1. TSU.TW
  2. 血液病学
  3. 基础与理论
  4. 血液分子生物学

生物膜的结构

1972年Nicolson提出了生物膜结构的“流动镶嵌学说(fluid mosaic model)”,直到现在仍被生物学家采用。其基本观点是:

  1. 磷脂形成的脂质双层是生物膜的骨架,它是极性化合物的屏障;
  2. 膜蛋白镶嵌在脂双层之中;
  3. 膜内的脂质及蛋白都可在膜内运动。

膜脂质双层结构

膜脂质包括3种成分:磷脂、胆固醇和糖脂。其中磷脂占60%,胆固醇和中性脂肪占33%,其余为糖脂。磷脂含量较高在膜结构中起着重要的作用。磷脂包括甘油骨架、两个脂肪酸及磷酸化的碱基。脂肪酸大多含偶数的碳原子(16,18碳等),有饱和的和不饱和的。在甘油骨架的第3个碳原子接上磷酸基称磷脂酸,这是磷脂类化合物的基本结构;如磷酸基再接上碱基即成为甘油磷脂。甘油磷酸通常与丝氨酸、乙醇胺、胆碱及肌醇结合,分别称为丝氨酸磷脂(PS)、乙醇胺磷脂(PE)、胆碱磷脂(PC)和肌醇磷脂(PI)。磷脂是一种双性物质,所谓双性物质是在同一个分子内,有极性(指亲水的)和非极性(指疏水)两种基团。由于磷脂是双性物质,磷脂中的非极性部分都聚集在双层的内部,尽量不与水接触。磷脂的极性头部通过疏水力、静电引力和氢键,与水有强的亲和力,所以排在外面,与外界水溶性环境相邻。两个分子磷脂的非极性区尾尾相连,决定了脂质双层结构。

膜磷脂中的脂肪酸有饱和与不饱和;脂肪酸的链长短不一,一般是16~24个碳的碳氢链,并且是偶数,在不同的条件下,不同的脂可形成不同的结构,同一种脂,在不同条件下也可形成不同的结构。脂的这种性质称脂的多形性(lipid polymorphism),如一些磷脂极性基团的有效截面大于其非极性尾部截面,在水中可形成一种头向外尾向内的微团(micelle);一般的膜磷脂与水混合体系的结构是多层囊泡,称脂微囊或脂质体(liposome)。体外可将不同的磷脂置于一定溶剂体系中,用超声波处理,可做成人工脂质体。

膜脂质的相变

膜磷脂是可流动的,关键是磷脂有不同的状态,条件不同时表现出不同的状态,温度低时是凝胶相(gel phase),温度高时是液晶相(liquid crystalline phase),从晶态转变为液晶态时的温度称相变温度。相变温度的高低决定于脂肪酸的饱和程度及碳链的长短,愈不饱和碳链愈短的相变温度愈低,反之相变温度则高。胆固醇插在磷脂之间,它直接影响膜的流动,在相变温度以下磷脂有相互聚集作用,胆固醇可防止其聚集;在相变温度以上胆固醇可限制磷脂的流动,所以胆固醇对膜流动性的调节是双相的。在生理状态下脂双层中往往两相并存,这种现象称分相(phase separation)。

膜脂质双层分布的不对称性

膜脂质双层的内外两侧是不对称的,不对称性决定于磷脂的头部,含有氨基的磷脂(PS,PE)有较强的负电性,在双层的内侧;PC、SM在脂双层的外侧,pH中性时是双性离子。内外两侧磷脂所含的脂肪酸也不完全相同,PC及SM多为饱和脂肪酸,PS及PE含不饱和脂肪酸较多。膜脂质是动态的,为何能维持其不对称性,经实验证实有三种酶起作用:

  1. 是氨基磷脂移位(aminophospholipids translocase),它特异地将PS 和PE从膜外侧转移到内侧,对转PS比PE更有效;
  2. 是翻转酶(flippase),它是将内侧磷脂转移到外侧,对所转移的磷脂特异性较差;
  3. 是爬行酶(scramblase),它是向膜内外两侧磷脂都可转移的酶,在一定的生理条件下或胞内Ca2+浓度增加时起作用。

