细胞膜的功能筏及膜穴系统

细胞膜的功能筏及膜穴系统第1页，共78页，2023年，2月20日，星期二一、细胞膜的结构第2页，共78页，2023年，2月20日，星期二第3页，共78页，2023年，2月20日，星期二★主要由膜脂和膜蛋白组成，另外还有少量糖，以糖脂和糖蛋白存在。★膜脂是膜的基本骨架，膜蛋白是膜功能的主要体现者。★动物细胞膜通常含等量的脂类和蛋白质。第4页，共78页，2023年，2月20日，星期二第5页，共78页，2023年，2月20日，星期二（一）膜脂第6页，共78页，2023年，2月20日，星期二（一）膜脂1.磷脂约占膜脂的50％以上。主要特征：◆一个极性头、两个非极性尾（脂肪酸链）。◆脂肪酸碳链为偶数，16，18或20个碳原子。◆常含有不饱和脂肪酸（如油酸）。膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇三类。第7页，共78页，2023年，2月20日，星期二Phospholipids第8页，共78页，2023年，2月20日，星期二⑴

甘油磷脂以甘油为骨架，主要有：磷脂酰胆碱phosphatidylcholine，PC（卵磷脂）磷脂酰丝氨酸phosphatidylserine，PS磷脂酰乙醇胺phosphatidylethanolamine，PE（脑磷脂）磷脂酰肌醇phosphatidylinositol，PI双磷脂酰甘油Diphosphatidylglycerol,DPG（心磷脂）第9页，共78页，2023年，2月20日，星期二PhospholipidsinPlasmaMembrane卵磷脂脑磷脂磷脂酰丝氨酸磷脂酰肌醇第10页，共78页，2023年，2月20日，星期二Diphosphatidylglycerol双磷脂酰甘油心磷脂

第11页，共78页，2023年，2月20日，星期二⑵

鞘磷脂鞘磷脂（sphingomyelin，SM）以鞘胺醇（sphingosine）为骨架。脑和神经细胞膜中特别丰富，原核和植物细胞膜中不含。第12页，共78页，2023年，2月20日，星期二鞘磷脂和甘油磷脂的区别骨架甘油磷脂：甘油鞘磷脂：鞘氨醇碳氢链甘油磷脂：长度近似相等;一条饱和，一条不饱和鞘磷脂：一长一短；两条都为饱和氢键甘油磷脂：受体，只能用氢键形成3分子聚集体鞘磷脂：既可作受体，亦可作供体，可用氢键形成分子网络氢键受体氢键供体GPLSM第13页，共78页，2023年，2月20日，星期二（3）脂肪酸

在原核生物中15C~19C的脂肪酸是最常见的，脂肪酸的碳链中可以含有奇数或偶数碳原子．而且可以具有支链或者是环丙烷的衍生物。原核生物中一般不含有多不饱和脂肪酸。由于细菌中的脂肪酸组成在很多情况下取决于其生长的环境，所以很难将其脂肪酸组分的种类和数目完整列举出来。第14页，共78页，2023年，2月20日，星期二

在真核生物中，磷脂的酰基链是由14C到24C之间(动物)或16C到18C之间(植物)的直链脂肪酸衍生而来。它们通常含有偶数个碳原子(通过逐步增加2碳单元而合成)，并且含有1个或多个不饱和键：在动物细胞中，磷脂中最多可具有6个顺式双键，而在植物中通常少于3个双键。在二酰基甘油-3-磷酸基团衍生的磷脂中(来自动物)，通常含有一个饱和脂肪酸和一个不饱和脂肪团。第15页，共78页，2023年，2月20日，星期二第16页，共78页，2023年，2月20日，星期二2.糖脂

约占5％以下，神经细胞膜含量高，约占5-10％。两性分子，含糖而不含磷酸，由一个或多个糖残基与鞘氨醇的羟基结合。糖脂结构变化复杂，神经节苷脂是神经元之膜中的特征性成分。第17页，共78页，2023年，2月20日，星期二glycolipids葡萄糖脑苷脂

第18页，共78页，2023年，2月20日，星期二Glycolipids

第19页，共78页，2023年，2月20日，星期二3.胆固醇存在真核细胞膜上，含量约膜脂的1/3，植物细胞膜中含量较少。功能是提高膜的稳定性，调节流动性，降低水溶性物质的通透性。在缺少胆固醇培养基中，不能合成胆固醇的突变细胞株很快发生自溶。

