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Membrane Biophysics

Membrane Biophysics. 尹长城 北京大学医学部生物物理学系. 4. 生物膜的结构. 生物膜的结构模型. 1972 年， Singer & Nicolson 提出生物膜 “ 流动镶嵌模型 ” 生物膜是脂双层结构 生物膜是均匀的二维流体，可以流动 蛋白质镶嵌在脂双层之中，像海洋中的 “ 冰山 ” ，可在脂双层中运动 对 “ 流动镶嵌模型 ” 的修正 生物膜中存在膜微畴 (detergent-resistant membrane domains) 膜微畴由鞘脂和胆固醇聚集而成 许多蛋白在膜微畴中 “ 停泊 ” 并行使功能

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Presentation Transcript

  1. Membrane Biophysics 尹长城 北京大学医学部生物物理学系

  2. 4. 生物膜的结构

  3. 生物膜的结构模型 • 1972年，Singer & Nicolson提出生物膜“流动镶嵌模型” • 生物膜是脂双层结构 • 生物膜是均匀的二维流体，可以流动 • 蛋白质镶嵌在脂双层之中，像海洋中的“冰山”，可在脂双层中运动 • 对“流动镶嵌模型”的修正 • 生物膜中存在膜微畴 (detergent-resistant membrane domains) • 膜微畴由鞘脂和胆固醇聚集而成 • 许多蛋白在膜微畴中“停泊”并行使功能 • 膜微畴是一个漂浮于二维流体中的“功能筏”(functional rafts)

  4. 4.1 细胞膜中的功能筏 4.1.1 功能筏概念的形成 • 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

  5. 4.1.2 功能筏的结构 4.1.2.1 功能筏中脂的组织形式 • 功能筏中富含鞘脂和胆固醇 • 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 • 两者互补形成一个排列紧密的脂双层 • 鞘脂是饱和磷脂，脂双层呈凝胶态 • 鞘脂两条脂肪酰链不等，形成交错脂双层 • 胆固醇 • 填补鞘脂脂双层的空隙 • 调节脂双层的物理状态 • 脂双层处于流体有序状态

  6. 4.1.2 功能筏的结构 4.1.2.2 功能筏形成的物理化学基础 1. 鞘脂类的相性质 • 鞘脂类含饱和长链脂肪酸 • 极性头部之间可形成分子间氢键 • 分子间可形成紧密的排列 • 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 • 鞘磷脂在生物膜中可与其他脂类分离形成微畴结构

  7. 鞘磷脂和甘油磷脂的区别 GPL SM • 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 氢键供体 氢键受体

  8. 4.1.2.2 功能筏形成的物理化学基础 2. 去垢剂不溶性 • 由鞘脂类形成的微畴结构能抵抗温和去垢剂的溶解作用 • 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

  9. 4.1.2.2 功能筏形成的物理化学基础 3. 功能筏与液态有序相 • 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-ordered phase, Lo phase) • 液态有序相Lo介于凝胶相L与液晶相L之间 • 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） • 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 （与液晶相类似）

  10. 为什么胆固醇倾向与鞘磷脂聚集？

  11. 胆固醇对膜物理状态的调节

  12. 4.1.2.3 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 • 脂化锚定

  13. 跨膜序列锚定

  14. GPI(glycosylphosphatidylinositol)锚定

  15. GPI的添加过程

  16. 脂化锚定

  17. 4.2 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

  18. 4.2 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)  

  19. 4.2 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  

  20. 4.2 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  

  21. 4.2 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  

  22. 4.2 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  

  23. 4.2 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  

  24. 4.2 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  

  25. 4.2 功能筏的分子组成 4.2.1 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

  26. 4.2 功能筏的分子组成 4.2.2 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 • 脂锚定蛋白的侧向迁移在不同的膜区来回传递信息

  27. 4.3 功能筏的功能 4.3.1 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-Golgi network (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

  28. Post-Golgi 循环 • 深色：基于功能筏的循环 • 浅色：非功能筏循环

  29. 4.3 功能筏的功能 4.3.2 胞吞运输 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

  30. 4.3 功能筏的功能 4.3.2 胞吞运输 摄液作用（potocytosis） • 细胞通过功能筏形成的膜穴的可逆开关内吞叶酸 1. 叶酸与开放膜穴膜上受体结合 2. 膜穴闭合 3. 叶酸从受体解离，通过载体进入胞内 4. 膜穴重新开放

