引言
現(xiàn)代生物物理學研究的一個重要目標就是闡述生物分子和它們聚集體的結構、組織及功能之間的聯(lián)系。自從1972年S．Single和G．Nicolson提出膜的流動鑲嵌模型以來，生物膜的研究有了飛速的發(fā)展，大量的科學家進入這一領域，推動了膜生物學的發(fā)展。流動鑲嵌模型是人們理解膜結構和功能的經(jīng)典理論基礎，它強調了膜的流動性和膜蛋白質在膜脂中分布的不對稱性，但是隨著對膜結構與功能研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)膜脂的分布也是不對稱和不均一的。不同膜微區(qū)具有不同膜脂與蛋白質組成，因而具有不同的理化性質及生物學功能。實際上生物膜是一個由許多不同微區(qū)組成的微觀上相對獨立而宏觀上聯(lián)系的對立統(tǒng)一體系，正是這種特殊的膜體系才能使膜具有復雜而多變的功能。早在1977年，Jain和White就提出了生物膜結構的微區(qū)(Microdomain or lipid domains)模型，指出生物膜是由處于動態(tài)的微區(qū)(domains)組成(實驗已證實)，這一模型強調了質膜的流動鑲嵌模型的鑲嵌塊特征。進一步研究發(fā)現(xiàn)，在這些富含鞘脂類和膽固醇的微區(qū)(現(xiàn)稱為脂筏)具有獨特的物理化學特性，即其形成的液態(tài)有序相漂浮于甘油磷脂的流體海洋中，在生物生理過程中發(fā)揮著重要的作用。
1992年Brown和Rose通過周密詳實的實驗提出了脂筏(lipid rafts)的假設，旨在說明這類脂錨定蛋白和信號激酶可以進出的特殊微區(qū)，而且脂筏已被證實是由大小為10～100nm的膜片(membranepatches)組成，且可以作為中介將與它相互作用的細胞蛋白和外周蛋白輸送到細胞表面。近幾年來新發(fā)展起來的實驗手段，如掃描探針顯微鏡(SPM)等已經(jīng)可以觀察到生物膜納米尺度上的結構和動態(tài)特性，從而使在分子水平上闡述生物膜微結構和功能的物理化學機制成為可能。
脂筏
脂筏是指膜脂雙層內(nèi)具有富含膽固醇和鞘脂(鞘磷脂和鞘糖脂)及蛋白質的微區(qū)，微區(qū)內(nèi)陷可形成囊泡。這些具有一定功能的結構漂浮于二維流動的細胞質膜中，被人們形象地稱之為“功能筏”。脂筏的組分和結構特點有利于蛋白質之間相互作用和構象轉化，脂筏區(qū)主要參與信號轉導和細胞蛋白轉運。近年發(fā)現(xiàn)脂筏不僅存于質膜，亦可在高爾基體膜上。
脂筏的概念早在發(fā)現(xiàn)小窩時即有了，經(jīng)長期的爭論，直至1988年Simon才正式提出“脂筏”之稱。
脂質的雙層有不同的脂筏：外層的微區(qū)主要含有鞘脂、膽固醇及GPI-錨固蛋白，因為鞘脂含有長鏈飽和脂肪酸，Tm溫度較高，流動性差，而且粘稠，鄰近的磷脂區(qū)其脂肪酸多不飽和，Tm溫度較低，所以出現(xiàn)分相；膜內(nèi)側也有相似的微區(qū)，與外側的脂質不完全相同，主要是在此區(qū)有許多酰化的蛋白質，特別是信號轉導蛋白。雖然兩層分別有脂筏，但它們是偶聯(lián)的，因為用非離子去污劑提取時，不僅有外層的GPI-錨固蛋白，還有許多信息分子共同被提出。用一種GPI-錨固蛋白的抗體介導錨固蛋白聚集，與此同時Src家族的酪氨酸激酶也被激活。如換成糖鞘脂的抗體，也有同樣的現(xiàn)象。GPI蛋白及糖鞘脂都存于膜外側，Src酪氨酸激酶在膜內(nèi)側，這表明脂筏內(nèi)外層之間是有聯(lián)系的。
用不同的去污劑或改變?nèi)芙鈺r的溫度，所得到的脂質及蛋白質都有差異，說明細胞膜上的脂筏并不都等同。脂筏可能有三類：小窩、富含糖鞘脂膜區(qū)(Slycosphingolipid enrich membrane)、富含多磷酸肌醇(PIP2)膜區(qū)。不同的脂筏有其各自的特異蛋白，并有不同的功能。
