生物膜与疾病

基础医学院生物物理系王琼玲[e-mail]生物膜与疾病第一部分：生物膜的概念及结构和功能一般来讲，生物膜是指脂质双分子层构成的片层结构，其中分布着蛋白质、糖类等物质，包括细胞膜、细胞器膜以及核膜。广义上讲，腹膜、胸膜、软脑膜、肺泡膜、毛细血管壁等机体组织也可以称为生物膜。前者是生物水平的概念，后者是组织水平的概念。在这里我们主要介绍的是前者。一、生物膜的功能主要包括1、区间化生物膜把细胞分隔成一个个相对独立的区间，在这些独立的区间中，分别实施着不同类型的特异性活力，使多种活性作用相互干扰减少到最低。2、物质通透和输运的调节生物膜为各个区间的有控制的交流或通讯提供了手段，质膜提供的是一种选择性通透的屏障，保证适宜的物质从外环境进入细胞质而排除不适宜物质的进入。3、对细胞外信号的响应质膜在细胞对外部刺激的级联响应重起关键作用，即信号传递、放大与转换作用，除了膜上某些离子通道蛋白或感受器蛋白能感应外部电信号外，膜上受体能结合具有互补结构的特异分子或配体，不同类型的细胞具有带着不同类型受体的膜，对环境中的不同配体能够予以识别和响应。4、细胞间的相互作用多细胞生物是由许多不同类型的细胞组成，细胞之间要求形成和维持特殊的联系以协调工作，执行整体功能。在活细胞的外缘功过质膜介导多种细胞间的相互作用，如细胞间的识别、黏附和交流物质与信息。5、生化活性的定位膜提供一种方式使细胞内进行的各种生命活动有组织有序地进行。6、能量转换细胞或机体都是一个开放系统，存在一系列能力转换机制，膜在细胞的能量转换中起着重要作用。二、生物膜的结构结构模型Singer&Nicoson于1972年提出“流体镶嵌模型”流体镶嵌模型首先强调膜结构的流动性。它认为脂类双分子（脂双层）构成膜的连续骨架，但它不是固定不动的，而是一种具有流动性特点的结构，即脂类分子和蛋白质分子在膜中总是处于流动变化之中，其次，该模型强调了脂类分子与蛋白质分子之间的镶嵌关系。即蛋白质分子以不同程度的镶嵌方式与脂类双分子层结合，它们可以完全穿过脂双层，也可以部分插入脂双层。此外，该模型还指出生物膜中各种化学成分的分布是高度不对称得。Jain和White于1977年提出了膜的“板块镶嵌模型”是对流体镶嵌模型的补充，这一模型主张膜中具有高度流动性的区域和非随机分布的区域同时存在，生物膜是由具有不同流动性的“板块”镶嵌而成的动态结构。Jacobson,SheetsandSimson于1997年提出膜脂不是均匀的二维流体，其中有微区-脂筏（lipidraft)，它是因鞘脂类和胆固醇的动态聚集而形成的在液态脂双层中运动的“筏”，其参与了胞内的蛋白分选与囊泡输运和信号传导过程。该模型强调膜的流动性并非是绝对的，而是有相对静止的“筏子”。三、生物膜的基本组成单位生物膜的厚度约为5-8nm，其三种基本组分是脂类、蛋白和糖，糖主要是以糖脂或者糖蛋白的形式存在。不同膜上蛋白质和脂类的比例是不同的，动物的髓鞘脂蛋白质和脂的比例为0.25，而肝线粒体内膜达3.6。这样的差别是与各种膜执行其特殊功能密切相关的。1、脂类：构成生物膜的脂类一般分为3类：磷脂、胆固醇和糖脂。这3种分分子都是兼性分子，即同时具有疏水和亲水两部分。膜结构的基础建立在膜脂主要成份磷脂的兼性特性上。磷脂兼性分子能够自组装成各种膜样微结构，包括微团、膜泡、脂质体、微管状和质双层等，其构成具有油样区和较大界面的微相。这些二维分子聚集体把暴露于水并与水不溶混的烃链面积减少到最小。膜参与的许多生物过程都利用了兼性分子的特性。磷脂又分为磷酸甘油酯和鞘磷脂（SM）。磷酸甘油酯包括：磷脂酰胆碱（PC）、磷脂酰乙醇胺（PE）、磷脂酰丝氨酸（PS）、磷脂酰肌醇（PI）和磷脂酰甘油（PG）。胆固醇与其他脂分子的结构差别很大，相对分子质量比其他膜脂小，没有长的脂肪酰链，其多分布在脂质双层的中心区域呈液晶状态，可以流动，具有双向调节流动性的作用。膜糖脂可分为：中性糖鞘脂、酸性糖鞘脂和甘油糖脂。