第15頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三第16頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三2.糖脂

約占5％以下，神經(jīng)細胞膜含量高，約占5-10％。兩性分子，含糖而不含磷酸，由一個或多個糖殘基與鞘氨醇的羥基結合。糖脂結構變化復雜，神經(jīng)節(jié)苷脂是神經(jīng)元之膜中的特征性成分。第17頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三glycolipids葡萄糖腦苷脂

第18頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三Glycolipids

第19頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三3.膽固醇存在真核細胞膜上，含量約膜脂的1/3，植物細胞膜中含量較少。功能是提高膜的穩(wěn)定性，調節(jié)流動性，降低水溶性物質的通透性。在缺少膽固醇培養(yǎng)基中，不能合成膽固醇的突變細胞株很快發(fā)生自溶。

第20頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三4.脂質體（liposome）是一種人工膜。在水中攪動后形成。雙層或單層脂分子球體，直徑25~1000nm。人工脂質體可用于：轉基因制備的藥物研究生物膜的特性第21頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三第22頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三（二）膜蛋白占核基因組編碼蛋白質的30%。根據(jù)與脂分子的結合方式分為：整合蛋白（integralprotein）外周蛋白（peripheralprotein）脂錨定蛋白（lipid-anchoredprotein）。第23頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三整合蛋白為跨膜蛋白（transmembraneproteins），兩性分子?？缒そY構域為1至多個疏水的α螺旋。與膜的結合緊密，只有用去垢劑才能從膜上洗滌下來。離子型去垢劑SDS非離子型去垢劑Triton-X100第24頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三外周蛋白靠離子鍵或其它較弱的鍵與膜表面蛋白或脂分子結合，改變溶液的離子強度、提高溫度就可以從膜上分離下來。一個蛋白可以由多個亞基構成，有的亞基為跨膜蛋白，有的則結合在膜的外部。第25頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三脂錨定蛋白分為兩類：糖磷脂酰肌醇(GPI)連接的蛋白位于細胞膜的外小葉，用磷脂酶C處理細胞，能釋放出結合蛋白。許多細胞表面的受體、酶、細胞粘附分子都是這類蛋白。另一類脂錨定蛋白與插入質膜內小葉（內層磷脂）的長碳氫鏈結合。第26頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三①,②integralprotein；③,④lipid-anchoredprotein；⑤,⑥peripheralprotein第27頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三第28頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三CharlesOverton1895通過物質進入細胞的速度提出推測細胞膜由連續(xù)的脂類物質組成。二、質膜結構的研究歷史第29頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三3.J.Danielli&H.Davson1935發(fā)現(xiàn)質膜的表面張力比油－水界面的張力低得多，提出三明治模型（蛋白質-脂類-蛋白質）。

2.1925年，E.Gorter和F.Grendel，通過單分子技術提出：細胞膜由雙層脂類分子構成的。第30頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三4.1959年，J.D.Robertson通過X射線衍射技術和電鏡觀察發(fā)展了三明治或三夾板質膜結構模型提出：單位膜模型(unitmembranemodel)第31頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三5.Singer和Nicolson1972根據(jù)免疫熒光、冰凍蝕刻的研究結果，提出了“流動鑲嵌模型”。

Fluid-mosaicmodel7.1997年，K.Simonsetal提出：脂筏模型（lipidraftsmodel）

FunctionalraftsinCellmembranes.Nature387:569-5726.1977年，Jain和White提出：生物膜的板塊鑲嵌模型。

第32頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三質膜的流動鑲嵌模型①細胞膜由流動的雙脂層和嵌在其中的蛋白質組成。②磷脂分子以疏水性尾部相對，極性頭部朝向水相組成生物膜骨架；③蛋白質或嵌在雙脂層表面，或嵌在其內部，或橫跨整個雙脂層，表現(xiàn)出分布的不對稱性。第33頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三膜脂分子的運動：①側向擴散運動；②旋轉運動；③擺動運動④伸縮震蕩運動；⑤翻轉運動；⑥旋轉異構化運動。第34頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三影響膜脂流動性的因素膽固醇脂肪酸鏈的飽和度脂肪酸鏈的鏈長卵磷脂/鞘磷脂其他因素：溫度、酸堿度、離子強度等。第35頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三膜蛋白的分子運動側向擴散和旋轉擴散兩種運動方式。檢測：光脫色恢復技術和細胞融合技術。膜流動性的生理意義