第20页，共78页，2023年，2月20日，星期二4.脂质体（liposome）是一种人工膜。在水中搅动后形成。双层或单层脂分子球体，直径25~1000nm。人工脂质体可用于：转基因制备的药物研究生物膜的特性第21页，共78页，2023年，2月20日，星期二第22页，共78页，2023年，2月20日，星期二（二）膜蛋白占核基因组编码蛋白质的30%。根据与脂分子的结合方式分为：整合蛋白（integralprotein）外周蛋白（peripheralprotein）脂锚定蛋白（lipid-anchoredprotein）。第23页，共78页，2023年，2月20日，星期二整合蛋白为跨膜蛋白（transmembraneproteins），两性分子。跨膜结构域为1至多个疏水的α螺旋。与膜的结合紧密，只有用去垢剂才能从膜上洗涤下来。离子型去垢剂SDS非离子型去垢剂Triton-X100第24页，共78页，2023年，2月20日，星期二外周蛋白靠离子键或其它较弱的键与膜表面蛋白或脂分子结合，改变溶液的离子强度、提高温度就可以从膜上分离下来。一个蛋白可以由多个亚基构成，有的亚基为跨膜蛋白，有的则结合在膜的外部。第25页，共78页，2023年，2月20日，星期二脂锚定蛋白分为两类：糖磷脂酰肌醇(GPI)连接的蛋白位于细胞膜的外小叶，用磷脂酶C处理细胞，能释放出结合蛋白。许多细胞表面的受体、酶、细胞粘附分子都是这类蛋白。另一类脂锚定蛋白与插入质膜内小叶（内层磷脂）的长碳氢链结合。第26页，共78页，2023年，2月20日，星期二①,②integralprotein；③,④lipid-anchoredprotein；⑤,⑥peripheralprotein第27页，共78页，2023年，2月20日，星期二第28页，共78页，2023年，2月20日，星期二CharlesOverton1895通过物质进入细胞的速度提出推测细胞膜由连续的脂类物质组成。二、质膜结构的研究历史第29页，共78页，2023年，2月20日，星期二3.J.Danielli&H.Davson1935发现质膜的表面张力比油－水界面的张力低得多，提出三明治模型（蛋白质-脂类-蛋白质）。

2.1925年，E.Gorter和F.Grendel，通过单分子技术提出：细胞膜由双层脂类分子构成的。第30页，共78页，2023年，2月20日，星期二4.1959年，J.D.Robertson通过X射线衍射技术和电镜观察发展了三明治或三夹板质膜结构模型提出：单位膜模型(unitmembranemodel)第31页，共78页，2023年，2月20日，星期二5.Singer和Nicolson1972根据免疫荧光、冰冻蚀刻的研究结果，提出了“流动镶嵌模型”。

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

FunctionalraftsinCellmembranes.Nature387:569-5726.1977年，Jain和White提出：生物膜的板块镶嵌模型。

第32页，共78页，2023年，2月20日，星期二质膜的流动镶嵌模型①细胞膜由流动的双脂层和嵌在其中的蛋白质组成。②磷脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相组成生物膜骨架；③蛋白质或嵌在双脂层表面，或嵌在其内部，或横跨整个双脂层，表现出分布的不对称性。第33页，共78页，2023年，2月20日，星期二膜脂分子的运动：①侧向扩散运动；②旋转运动；③摆动运动④伸缩震荡运动；⑤翻转运动；⑥旋转异构化运动。第34页，共78页，2023年，2月20日，星期二影响膜脂流动性的因素胆固醇脂肪酸链的饱和度脂肪酸链的链长卵磷脂/鞘磷脂其他因素：温度、酸碱度、离子强度等。第35页，共78页，2023年，2月20日，星期二膜蛋白的分子运动侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。检测：光脱色恢复技术和细胞融合技术。膜流动性的生理意义

当膜的流动性低于一定的阈值时，许多酶的活动和跨膜运输将停止，反之如果流动性过高，又会造成膜的溶解。第36页，共78页，2023年，2月20日，星期二膜的“板块镶嵌模型”

生物膜是由具有不同流动性的板块镶嵌而成的动态结构。在一定温度下，有的膜脂处于流动的液晶态，有的处于不流动的晶态。这样，生物膜就形成了流动性不均一的板块镶嵌分布。第37页，共78页，2023年，2月20日，星期二三、细胞膜中的功能筏

传统的细胞膜结构观点认为，脂类在双层膜中主要是作为膜蛋白的溶剂，不同的膜蛋白决定了细胞膜具有不同的功能。随着研究的深入，人们逐渐认识到细胞膜上可以由特定的脂成分形成微小的脂质功能区，这些脂质微区可以“筛选”其中的蛋白质组分，一些蛋白质倾向于在脂微区中富集，而另一些蛋白质被排斥在外。这种搭载着蛋白质的、由鞘脂类和胆固醇动态聚集而成的，组成了相对稳定的具有一定功能的微区，漂浮在二维流动的细胞膜中，人们形象地称之为“功能筏”（functionalrafts）1.筏概念的形成第38页，共78页，2023年，2月20日，星期二传统观点脂质在生物膜中作为蛋白质的溶剂不同的蛋白质决定了不同膜的功能现代观点特定的脂质可形成微小的脂质微区脂质微区具有“筛选”蛋白质的功能

