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Membrane Biophysics 尹长城尹长城北京大学医学部生物物理学系北京大学医学部生物物理学系 4.生物膜的结构生物膜的结构生物膜的结构模型生物膜的结构模型n1972年，年，Singer&Nicolson提出生物膜提出生物膜“流动镶嵌模型流动镶嵌模型”n生物膜是脂双层结构生物膜是脂双层结构n生物膜是均匀的二维流体，可以流动生物膜是均匀的二维流体，可以流动n蛋白质镶嵌在脂双层之中，像海洋中的蛋白质镶嵌在脂双层之中，像海洋中的“冰山冰山”，可在脂双层中运动可在脂双层中运动n对对“流动镶嵌模型流动镶嵌模型”的修正的修正n生物膜中存在膜微畴生物膜中存在膜微畴(detergent-resistant membrane domains)n膜微畴由鞘脂和胆固醇聚集而成膜微畴由鞘脂和胆固醇聚集而成n许多蛋白在膜微畴中许多蛋白在膜微畴中“停泊停泊”并行使功能并行使功能膜微畴是一个漂浮于二维流体中的膜微畴是一个漂浮于二维流体中的“功能筏功能筏”(functional rafts)4.1 细胞膜中的功能筏细胞膜中的功能筏4.1.1 功能筏概念的形成功能筏概念的形成n传统观点传统观点n脂质在生物膜中作为蛋白质的溶剂脂质在生物膜中作为蛋白质的溶剂n不同的蛋白质决定了不同膜的功能不同的蛋白质决定了不同膜的功能n现代观点现代观点n特定的脂质可形成微小的脂质微区特定的脂质可形成微小的脂质微区n脂质微区具有脂质微区具有“筛选筛选”蛋白质的功能蛋白质的功能例：上皮细胞例：上皮细胞n顶生部：富含鞘脂类顶生部：富含鞘脂类n基底部：富含甘油脂和卵磷脂基底部：富含甘油脂和卵磷脂顶生部和基底部具有完全不同的生理功能顶生部和基底部具有完全不同的生理功能4.1.2 功能筏的结构功能筏的结构4.1.2.1 功能筏中脂的组织形式功能筏中脂的组织形式n功能筏中富含鞘脂和胆固醇功能筏中富含鞘脂和胆固醇n鞘脂头部的截面积鞘脂头部的截面积尾部的截面积尾部的截面积n胆固醇头部的截面积胆固醇头部的截面积 37 C)n胆固醇的存在使功能筏处于一种特殊的物理状胆固醇的存在使功能筏处于一种特殊的物理状态态-液态有序相液态有序相(liquid-ordered phase,Lo phase)n液态有序相液态有序相Lo介于凝胶相介于凝胶相L 与液晶相与液晶相L 之间之间在液态有序相，磷脂处于紧密填充、烃链伸展在液态有序相，磷脂处于紧密填充、烃链伸展状态（与凝胶相类似）状态（与凝胶相类似）在液态有序相，磷脂分子仍可在脂双层中作侧在液态有序相，磷脂分子仍可在脂双层中作侧向和旋转运动向和旋转运动（与液晶相类似）（与液晶相类似）为什么胆固醇倾向与鞘磷脂聚集为什么胆固醇倾向与鞘磷脂聚集？胆固醇对膜物理状态的调节胆固醇对膜物理状态的调节4.1.2.3 功能筏中蛋白质锚定方式功能筏中蛋白质锚定方式n蛋白质可以三种方式与功能筏结合蛋白质可以三种方式与功能筏结合 n跨膜序列跨膜序列nGPI锚定锚定n脂化锚定脂化锚定 跨膜序列锚定跨膜序列锚定GPI(glycosylphosphatidylinositol)锚锚定定GPI的添加过程的添加过程脂化锚定脂化锚定4.2 功能筏的分子组成功能筏的分子组成功能筏中富集了特殊的脂质和蛋白质功能筏中富集了特殊的脂质和蛋白质n功能筏是一个特殊的膜脂功能筏是一个特殊的膜脂-蛋白复合体系蛋白复合体系n功能筏富含脂锚定蛋白功能筏富含脂锚定蛋白n功能筏富含受体和信号转导分子功能筏富含受体和信号转导分子4.2 功能筏的分子组成功能筏的分子组成n 脂类脂类生化定位生化定位 