以上三种酶对维持脂质双层的不对称性起着很重要的作用。膜脂质双层的不对称性有一定的生理的意义,特别是维持PS在膜内层。如蛋白激酶C,需膜内侧的PS才有活性;PS能激活凝血酶原,一旦PS外翻,激活的凝血酶原变成凝血酶,经一系列反应,最后使血液凝固,容易形成血栓。

膜脂质的运动

膜脂不是一成不变的,它与血浆的脂质可相互交换并有代谢。膜脂质处于液晶相时也在不停的运动,但运动是有方向性的。一般脂质的运动有四种方式:①侧向运动,是指在膜双层平面内的侧向运动;②自身旋转运动,即脂质分子绕垂直于膜平面的轴旋转;③自身翻转运动,即是从由脂双层的一面翻向另一面,由于它是耗能的,运动速度很慢;④震荡运动,是指脂肪酰链垂直于膜双分子平面轴的震荡运动。

膜蛋白

细胞膜上的蛋白质组分和结构与一般蛋白质相似,只是由于它镶嵌在脂质之间,在提纯时需加去脂剂(去污剂)将脂质除去,才可提取。但大多数是和糖结合在一起的糖蛋白及少数的糖脂蛋白。

膜蛋白是镶嵌在脂质双层之间。按蛋白插入膜内的部位可分两种:一种是内在蛋白,它镶嵌在脂双层内;另一种是外在蛋白,它不镶嵌在膜内,而是以氢键与膜磷脂相连。

膜内在蛋白其镶嵌方式又有多种:①跨膜蛋白:膜蛋白穿过脂质双层,蛋白质与膜的疏水部分直接作用,它一端在胞外,一端伸入胞质;有的蛋白在脂双层内穿过多次,有的高达十几次之多;②膜蛋白只插入脂双层的内侧或外侧,依其功能的需要而定;③含脂的膜蛋白以脂质的脂肪酸插入脂双层;④有的蛋白含糖及脂质(称糖脂蛋白),它们的蛋白部分不插入膜,而是其脂的质两个脂肪酸插入膜的脂双层。

膜外在蛋白,一般都存于胞质面,与膜内在蛋白或磷脂以静电引力相互作用。它与膜内在蛋白不同之处在于提取时的方法,外在蛋白不镶嵌在膜内,较容易从膜上洗脱。其中最重要的是一组细胞骨架蛋白,这组蛋白形成网状,支撑着整个细胞,维持细胞形态及变形性,以便行使细胞的各种功能。

膜糖蛋白

膜糖蛋白所含的糖类别很多,其组成除中性糖外,含量较多的是氨基糖类、乙酰氨基糖类及岩藻糖(Fuc)和乙酰神经氨酸。这些糖形成寡糖链与蛋白质中的丝氨酸、苏氨酸、门冬氨酸以O-糖苷键或N-糖苷键连接,糖的多少及结构依其功能或存在的部位而异。糖蛋白中糖的部分多在细胞外表面,有“细胞天线”之称。糖蛋白有许多重要的功能:细胞之间识别、细胞的特异标志、各种因子及信息物质的受体、细菌及病毒的结合部位、免疫反应、胚胎发育、细胞存活等。

膜脂蛋白

膜脂蛋白是蛋白质与脂肪酸的结合,蛋白质多肽链不直接插入膜,而是以脂肪酸插入膜,许多信息分子是脂蛋白的形势,参与反应,所以近十年来备受重视。膜脂蛋白可分四类:

一、棕榈酸结合蛋白(palmitoylated protein):棕榈酸通过蛋白的半胱氨酸的巯基结合,形成硫酯键。棕榈酸直接插入脂双层,蛋白质在脂双层的外侧不镶嵌在膜内。