例：上皮细胞顶生部：富含鞘脂类基底部：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第39页，共78页，2023年，2月20日，星期二2.功能筏的结构⑴功能筏中脂的组织形式①功能筏中富含鞘脂和胆固醇两者互补形成一个排列紧密的脂双层②鞘脂是饱和磷脂，脂双层呈凝胶态③鞘脂两条脂肪酰链不等，形成交错脂双层④胆固醇填补鞘脂脂双层的空隙,调节脂双层的物理状态鞘脂头部的截面积>尾部的截面积胆固醇头部的截面积<尾部的截面积脂双层处于流体有序状态第40页，共78页，2023年，2月20日，星期二第41页，共78页，2023年，2月20日，星期二(2)功能筏形成的物理化学基础①

鞘脂类的相性质Ⅰ鞘脂类含饱和长链脂肪酸；Ⅱ极性头部之间可形成分子间氢键；Ⅲ

鞘磷脂的相变温度Tt一般在37-41C,在生理条件处于凝胶相L；生物膜中甘油磷脂的Tt一般小于0C,在生理条件处于液晶相L分子间可形成紧密的排列鞘磷脂在生物膜中可与其他脂类分离形成微畴结构第42页，共78页，2023年，2月20日，星期二

鞘磷脂和甘油磷脂的区别骨架甘油磷脂：甘油鞘磷脂：鞘氨醇碳氢链甘油磷脂：长度近似相等;一条饱和，一条不饱和鞘磷脂：一长一短；两条都为饱和氢键甘油磷脂：受体，只能用氢键形成3分子聚集体鞘磷脂：既可作受体，亦可作供体，可用氢键形成分子网络氢键受体氢键供体GPLSM第43页，共78页，2023年，2月20日，星期二

由鞘脂类形成的微畴结构能抵抗温和去垢剂的溶解，这种抵抗作用来自与鞘磷脂的紧密排列能力和高Tt，与蛋白质存在与否无关。②去垢剂不溶性

鞘磷脂在生理条件处于凝胶态L(Tt>37°C)；胆固醇的存在使功能筏处于一种特殊的物理状态——液态有序相

(liquid-orderedphase,Lophase)；③

功能筏与液态有序相液态有序相Lo介于凝胶相L与液晶相L之间：磷脂处于紧密填充、烃链伸展状态（与凝胶相类似）磷脂分子仍可在脂双层中作侧向和旋转运动（与液晶相类似）第44页，共78页，2023年，2月20日，星期二（3）功能筏中蛋白质锚定方式蛋白质可以三种方式与功能筏结合跨膜序列GPI锚定（糖基磷脂酰肌醇结合蛋白）蛋白的双酰基化第45页，共78页，2023年，2月20日，星期二

跨膜序列锚定第46页，共78页，2023年，2月20日，星期二GPI(glycosylphosphatidylinositol)锚定第47页，共78页，2023年，2月20日，星期二GPI的添加过程第48页，共78页，2023年，2月20日，星期二脂化锚定第49页，共78页，2023年，2月20日，星期二第50页，共78页，2023年，2月20日，星期二2.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是一个特殊的膜脂-蛋白复合体系功能筏富含脂锚定蛋白功能筏富含受体和信号转导分子⑴脂类功能筏中富含鞘脂（糖鞘脂、鞘磷脂）和胆固醇，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，膜蛋白特别是脂锚定蛋白可长期停留在功能筏中。⑵

蛋白质功能筏中的蛋白大部分是脂锚定蛋白：GPI锚定蛋白、脂化锚定蛋白脂锚定蛋白趋向于在功能筏中成簇，脂锚定蛋白与功能筏的结合是动态的，锚定蛋白的侧向迁移在不同的膜区来回传递信息。第51页，共78页，2023年，2月20日，星期二2.功能筏的分子组成

脂类 生化定位 形态学定位神经节苷脂(GSL) 神经鞘磷脂(SM) 神经酰胺(ceramide) 二酰甘油(DAG) 胆固醇 (cholesterol) 第52页，共78页，2023年，2月20日，星期二2.功能筏的分子组成

糖蛋白 生化定位 形态学定位G-蛋白(G,G)

Src,fyn,hck eNOS CD-36 caveolin 第53页，共78页，2023年，2月20日，星期二2.功能筏的分子组成

脂锚定蛋白 生化定位 形态学定位

GPI锚蛋白叶酸受体 Thy-1 碱性磷酸酶 Prion 尿激酶rec CD14 异戊二烯锚蛋白Rap1A Ras 第54页，共78页，2023年，2月20日，星期二2.功能筏的分子组成