形态学定位形态学定位n神经节苷脂神经节苷脂(GSL)n神经鞘磷脂神经鞘磷脂(SM)n神经酰胺神经酰胺(ceramide)n二酰甘油二酰甘油(DAG)n胆固醇胆固醇(cholesterol)4.2 功能筏的分子组成功能筏的分子组成n 糖蛋白糖蛋白生化定位生化定位 形态学定位形态学定位nG-蛋白蛋白(G,G)nSrc,fyn,hck neNOS nCD-36 ncaveolin 4.2 功能筏的分子组成功能筏的分子组成n 脂锚定蛋白脂锚定蛋白生化定位生化定位形态学定位形态学定位GPI锚蛋白锚蛋白n叶酸受体叶酸受体 nThy-1 n碱性磷酸酶碱性磷酸酶 nPrion n尿激酶尿激酶rec nCD14 异戊二烯锚蛋白异戊二烯锚蛋白nRap1A nRas 4.2 功能筏的分子组成功能筏的分子组成n 膜受体膜受体生化定位生化定位形态学定位形态学定位n生长因子生长因子PDGF受体受体 n胰岛素受体胰岛素受体 nEGF受体受体 n缩胆囊素缩胆囊素CCK受体受体 nM2乙酰胆碱受体乙酰胆碱受体 n 肾上腺素受体肾上腺素受体 n缓激肽受体缓激肽受体 n内皮素受体内皮素受体 n组织因子受体组织因子受体 4.2 功能筏的分子组成功能筏的分子组成n 信使信使生化定位生化定位形态学定位形态学定位nPKC nSHC nSos nGrb2 nMAP激酶激酶 n腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶 nSYP nPI3激酶激酶 nRaf1 nCaM n磷脂酸肌醇磷脂酶磷脂酸肌醇磷脂酶 4.2 功能筏的分子组成功能筏的分子组成n 转运蛋白转运蛋白生化定位生化定位 形态学定位形态学定位nPorin nIP3 受体受体 nCa2+-ATP酶酶 nH+-ATP酶酶 naquaporin-1 4.2 功能筏的分子组成功能筏的分子组成n 结构分子结构分子生化定位生化定位 形态学定位形态学定位n膜联蛋白膜联蛋白II nVAMP nNSF nMAL n肌球蛋白肌球蛋白 n肌动蛋白肌动蛋白 4.2 功能筏的分子组成功能筏的分子组成4.2.1 脂类脂类n功能筏中富含鞘脂（糖鞘脂、鞘磷脂）功能筏中富含鞘脂（糖鞘脂、鞘磷脂）和胆固醇和胆固醇形成的脂聚集体具有液态有序相的特征形成的脂聚集体具有液态有序相的特征分子的侧向运动和转动比液晶相低分子的侧向运动和转动比液晶相低膜蛋白特别是脂锚定蛋白可长期停留在膜蛋白特别是脂锚定蛋白可长期停留在功能筏中功能筏中4.2 功能筏的分子组成功能筏的分子组成4.2.2 蛋白质蛋白质n功能筏中的蛋白大部分是脂锚定蛋白功能筏中的蛋白大部分是脂锚定蛋白nGPI锚定蛋白锚定蛋白n脂化锚定蛋白脂化锚定蛋白n脂锚定蛋白趋向于在功能筏中成簇脂锚定蛋白趋向于在功能筏中成簇n脂锚定蛋白与功能筏的结合是动态的脂锚定蛋白与功能筏的结合是动态的脂锚定蛋白的侧向迁移在不同的膜区来脂锚定蛋白的侧向迁移在不同的膜区来回传递信息回传递信息4.3 功能筏的功能功能筏的功能4.3.1 生物合成运输生物合成运输对对MDCK细胞的胞内运输研究表明：细胞的胞内运输研究表明：n细胞在高尔基体的细胞在高尔基体的trans-Golgi network(TGN)区将区将GPI锚蛋白和顶生膜蛋白筛选入富锚蛋白和顶生膜蛋白筛选入富含鞘脂含鞘脂/胆固醇的功能筏中胆固醇的功能筏中n通过富含功能筏的囊泡运送到细胞膜的顶生区通过富含功能筏的囊泡运送到细胞膜的顶生区nGPI锚和特定跨膜序列起分选信号的作用锚和特定跨膜序列起分选信号的作用nN-聚糖具有顶生分选的功能，蛋白通过聚糖具有顶生分选的功能，蛋白通过N-聚糖与功聚糖与功能筏上的外源凝集素结合能筏上的外源凝集素结合 Post-Golgi 