生物膜的结构(血液病学 血液分子生物学)

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P^60src，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P^21ras，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

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

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，PrP^C）的构象转变为异常形式（PrP^Sc）。PrP^C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：PrP^C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PrP^Sc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PrP^C到PrP^Sc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。