二、豆蔻酸结合蛋白(myristylated proteins):与棕榈酸结合蛋白相同,只是豆蔻酸代替棕榈酸,不同的是蛋白质以酰胺键与豆蔻酸结合。而与豆蔻酸结合的必须是甘氨酸,它的选择非常严格。与甘氨酸相邻的氨基酸也有要求必须是Asn、Gly、Ser及Val,这种高度的选择是由于豆蔻酸酰基转移酶决定的。豆蔻酸结合蛋白分布很广,某些癌基因如SRC家族表达的蛋白P60src,与信息传递有关的GTP结合蛋白的α亚基,都属这种蛋白。

三、异戊二烯类的结合蛋白:异戊二烯类脂肪酸包括两种:一种是法尼烯酸;另一种是牻牛儿酸。已知这种蛋白有100多种。异戊二烯脂化是在蛋白的C末端,一般是先将C末端的甲硫氨酸水解,露出半胱氨酸的巯基进行脂化。脂化时Cys-A-A-X结构是决定蛋白能否脂化的关键。X是氨基酸,如是Ser、Gly,可与法尼烯酸结合;如是Leu可与牻牛儿酸结合。许多蛋白参与信息传递,如ras癌基因产物P21ras,可以和二磷酸鸟苷(GDP)结合,有三磷酸鸟苷(GTP)酶的作用,如用药物抑制法尼酸的合成,ras蛋白不能法尼酸化,从而失去GTP酶的功能。

膜糖脂蛋白

这类膜蛋白的特点是:寡糖-磷脂酰肌醇-蛋白质形成一个复合体,以磷脂酰肌醇的脂肪酸固定在膜上,蛋白部分全在膜外,所以有膜锚蛋白(anchored membrane protein)之称。GPI锚固蛋白的分布极广。大多数原核生物及真核生物,如酵母、无脊椎动物,以及哺乳动物的血液、肝、肾、胎盘和脑等组织中都有。目前,大约有一百多种蛋白已被确定是GPI锚固蛋白。包括有多种水解酶、免疫球蛋白、细胞黏附分子、补体调节蛋白、膜受体等。

主要的糖肌醇磷脂锚固蛋白及分布

主要的糖肌醇磷脂锚固蛋白及分布

糖肌醇磷脂锚固蛋白的生理功能:GPI锚固蛋白的共同特点是蛋白的C-末端与GPI锚固蛋白的乙醇胺结合。不同的GPI锚固蛋白的多糖和磷脂的成分是不同的。膜蛋白的这种锚固形式与镶嵌形式相比,在理论上有许多优点。由于它们在膜上运动性增大有利于在膜上结合更多的蛋白,而且锚固蛋白具有更多的侧向运动能力,有利于它们和其他细胞或有生理功能的胞外分子更快地结合和反应。

一、与信息转导的关系:参与细胞信号转导的功能。用GPI-PLC水解GPI锚固蛋白产生的降解物,已被确定为重要的第二信使物质。解离的产物是二酰甘油(DG)和三磷酸肌醇(IP3)。DG能激活蛋白激酶C(PKC)的活性,使蛋白磷酸化,而IP3使细胞内钙释放,进而调节细胞的其他功能。

二、与免疫及神经细胞活化:许多GPI锚固蛋白与免疫功能有关。这类蛋白与其他细胞作用从而引发生物效应。T-淋巴细胞有不少GPI锚固蛋白(Ly-6、Thy-1、Qa-2),经相应抗体激活可使T细胞活化。不仅T-细胞表面有GPI锚固蛋白,其他细胞表面也有:如中性粒细胞表面免疫球蛋白受体(FcrR),当用抗体激活可释放超氧阴离子,它有杀菌功能;神经细胞表面有神经黏附分子(N-CAM),它有两种类型:GPI锚固型和溶解型。前者在信息转导、轴突伸展方面都有作用,而溶解型只有使轴突伸展的功能;睫状神经营养因子受体(ciliary neurotrophic factor receptor),参与神经元发育及功能,它也是一个GPI锚固蛋白,它通过酪氨酸激酶起作用。