生物膜基本上是脂双层结构，即磷脂双分子层，但是各种生物膜的相结构成分并不是单一形式，任何给定的膜也不都是仅以脂双层结构存在。某一膜内有可能同时存在几种相结构。膜脂分子可以存在以下几种相结构脂双层、非脂双层构象和混合相。脂双层构象包括液晶或流体相、固相或凝胶相。非脂双层构象包括六角形相、倒六角形相、立方体相或倒立方体相。2、糖：真核细胞的质膜表面都含有糖类化合物，它们共价连接于膜脂或膜蛋白上。生物膜上的糖类几乎总是被定位于膜的非胞浆面。糖链具有高极性甚至负电性，膜表面糖链的存在使之连接的膜蛋白不易从脂双层中滑出或翻跟斗，有利于膜蛋白三维结构的稳定和有效正确的定向、定位与抛锚。糖蛋白、糖脂具有多方面的功能。膜糖类的多样性或非均一性质是造成膜不对称性的重要原因之一，并且在细胞与细胞间、细胞与环境间的特异性识别和相互作用中起重要作用。3、蛋白：膜蛋白一不同的方式与脂双层联系。基于与脂双层联系的方式和密切程度，膜蛋白可以分为三类：内在蛋白、外周蛋白和脂锚定蛋白。内在蛋白或整合蛋白插入脂双层分子层，与脂双层的疏水核紧密结合，整合于脂双层结构中，只有用有机溶剂或去污剂，破坏脂双层结构才能将其从膜中分离出来。包括酶、抗原、受体、通道。外周蛋白或外在蛋白整个定位于脂双层的外侧或者内侧，对细胞质膜来说，或者在细胞表面或者质膜的胞浆面，它们通过非共价的盐键或氢键不太紧密地与外露于膜表面的脂分子的亲水极性头部或内在蛋白的亲水部分相联系，容易用高离子强度溶液或者高PH溶液将它第2页们从膜上分离下来。外周蛋白进一步可分为膜联系蛋白和骨架膜蛋白。膜联系蛋白包括质膜内表面的一些酶和传递跨膜信号的因子等，质膜外表面同样存在膜联系蛋白，但是已被明确鉴定的比较少，包括一些植物激素受体。骨架膜蛋白处于质膜胞浆一侧表面，形成纤维网架，起膜骨架作用。其为膜提供机械性支持，也是固定内在蛋白的“锚钉”。膜锚定蛋白大多仅位于脂双层膜表面一侧，通过共价键与脂双层中的脂分子相连接。膜的不对称性指膜脂和膜蛋白不对称得分布在脂双层的两页片层。所有生物膜都具有这种结构的不对称性，它是生物膜功能的重要基础，对于膜的稳定、信号识别、细胞凋亡、凝集活性、质蛋白相互作用都有着重要的意义。膜脂不对称主要是受磷脂形状的影响，及爬行酶和移位酶的作用。四、生物膜的动态特性膜流性性使得膜成分得以定向有序地组织着并具有机械性支撑能力，而且造就膜内成分之间发生相互作用的基本条件，膜内蛋白才能聚集和组装，在特殊的位置形成特殊的结构，如细胞间连接、神经细胞突触等。可以说许多基本的细胞过程，包括细胞运动、细胞生长、细胞分裂、细胞内吞与外排（分泌）都有赖于膜的流动性。影响细胞膜流动性的因素：1脂肪酸链的长度与不饱和度的影响：脂肪酸链越短、不饱和度越高，流动性越大。2胆固醇的影响：调节细胞膜的流动性3卵磷脂和鞘磷脂比例的影响：卵磷脂不饱和程度高，卵磷脂和鞘磷脂比例升高，膜的流动性增加。4蛋白质的影响：膜蛋白与膜脂分子的相互作用影响了膜的流动性。膜内在蛋白越多，膜的流动性就越小。5其它因素：温度、离子浓度等。五、细胞内外的物质转运：1跨越脂质双分子层的转运:被动运输主动运输2膜泡介导的转运:胞吞作用胞吐作用受体介导的内吞作用3其它特殊方式的转运第二部分：生物膜与疾病许多疾病可出现膜的异常变化，或以膜脂改变为主，或以膜蛋白改变为主，包括功能和结构的异常。这些改变可能是某些疾病的发病环节或后果。一、恶性肿瘤与fibronectin蛋白肿瘤细胞表面存在丧失接触抑制、膜脂质过氧化、膜流动性增强，癌细胞表面具有内源性凝集素等。丧失接触抑制是指细胞表面的黏着性降低，易于移动，并出现癌细胞特异性抗原，可能是由于有特殊的蛋白或者糖蛋白的糖链缺陷的原因，因为糖联末端的合成反应降低，只残留下前一段的糖链。有研究表明存在癌细胞表面上的蛋白质消失，肿瘤形成性越高越容易引起转移的，这种蛋白fibronectin越低。