1细胞膜的功能筏及膜穴系统

细胞膜的功能筏及膜穴系统一、细胞膜的结构★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。（一）膜脂（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。Phospholipids⑴甘油磷脂•以甘油为骨架，主要有：①磷脂酰胆碱phosphatidylcholine，PC（卵磷脂）②磷脂酰丝氨酸phosphatidylserine，PS③磷脂酰乙醇胺phosphatidylethanolamine，PE（脑磷脂）④磷脂酰肌醇phosphatidylinositol，PI⑤双磷脂酰甘油Diphosphatidylglycerol,DPG（心磷脂）PhospholipidsinPlasmaMembraneOPOOO-CH2CH2+NH3CH2HCH2COOCOCOOPOOO-CH2C+NH3CH2HCH2COOCOCOOPOOO-CH2CH2+NCH2HCH2COOCOCOCOO-HCH3CH3H3CR1R2R1R2R1R2POOO-CH2HCH2COOCOCOR1R2HOHOHHOHOHHHOHOHOHPEPSPCPI卵磷脂脑磷脂磷脂酰丝氨酸磷脂酰肌醇Diphosphatidylglycerol双磷脂酰甘油心磷脂OCHCOR2CH2CH2OCOR1OPOOOHCH2COHHCH2OPOOOHCH2CHOCOR4CH2OCOR3⑵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。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H2NCHCCH2OHOOPOO-OOONCH3CH3H3COPOOONHHOOOO氢键受体氢键供体GPLSM（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。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。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。glycolipids葡萄糖脑苷脂Glycolipids3.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。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（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）。•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。H3CCCH3CH2CH3CCH3CH3(OCH2CH2)10OHH3C(CH2)11OSO3Na+离子型去垢剂SDS非离子型去垢剂Triton-X100•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。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。①,②integralprotein；③,④lipid-anchoredprotein；⑤,⑥peripheralprotein1.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。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)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。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。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。影响膜脂流动性的因素①胆固醇②脂肪酸链的饱和度③脂肪酸链的链长④卵磷脂/鞘磷脂⑤其他因素：温度、酸碱度、离子强度等。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。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。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(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37-41C,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0C,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H2NCHCCH2OHOOPOO-OOONCH3CH3H3COPOOONHHOOOO氢键受体氢键供体GPLSM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(Tt37°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）（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）–蛋白的双酰基化跨膜序列锚定GPI(glycosylphosphatidylinositol)锚定GPI的添加过程脂化锚定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。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)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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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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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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