循环循环n深色：基于功能筏的循环深色：基于功能筏的循环n浅色：非功能筏循环浅色：非功能筏循环4.3 功能筏的功能功能筏的功能穿胞吞排穿胞吞排（transcytosis）n在内皮细胞中，功能在内皮细胞中，功能筏介导一种跨越细胞筏介导一种跨越细胞的穿胞吞排的穿胞吞排n在腔侧表面形成含蛋在腔侧表面形成含蛋白质的囊泡白质的囊泡n囊泡穿越细胞囊泡穿越细胞n与基底膜融合，释放与基底膜融合，释放所含物质所含物质4.3.2 胞吞运输胞吞运输4.3 功能筏的功能功能筏的功能摄液作用（摄液作用（potocytosis）n细胞通过功能筏形成的细胞通过功能筏形成的膜穴的可逆开关内吞叶膜穴的可逆开关内吞叶酸酸1.叶酸与开放膜穴膜上受体叶酸与开放膜穴膜上受体结合结合2.膜穴闭合膜穴闭合3.叶酸从受体解离，通过载叶酸从受体解离，通过载体进入胞内体进入胞内4.膜穴重新开放膜穴重新开放4.3.2 胞吞运输胞吞运输4.3 功能筏的功能功能筏的功能4.3.3 信号转导信号转导n细胞膜脂类分布的区域化使不同蛋白质被限制细胞膜脂类分布的区域化使不同蛋白质被限制在不同的区域在不同的区域n在功能筏中发现多种信号转导相关分子在功能筏中发现多种信号转导相关分子nGPI锚蛋白的富集可根据细胞类型激活不同的锚蛋白的富集可根据细胞类型激活不同的信号途径信号途径1.筏中被激活的酶可水解筏中被激活的酶可水解GPI产生第二信使产生第二信使2.GPI蛋白的富集为与其作用的信号转导蛋白相互作蛋白的富集为与其作用的信号转导蛋白相互作用提供了平台用提供了平台n功能筏可将受体浓缩功能筏可将受体浓缩n加速与配体的结合加速与配体的结合n避免信号途径的交叉，保证信号转导的准确性避免信号途径的交叉，保证信号转导的准确性4.3 功能筏的功能功能筏的功能功能筏介导细胞信号转导功能筏介导细胞信号转导1.酪氨酸激酶酪氨酸激酶(tyrosine kinase,PTK)nPTK使与之偶联的受体磷酸化，激活级使与之偶联的受体磷酸化，激活级联反应联反应nPTKs富集于功能筏之中富集于功能筏之中nPTK的靶分子也富集于功能筏之中的靶分子也富集于功能筏之中功能筏是功能筏是PTKs介导的信号转导场所介导的信号转导场所4.3 功能筏的功能功能筏的功能2.GTP结合蛋白结合蛋白(G-蛋白蛋白)nG-蛋白活化与之耦联的受体，产生第二蛋白活化与之耦联的受体，产生第二信使或直接引起级联反应信使或直接引起级联反应nG-蛋白及其效应蛋白富集于功能筏蛋白及其效应蛋白富集于功能筏功能筏是功能筏是G-蛋白介导的信号转导场所蛋白介导的信号转导场所4.3 功能筏的功能功能筏的功能3.Ca2+信号转导信号转导n功能筏是平滑肌功能筏是平滑肌Ca2+进入和存贮部位进入和存贮部位n与与Ca2+运输相关的关键蛋白均在运输相关的关键蛋白均在功能筏功能筏定位定位nCa2+-ATPasenIP3 receptornCaM功能筏是功能筏是Ca2+信号转导场所信号转导场所4.3 功能筏的功能功能筏的功能4.脂介导的信号转导脂介导的信号转导n功能筏中的分子鞘磷脂、磷脂酰肌醇功能筏中的分子鞘磷脂、磷脂酰肌醇-4，5-二二磷酸和磷酸和GPI蛋白在受激时产生信使分子蛋白在受激时产生信使分子n神经酰胺神经酰胺(ceramide)n肌醇三磷酸肌醇三磷酸(IP3)n肌醇磷酸聚合物肌醇磷酸聚合物(IPG)n反应是功能筏特异的，在非功能筏区不发生反应是功能筏特异的，在非功能筏区不发生功能筏是脂介导的信号转导场所功能筏是脂介导的信号转导场所4.3 功能筏的功能功能筏的功能5.