三、与受体作用:有些受体本身是GPI锚固蛋白。如叶酸受体,它的作用机制与一般配体同受体反应不同。当叶酸与其结合,易形成凹陷引起内吞。这样把叶酸从胞外转到胞内,受体与叶酸结合后pH变低,GPI锚固蛋白与叶酸解离,叶酸进入胞内。铁的转运也有相似的方式,它找到一种蛋白与转铁蛋白受体同源,称黑素转铁蛋白(melanotransferrin或称P97)也是一种GPI锚固蛋白。如将转铁蛋白受体及P97的cDNA转入CHO细胞株,比较两种受体对铁摄取的能力,发现P97比转铁蛋白受体摄取铁更多。证明P97有类似转铁蛋白受体的作用。

近年来研究报道,某些疾病与GPI锚固蛋白有关。例如疯牛病、血液病、炎症和某些肿瘤等的发生都与GPI锚固蛋白有关。报道最多的是一种称为阵发性睡眠性血红蛋白尿症(paroxysmal nocturnal hemoglobinuria,PNH)的溶血性血液病。其发病机制与GPI锚固蛋白有密切关系,促使了GPI锚固蛋白研究的发展。(详见PNH发病机制)。

膜脂膜蛋白的相互作用

膜脂对膜蛋白的影响

膜蛋白在脂质的环境之中有其特异性。膜蛋白对其所接触的脂质极性头部有一定的选择。如肌质网中Ca2+-ATP酶周围需30个磷脂(特别是PS、PE)分子维持其活性,这些磷脂称为“界面脂”,一般流动性较差。不仅磷脂的种类,磷脂中脂肪酸的不同也影响膜蛋白的功能。

膜脂微区对膜蛋白的影响

近年不断有报道关于膜内有不同的微区(microdomain)。膜脂双层的外层的微区主要含鞘脂(sphingolipids)、胆固醇及GPI-锚固蛋白。膜脂双层内侧也有相似的微区,与外侧的脂质不完全相同,主要的是在此区有许多酰化的蛋白,特别是信息传递的蛋白。后将这种微区称之为“脂筏(lipid raft)”。

一、脂筏的结构

脂筏是近十年来提出的新概念,指膜脂双层内含有特殊脂质及蛋白的微区,微区内陷可形成囊泡,现不仅知道其组分,而且在电镜中也观察到囊泡的形态。脂筏的特点:①是不溶于非离子去污剂,但它又有别于骨架蛋白,因为用非离子去污剂提取膜蛋白时,脂筏与骨架蛋白共沉淀,脂筏因为有脂质比重小,经离心可与骨架蛋白分离。②是两叶虽然分别有微区,但它们是耦联的,因为用非离子去污剂提取时,不仅有外叶的GPI-锚固蛋白,还有许多膜内侧的信息分子共同被提出。脂筏可能有三类:含有小窝蛋白(caveolin)的小窝;富含糖鞘脂(glycosphingolipid enrich membrane);富含多磷酸肌醇(PIP2)。三类脂筏中,研究较早而且深入的是小窝这类脂筏。脂筏的组分见表:

脂筏的组分

脂筏的组分

二、脂筏的功能

从脂筏的结构及组分分析,它有两个特点。许多蛋白聚集在脂筏内便于相互作用;脂筏的环境有利于蛋白的变构,形成有效的构型。所以它有许多功能:

1)参与信息传递:由于脂筏内有多种信息分子,它参与许多的信息通路。以T细胞为例,T细胞膜上有T细胞抗原抗体(TCR),当它活化后可引起许多信息分子聚集形成复合体。复合体的形成关键是脂筏提供了条件。在静止的T细胞脂筏内富含Src家族激酶Lck、Fyn及跨膜的衔接子(adapter)LAT(linker activated T cell),还有少量的CD4和CD3,其中最重要的是LAT。它是一个跨膜蛋白,伸向胞质的一段肽链,富含酪氨酸,另外LAT的半胱氨酸还可酰化(棕榈酸),以此插入脂筏。当TCR被激动,Src酪氨酸激酶活化,LAT的多个酪氨酸被磷酸化;然后,它募集多种底物进行磷酸化,包括ZAP70、PLCγ1、PI3K、Vav,形成活化的大复合物(supramolecular activation complex)。这些反应都必须在脂筏内完成,如LAT不能进入脂筏,T-细胞不能执行其重要的增殖及分化功能。其他免疫识别受体,如B细胞抗原受体(BCR),肥大细胞高亲和IgE受体(FcζRI)等也都以脂筏作为传递信息的场所。