膜受体 生化定位 形态学定位生长因子PDGF受体 胰岛素受体 EGF受体 缩胆囊素CCK受体 M2乙酰胆碱受体 肾上腺素受体 缓激肽受体 内皮素受体 组织因子受体

第55页，共78页，2023年，2月20日，星期二2.功能筏的分子组成

信使 生化定位 形态学定位PKC

SHC Sos Grb2 MAP激酶 腺苷酸环化酶 SYP PI3激酶 Raf1 CaM 磷脂酸肌醇磷脂酶 第56页，共78页，2023年，2月20日，星期二2.功能筏的分子组成

转运蛋白 生化定位 形态学定位Porin IP3

受体 Ca2+-ATP酶 H+-ATP酶 aquaporin-1 第57页，共78页，2023年，2月20日，星期二2.功能筏的分子组成

结构分子 生化定位 形态学定位膜联蛋白II VAMP NSF MAL 肌球蛋白 肌动蛋白 第58页，共78页，2023年，2月20日，星期二3.功能筏的功能⑴

生物合成运输对MDCK细胞的胞内运输研究表明：细胞在高尔基体的trans-Golginetwork(TGN)区将GPI锚蛋白和顶生膜蛋白筛选入富含鞘脂/胆固醇的功能筏中通过富含功能筏的囊泡运送到细胞膜的顶生区GPI锚和特定跨膜序列起分选信号的作用N-聚糖具有顶生分选的功能，蛋白通过N-聚糖与功能筏上的外源凝集素结合第59页，共78页，2023年，2月20日，星期二

Post-Golgi循环深色：基于功能筏的循环浅色：非功能筏循环第60页，共78页，2023年，2月20日，星期二穿胞吞排（transcytosis）在内皮细胞中，功能筏介导一种跨越细胞的穿胞吞排在腔侧表面形成含蛋白质的囊泡囊泡穿越细胞与基底膜融合，释放所含物质⑵

胞吞运输第61页，共78页，2023年，2月20日，星期二摄液作用（potocytosis）第62页，共78页，2023年，2月20日，星期二第63页，共78页，2023年，2月20日，星期二⑶

信号转导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功能筏中发现多种信号转导相关分子GPI锚蛋白的富集可根据细胞类型激活不同的信号途径Ⅰ筏中被激活的酶可水解GPI产生第二信使ⅡGPI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功能筏可将受体浓缩加速与配体的结合避免信号途径的交叉，保证信号转导的准确性第64页，共78页，2023年，2月20日，星期二①酪氨酸激酶(tyrosinekinase,PTK)PTK使与之偶联的受体磷酸化，激活级联反应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介导的信号转导场所功能筏介导细胞信号转导②GTP结合蛋白(G-蛋白)G-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

G-蛋白及其效应蛋白富集于功能筏功能筏是G-蛋白介导的信号转导场所第65页，共78页，2023年，2月20日，星期二功能筏是平滑肌Ca2+进入和存贮部位与Ca2+运输相关的关键蛋白均在功能筏定位Ca2+-ATPase、IP3receptor、CaM

功能筏是Ca2+信号转导场所③Ca2+信号转导④

脂介导的信号转导功能筏中的分子鞘磷脂、磷脂酰肌醇-4，5-二磷酸和GPI蛋白在受激时产生信使分子神经酰胺(ceramide)、肌醇三磷酸(IP3)、肌醇磷酸聚合物(IPG)

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第66页，共78页，2023年，2月20日，星期二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“交互联通”(cross-talk)的平台⑤

信号整合第67页，共78页，2023年，2月20日，星期二第68页，共78页，2023年，2月20日，星期二

四、特殊的“功能筏”——膜穴

膜穴具有功能筏类似的组成、性质和结构膜穴是一种特殊的“功能筏”1953年，Palade发现内皮细胞形如瓶状的内陷——膜脂囊泡(plamalemmalvesicle)。

1955年，Yamada提出用膜穴(caveolae)命名这类囊泡。第69页，共78页，2023年，2月20日，星期二1.膜穴的定义膜穴是细胞表面的凹陷，具有特殊结构和功能的膜系统膜穴具有如下特征：4C时抵制去垢剂TritonX-100的溶解作用具有较轻的浮力密度富含鞘磷脂、胆固醇和脂锚定蛋白第70页，共78页，2023年，2月20日，星期二膜穴的电镜照片第71页，共78页，2023年，2月20日，星期二内皮细胞合成纤维细胞的膜穴有一个条纹状的衣层（caveolaecoat）（电镜）衣层对膜穴进行修饰并控制形状衣层中有特征蛋白——内陷素（caveolin）哺乳动物有4种内陷素：caveolin-1,-1,-2,-3caveolin-1的表达与衣层出现相关胆固醇鳌合或