信号整合信号整合n信号整合是两个或多个信号转导过程之间存在信号整合是两个或多个信号转导过程之间存在反馈相互作用，使信号转导途径相互调节反馈相互作用，使信号转导途径相互调节n功能筏中存在不同途径的信号转导分子，使信功能筏中存在不同途径的信号转导分子，使信号整合成为可能号整合成为可能n参与不同信号通路的组分在同一功能筏中存在，参与不同信号通路的组分在同一功能筏中存在，功能筏成为通路间进行功能筏成为通路间进行“交互联通交互联通”(cross-talk)的平台的平台4.4 特殊的特殊的“功能筏功能筏”-膜穴膜穴 n在胞吞、脂类运输过程中，质膜表面会在胞吞、脂类运输过程中，质膜表面会出现一种穴样凹陷，称为膜穴出现一种穴样凹陷，称为膜穴(caveolae)n膜穴具有功能筏类似的组成、性质和结膜穴具有功能筏类似的组成、性质和结构构膜穴是一种特殊的膜穴是一种特殊的“功能筏功能筏”4.4 特殊的特殊的“功能筏功能筏”-膜穴膜穴n膜穴的发现膜穴的发现n1953年，年，Palade发现内皮细胞形如瓶状的发现内皮细胞形如瓶状的内陷内陷-膜脂囊泡膜脂囊泡(plamalemmal vesicle)n1955年，年，Yamada提出用膜穴提出用膜穴(caveolae)命名这类囊泡命名这类囊泡4.4.1 膜穴的定义膜穴的定义n膜穴是细胞表面的凹陷，具有特殊结构膜穴是细胞表面的凹陷，具有特殊结构和功能的膜系统和功能的膜系统n膜穴具有如下特征膜穴具有如下特征n4 C时抵制去垢剂时抵制去垢剂Triton X-100的溶解作的溶解作用用n具有较轻的浮力密度具有较轻的浮力密度n富含鞘磷脂、胆固醇和脂锚定蛋白富含鞘磷脂、胆固醇和脂锚定蛋白膜穴的电镜照片膜穴的电镜照片4.4.2 膜穴的分子组成膜穴的分子组成膜穴特征蛋白膜穴特征蛋白n内皮细胞合成纤维细胞的膜穴有一个条纹状的内皮细胞合成纤维细胞的膜穴有一个条纹状的衣层（衣层（caveolae coat）（）（电镜）电镜）n衣层对膜穴进行修饰并控制形状衣层对膜穴进行修饰并控制形状n衣层中有特征蛋白衣层中有特征蛋白-内陷素（内陷素（caveolin）n哺乳动物有哺乳动物有4种内陷素：种内陷素：caveolin-1,-1,-2,-3ncaveolin-1的表达与衣层出现相关的表达与衣层出现相关n胆固醇鳌合或耗竭可使衣层解聚，膜穴消失胆固醇鳌合或耗竭可使衣层解聚，膜穴消失ncaveolin-1可能是胆固醇结合蛋白，与胆固醇可能是胆固醇结合蛋白，与胆固醇共同作用形成衣层共同作用形成衣层4.4.3 膜穴的产生和维持膜穴的产生和维持1.膜穴的组装膜穴的组装n首先在高尔基体的运输区形成富含首先在高尔基体的运输区形成富含GSL/SM/Cholesterol的的功能筏功能筏n脂化锚蛋白、脂化锚蛋白、caveolin-1在内质网合成在内质网合成n脂化锚蛋白、脂化锚蛋白、caveolin-1插入功能筏插入功能筏n新合成的含功能筏的分选囊泡运输到细胞表面新合成的含功能筏的分选囊泡运输到细胞表面n其他的膜蛋白通过蛋白其他的膜蛋白通过蛋白-蛋白相互作用在功能蛋白相互作用在功能筏中富集筏中富集n膜穴形成并内化将分子分送到特定部位膜穴形成并内化将分子分送到特定部位4.4.3 膜穴的产生和维持膜穴的产生和维持2.膜穴的维持膜穴的维持n胆固醇和鞘磷脂对于维持膜穴的结构与功能至胆固醇和鞘磷脂对于维持膜穴的结构与功能至关重要关重要n胆固醇会在不同的膜系统（内质网胆固醇会在不同的膜系统（内质网-质膜，内质膜，内质网质网-膜穴）之间来回穿梭膜穴）之间来回穿梭n功能筏中胆固醇水平降低会导致功能筏中胆固醇水平降低会导致nGPI锚蛋白从簇中分散锚蛋白从簇中分散n条纹状衣层解聚条纹状衣层解聚n膜穴消失膜穴消失n当胆固醇被胆固醇氧化酶氧化时，当胆固醇被胆固醇氧化酶氧化时，caveolin从从膜穴移到膜穴移到ERn去除胆固醇氧化酶后，去除胆固醇氧化酶后，caveolin回到膜穴回到膜穴4.4.3 膜穴的产生和维持膜穴的产生和维持n胆固醇在内质网和膜穴胆固醇在内质网和膜穴之间的双向运输涉及到之间的双向运输涉及到caveolinncaveolin-1可与胆固醇可与胆固醇结合并在内膜和膜穴之结合并在内膜和膜穴之间移动间移动ncaveolin-1水平降低时，水平降低时，膜穴形成受抑制膜穴形成受抑制ncaveolin-1水平升高时，水平升高时，膜穴生成增加膜穴生成增加4.4.3 膜穴的产生和维持膜穴的产生和维持nA.