二、红细胞膜的病变溶血任何溶血病都必有红细胞膜病变或者膜缺陷病采用SDS－PAGE可将人红细胞膜的蛋白质分成15条主要的条带，其中最主要的有三种蛋白质：血影蛋白，血型糖蛋白，带3蛋白遗传性球形红细胞增多症（HS）：HS的发病机制主要是由于红细胞膜蛋白基因异常，引起的分子病变，主要涉及膜收缩蛋白、锚蛋白、区带4.2蛋白和区带3蛋白。分子病变主要包括：第3页1锚膜蛋白的缺失，常同时有膜收缩蛋白的缺失，其缺失的程度与球形红细胞的形成率、红细胞渗透脆性的增加幅度、溶血的严重程度及对脾切除的治疗反应有平行关系。2带3蛋白缺失3膜收缩蛋白缺失4带4.2蛋白缺失HS红细胞球形化的机理：HS红细胞的基本特征是随着循环时间的延长，细胞膜脂质逐渐丢失，细胞表面积减少，最后形成球形，正常红细胞的内表面60%由膜骨架衬托，骨架蛋白与膜脂质双层的内层间的微弱结合，具有稳定脂膜双层的作用。HS红细胞由于膜骨架蛋白和膜脂质双层之间的垂直连接存在缺陷，导致双层脂质不稳定，使未被膜骨架支持的脂质以出芽的形式形成囊泡而丢失，膜脂质的丢失使红细胞表面积减少，表面积和体积的比例降低，细胞变成球形。遗传性椭圆形红细胞增多症（HE）:原发病变主要为膜骨架的异常，主要涉及膜骨架水平方向相连接的蛋白，即膜收缩蛋白-膜动蛋白-4.1蛋白-膜收缩蛋白。在正常细胞中，膜收缩蛋白90%以上以四聚体存在，在HE，其含量正常，但主要以二聚体形式存在。椭圆形细胞形成机理：细胞在经过微循环在切变力作用下，膜骨架蛋白发生重新连接，细胞成为椭圆形，此时即使外力去除也不能恢复正常，成为永久性的椭圆形细胞，其在外力作用下破碎。阵发性睡眠血红蛋白尿症（PNH）：一种膜缺陷病，细胞膜表面缺乏一组膜蛋白，其为锚膜蛋白，蛋白质生成后，细胞不能生成糖磷脂酰肌醇（GPI），而蛋白需要通过GPI连接到膜，因此没有GPI，则PNH细胞膜就不会有这类膜蛋白。细胞不能生成GPI可能是因为基本突变，导致PIG-A酶功能丧失，GN加不到PI上。三、caveolae/lipidraftdisease1、Caveolaeandcaveolin-1indiseaseBothcaveolaeandraftsareimplicatedintheuptakeofvirusesandbacteriaintocells.Theclassicroutebywhichpathogensentercellsisviaclathrin-dependentendocytosis.Anadvantageofutilizingthealternativerouteviacaveolaeandraftsliesinavoidingthepotentiallyhazardousenvironmentoflysosomes.Anumberofviruses,includingecho-virus,HIV,SV40,polyomaandMarburgviruses,appeartoexploitthispossibility.Also,bacteriaincludingBrucella,Escherichiacoli,andthemalariaparasitesToxoplasmagonadiiandPlasmodiumfalcipariumutilizethisalternative.Finally,toxinsofVibriocholeraeandHelicobacterpyloriarealsointernalizedinthismanner.Intheabovecases,caveolaeandraftsfacilitateonsetofdiseasebyservingasinternalizationvehicles.Asanalternative,mutationsincaveolinsoralterationsincaveolinexpressionlevelshavealsobeenlinkedtospecificdiseases.Mutatio