2)参与细胞蛋白运转:参与跨细胞运转。文献报道分布在内皮细胞的小窝囊泡,开口于细胞的表面,细胞与细胞之间囊泡可形成一个通道,小分子物质可相互交换,小窝成为一些小分子化合物运转的通路;参与细胞胞饮作用(potocytosis):小窝内包含许多受体蛋白,小窝如何运送它们到细胞内有不同的途径:受体与配体结合后,被小窝囊泡运送到胞质,配体与受体分离,受体随囊泡回到质膜;小窝囊泡载着受体与配体,通过胞质,配体不释放到胞质,在细胞的反方向开口将配体释放到细胞外基质。有些毒素(霍乱毒素)与细胞上的受体结合,也以这种方式进入宿主细胞内;参与细胞分选(cell sorting):膜内在蛋白MAL,属酰化的家族,存于MDCK (Madin-Darby Canine kidney)细胞,有多个疏水基团插入极化的上皮细胞(polarized epithilial cell)的脂筏。MAL直接参与极化分选(apical sorting)。MAL即像一个货车,可在高尔基体、质膜、内质体之间循环,运送蛋白。

三、脂筏与疾病

1)脂筏与感染:某些细菌借小窝的胞吞作用,进入细胞,细菌在小窝内逃脱免疫系统的杀伤及溶酶体对它的降解,从而在宿主细胞内生存。研究较多的是HIV的感染与脂筏的关系,病毒感染是复杂的过程,病毒与宿主细胞融合,病毒的外套有两个蛋白;gp120及gp41,当病毒与CD4细胞融合时,在脂筏内形成gp120-CD4-GSL(脂筏内的糖脂)复合体,脂筏带着它们找到适合的受体,经变构,病毒与脂筏分离,释放基因到细胞内。又如朊病毒病包括人克-雅病(Creutzfeldt-Jakob Disease,CJD)、羊瘙痒症和牛海绵样脑病等,其发病原因是细胞朊蛋白(prion protein,PrPC)的构象转变为异常形式(PrPSc)。PrPC是结合在细胞膜外表面,带有GPI锚结构的糖蛋白。许多实验证实:PrPC与其他GPI-蛋白一样在脂筏中;PrPC、PrPSc在脂筏内共同定位(co-localized);胆固醇缺乏导致PrPSc的形成下降;在Prion rod(amyloid fibrils)内找到两个脂筏的糖脂(Gal-cer 和SM)。所以许多学者设想PrPC到PrPSc的转化是在脂筏内进行的。

2)脂筏与心血管疾病:血管内皮生长因子(VEGF)的受体与小窝蛋白-1共在小窝内,参与血管生成。由于eNOS在脂筏内,所以它的功能与脂筏息息相关,它在血管疾病不在此赘述。

3)脂筏与Alzheimer病:已知Alzheimer的主要病变为脑血管内有β-淀粉样蛋白(β-amyloid,Aβ)聚集。Aβ是一个跨膜的淀粉样前体蛋白(amyloid precursor protein,APP)水解后的产物。APP及早老素1(secretase presenilin 1)都在脂筏内,所以很可能Aβ最初也在脂筏内。当它与胆固醇、GM结合后促进淀粉样蛋白从α-螺旋到β-片层构型的改变。

系统医学科普站点:天山医学院, 转载请注明出处:https://www.tsu.tw/edu/11592.html

中华皮肤病30年研究成果

心电图学一学就会

认识人体心脏,从解剖开始!

诱发心血管疾病的综合征

近视屈光激光手术矫正

适用于口腔科

做一个健康强健的男人!

智齿为萌出受阻的牙齿

内分泌与机体代谢医学

  • 认识蛋白质及其结构
  • 蛋白质分子的基本构
  • 蛋白质分子的折叠、
  • 遗传信息流动中心法
  • 基因表达及表达调控
  • 一些DNA重组技术的
医学医院知识
本文图片集

血液分子生物学

  • [AD]
搜索 回顶部