在在Golgi体形成含功体形成含功能筏的分选囊泡并运到能筏的分选囊泡并运到细胞表面细胞表面nB.穿梭囊泡从内质网运穿梭囊泡从内质网运输胆固醇及其它脂质输胆固醇及其它脂质nC.GPI及脂锚定蛋白在及脂锚定蛋白在功能筏富集功能筏富集nD.其它膜蛋白通过与锚其它膜蛋白通过与锚定蛋白相互作用在功能定蛋白相互作用在功能筏富集和组装，形成膜筏富集和组装，形成膜穴穴4.4.4 膜穴的功能膜穴的功能n膜穴是在细胞内两个膜穴是在细胞内两个表面间穿梭的囊泡的表面间穿梭的囊泡的来源来源n穿胞囊泡可不经中间穿胞囊泡可不经中间区室，直接穿越细胞区室，直接穿越细胞n膜穴可融合形成跨细膜穴可融合形成跨细胞的膜穴通道，使小胞的膜穴通道，使小分子通过细胞分子通过细胞4.4.4.1 穿胞吞排穿胞吞排(transcytosis)4.4.4 膜穴的功能膜穴的功能4.4.4.2 细胞摄液作用细胞摄液作用(potocytosis)n膜穴可能介导细胞对分子和离子的摄取膜穴可能介导细胞对分子和离子的摄取n细胞上的受体常常位于内陷的膜穴，而不是笼细胞上的受体常常位于内陷的膜穴，而不是笼形蛋白包被内陷微囊形蛋白包被内陷微囊(clathrin-coated pits)n由膜穴介导细胞摄液作用的途径由膜穴介导细胞摄液作用的途径n从细胞表面移至胞质中从细胞表面移至胞质中n从细胞表面移至内质网从细胞表面移至内质网n从细胞的一个表面移至另一个表面从细胞的一个表面移至另一个表面n从细胞表面转移至膜穴衍生的管道或囊泡从细胞表面转移至膜穴衍生的管道或囊泡由膜穴介导的细胞摄液作用途径由膜穴介导的细胞摄液作用途径4.5 功能筏与人类疾病功能筏与人类疾病1.Prion疾病疾病nPrion 可使人和动物产生致命的脑病可使人和动物产生致命的脑病n致病机制：致病机制：Prc（无转化能力）无转化能力）Prsc（强转化能力）强转化能力）n在神经元细胞中，在神经元细胞中，GPI-Prc定位于功能筏中定位于功能筏中nGPI-Prc定位于功能筏是定位于功能筏是Prc Prsc必需的必需的n替代替代GPI锚定序列可抑制转化锚定序列可抑制转化n降低胆固醇也可抑制转化降低胆固醇也可抑制转化Prion 的构象转变的构象转变4.5 功能筏与人类疾病功能筏与人类疾病2.病原体入侵病原体入侵n功能筏可能是病原体和病原体产生的分功能筏可能是病原体和病原体产生的分子入胞的关键位点子入胞的关键位点nSV40病毒病毒n空肠弯曲杆菌空肠弯曲杆菌n霍乱毒素霍乱毒素nGPI-结合蛋白类毒素结合蛋白类毒素nHIV HIV对宿主的感染对宿主的感染4.5 功能筏与人类疾病功能筏与人类疾病3.癌症癌症n在许多转化细胞中膜穴的数量大量减少在许多转化细胞中膜穴的数量大量减少n膜穴的减少与膜穴的减少与caveolin-1的酪氨酸磷酸的酪氨酸磷酸化或在细胞中的缺失有关化或在细胞中的缺失有关4.5 功能筏与人类疾病功能筏与人类疾病4.心血管疾病心血管疾病n心血管系统的细胞有丰富的膜穴心血管系统的细胞有丰富的膜穴n膜穴在胆固醇代谢中起关键作用膜穴在胆固醇代谢中起关键作用n胆固醇代谢异常会导致心血管疾病胆固醇代谢异常会导致心血管疾病膜穴结构与功能异常导致心血管疾病膜穴结构与功能异常导致心血管疾病