當膜的流動性低于一定的閾值時，許多酶的活動和跨膜運輸將停止，反之如果流動性過高，又會造成膜的溶解。第36頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三膜的“板塊鑲嵌模型”

生物膜是由具有不同流動性的板塊鑲嵌而成的動態(tài)結構。在一定溫度下，有的膜脂處于流動的液晶態(tài)，有的處于不流動的晶態(tài)。這樣，生物膜就形成了流動性不均一的板塊鑲嵌分布。第37頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三三、細胞膜中的功能筏

傳統(tǒng)的細胞膜結構觀點認為，脂類在雙層膜中主要是作為膜蛋白的溶劑，不同的膜蛋白決定了細胞膜具有不同的功能。隨著研究的深入，人們逐漸認識到細胞膜上可以由特定的脂成分形成微小的脂質功能區(qū)，這些脂質微區(qū)可以“篩選”其中的蛋白質組分，一些蛋白質傾向于在脂微區(qū)中富集，而另一些蛋白質被排斥在外。這種搭載著蛋白質的、由鞘脂類和膽固醇動態(tài)聚集而成的，組成了相對穩(wěn)定的具有一定功能的微區(qū)，漂浮在二維流動的細胞膜中，人們形象地稱之為“功能筏”（functionalrafts）1.筏概念的形成第38頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三傳統(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39頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三2.功能筏的結構⑴功能筏中脂的組織形式①功能筏中富含鞘脂和膽固醇兩者互補形成一個排列緊密的脂雙層②鞘脂是飽和磷脂，脂雙層呈凝膠態(tài)③鞘脂兩條脂肪酰鏈不等，形成交錯脂雙層④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)鞘脂頭部的截面積>尾部的截面積膽固醇頭部的截面積<尾部的截面積脂雙層處于流體有序狀態(tài)第40頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三第41頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三(2)功能筏形成的物理化學基礎①鞘脂類的相性質Ⅰ鞘脂類含飽和長鏈脂肪酸；Ⅱ極性頭部之間可形成分子間氫鍵；Ⅲ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分子間可形成緊密的排列鞘磷脂在生物膜中可與其他脂類分離形成微疇結構第42頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三

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43頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三

由鞘脂類形成的微疇結構能抵抗溫和去垢劑的溶解，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。②去垢劑不溶性

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)；③功能筏與液態(tài)有序相液態(tài)有序相Lo介于凝膠相L與液晶相L之間：磷脂處于緊密填充、烴鏈伸展狀態(tài)（與凝膠相類似）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44頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三（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（糖基磷脂酰肌醇結合蛋白）蛋白的雙?；?5頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三

跨膜序列錨定第46頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三GPI(glycosylphosphatidylinositol)錨定第47頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三GPI的添加過程第48頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三脂化錨定第49頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三第50頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三2.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⑴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。⑵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，錨定蛋白的側向遷移在不同的膜區(qū)來回傳遞信息。第51頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三2.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52頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三2.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53頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三2.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54頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三2.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55頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三2.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56頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三2.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57頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三2.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58頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三3.功能筏的功能⑴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59頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三

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60頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三穿胞吞排（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⑵胞吞運輸?shù)?1頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三攝液作用（potocytosis）第62頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三第63頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三⑶

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Ⅰ筏中被激活的酶可水解GPI產(chǎn)生第二信使ⅡGPI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64頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三①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功能筏介導細胞信號轉導②GTP結合蛋白(G-蛋白)G-蛋白活化與之耦聯(lián)的受體，產(chǎn)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65頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三功能筏是平滑肌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+-ATPase、IP3receptor、CaM

功能筏是Ca2+信號轉導場所③Ca2+信號轉導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(chǎn)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66頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三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⑤信號整合第67頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三第68頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三

四、特殊的“功能筏”——膜穴

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”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69頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三1.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70頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三膜穴的電鏡照片第71頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三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2.膜穴特征蛋白第72頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三3.膜穴的產(chǎn)生和維持⑴膜穴的組裝首先在高爾基體的運輸區(qū)形成富含GSL/SPH/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73頁，講稿共81頁，2023年5月2日，星期三⑵膜穴的維持膽固