  31. 4.3 功能筏的功能 4.3.3 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 1. 筏中被激活的酶可水解GPI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

  32. 4.3 功能筏的功能 功能筏介导细胞信号转导 1. 酪氨酸激酶 (tyrosine kinase, 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

  33. 4.3 功能筏的功能 2. GTP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

  34. 4.3 功能筏的功能 3. Ca2+信号转导 • 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 • IP3 receptor • CaM • 功能筏是Ca2+信号转导场所

  35. 4.3 功能筏的功能 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

  36. 4.3 功能筏的功能 5. 信号整合 • 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

  37. 4.4 特殊的“功能筏”-膜穴 • 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 (caveolae) • 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”

  38. 4.4 特殊的“功能筏”-膜穴 • 膜穴的发现 • 1953年，Palade发现内皮细胞形如瓶状的内陷-膜脂囊泡 (plamalemmal vesicle) • 1955年，Yamada提出用膜穴 (caveolae)命名这类囊泡

  39. 4.4.1 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 • 4 C时抵制去垢剂Triton X-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

  40. 膜穴的电镜照片

  41. 4.4.2 膜穴的分子组成 膜穴特征蛋白 • 内皮细胞合成纤维细胞的膜穴有一个条纹状的衣层（caveolae coat）（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,-3 • caveolin-1的表达与衣层出现相关 • 胆固醇鳌合或耗竭可使衣层解聚，膜穴消失 • caveolin-1可能是胆固醇结合蛋白，与胆固醇共同作用形成衣层

  42. 4.4.3 膜穴的产生和维持 1. 膜穴的组装 • 首先在高尔基体的运输区形成富含GSL/SM/Cholesterol的功能筏 • 脂化锚蛋白、caveolin-1在内质网合成 • 脂化锚蛋白、caveolin-1插入功能筏 • 新合成的含功能筏的分选囊泡运输到细胞表面 • 其他的膜蛋白通过蛋白-蛋白相互作用在功能筏中富集 • 膜穴形成并内化将分子分送到特定部位

  43. 4.4.3 膜穴的产生和维持 2. 膜穴的维持 • 胆固醇和鞘磷脂对于维持膜穴的结构与功能至关重要 • 胆固醇会在不同的膜系统（内质网-质膜，内质网-膜穴）之间来回穿梭 • 功能筏中胆固醇水平降低会导致 • GPI锚蛋白从簇中分散 • 条纹状衣层解聚 • 膜穴消失 • 当胆固醇被胆固醇氧化酶氧化时，caveolin从膜穴移到ER • 去除胆固醇氧化酶后，caveolin回到膜穴

  44. 4.4.3 膜穴的产生和维持 • 胆固醇在内质网和膜穴之间的双向运输涉及到caveolin • caveolin-1可与胆固醇结合并在内膜和膜穴之间移动 • caveolin-1水平降低时，膜穴形成受抑制 • caveolin-1水平升高时，膜穴生成增加

  45. 4.4.3 膜穴的产生和维持 • A. 在Golgi体形成含功能筏的分选囊泡并运到细胞表面 • B. 穿梭囊泡从内质网运输胆固醇及其它脂质 • C. GPI及脂锚定蛋白在功能筏富集 • D. 其它膜蛋白通过与锚定蛋白相互作用在功能筏富集和组装，形成膜穴

  46. 4.4.4 膜穴的功能 4.4.4.1 穿胞吞排 (transcytosis) • 膜穴是在细胞内两个表面间穿梭的囊泡的来源 • 穿胞囊泡可不经中间区室，直接穿越细胞 • 膜穴可融合形成跨细胞的膜穴通道，使小分子通过细胞

  47. 4.4.4 膜穴的功能 4.4.4.2 细胞摄液作用 (potocytosis) • 膜穴可能介导细胞对分子和离子的摄取 • 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 (clathrin-coated pits) • 由膜穴介导细胞摄液作用的途径 • 从细胞表面移至胞质中 • 从细胞表面移至内质网 • 从细胞的一个表面移至另一个表面 • 从细胞表面转移至膜穴衍生的管道或囊泡

  48. 由膜穴介导的细胞摄液作用途径

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