脂筏內(nèi)的蛋白質，有的是經(jīng)跨膜直接插入膜，但更多的蛋白質需?；甚；蟮闹舅岵迦肽ぁacharias的實驗表明，用水母蛋白的兩個變異體，分別融合藍熒光蛋白(CFP)及綠熒光(YEP)蛋白，然后在多肽鏈上分別聯(lián)接脂化(棕櫚酸、豆蔻酸、異戊二烯)的特異共同序列，用熒光能量共振轉移(fluorescence resonanceenergy transfer)測定鄰近效應，發(fā)現(xiàn)棕櫚?；岸罐Ⅴ；牡鞍踪|在脂筏的小窩區(qū)，而異戊二烯化的蛋白質形成二聚體，不在小窩區(qū)，對膽固醇不敏感，可能是另一類的脂筏。說明不同的酰化蛋白插入不同的脂筏。
脂筏的主要功能
近年來的研究表明，脂筏(包括質膜微囊)具有如下主要的功能：
①信號轉導。從脂筏所含有的蛋白質和脂類來看，其中很多都是與細胞信號轉導有關的組分，為信號的起始和交叉作用提供了一個結構平臺。
②跨細胞運輸。包括內(nèi)吞和外排，同時也包括胞外毒素、細菌以及病毒的內(nèi)吞。
③膽固醇的運送。
④維持胞內(nèi)Ca2+的穩(wěn)態(tài)平衡。
眾所周知，物質通過細胞膜的內(nèi)吞或外排或分泌都是以微囊形式來運送的。大量試驗結果表明，這些微囊表面富含脂筏結構。同時脂筏是多種病原體進入宿主細胞的位點，支持病毒粒子的組裝和出芽，其信號轉導功能一方面可以啟動宿主細胞的保護性免疫應答，另一方面也被病原體利用，以利于病原體的傳播和疾病發(fā)生。此外，脂筏在朊蛋白感染、HCV基因組復制、多種細菌毒素作用以及維持瘧原蟲的胞內(nèi)寄生生活等方面也都有重要作用。
據(jù)估計脂筏的面積可能占膜表面積的一半以上。脂筏的大小是可以調節(jié)的，小的獨立脂筏可能在保持信號蛋白呈關閉狀態(tài)方面具有重要作用，當必要時，這些小的脂筏聚集成大一個大的平臺，在那里信號分子(如受體)將和它們的配件相遇，啟動信號傳遞途徑。
脂筏生物物理特性
Meer于2002年在《Science》上綜述了此專題：脂筏是膜脂雙層內(nèi)含有特殊脂質及蛋白質的一種液態(tài)有序相微區(qū)。在生物物理方面，比較關心這種微區(qū)的相行為、結構、大小、分子成分、動力學以及脂類之間的相互作用等問題。根據(jù)溫度等因素的影響，膜脂一般具有液晶(liquid disordered phase)和凝膠相(gel phase)，而脂筏由于主要含有鞘脂與膽固醇，因而呈現(xiàn)介于液晶相與凝膠相之間的Lo相或稱liquid ordered phase。換言之，脂筏中的脂質分子既是有序的又呈現(xiàn)液相，這是由鞘脂分子本身結構以及與膽固醇相互作用的結果。鞘磷脂的兩條疏水鏈大多較長且高度飽和，這使得它們能夠充分伸直而緊密排布，這也是脂筏組裝體的一個重要特征。鞘脂類和磷脂不同的排布能力可能正是他們的混合膜發(fā)生相分離的關鍵因素。因此，富含鞘磷脂的脂筏與大家熟悉的疏松無序排布的磷脂區(qū)是共存的。處于不同相態(tài)(大多是液態(tài)凝聚相和類固態(tài)的凝膠相)的脂類之間發(fā)生的相分離已得到了廣泛的研究。眾所周知，在純的磷脂雙層中加入膽固醇，可使正常的膠態(tài)和液態(tài)凝聚相之間明顯的熱轉變相消失，這表明了在高濃度膽固醇環(huán)境下，含有不同種類磷脂的脂質體會形成不同組分相分離的微區(qū)，已為大家理解和接受。有序態(tài)和無序態(tài)不能共存。進一步研究表明，在膽固醇和兩種磷脂的混合體系中可發(fā)生一種不同的相分離行為：類液晶相區(qū)和一種新的液態(tài)有序相區(qū)共存，在這種新的液態(tài)有序相中，脂類的脂肪酰鏈充分伸直并密集排布和膠態(tài)類似，但有高度的側向流動性。脂筏可能存在于這種液態(tài)有序相或者具有與之類似的相態(tài)中。因此可以說脂筏以液態(tài)有序相存在。這些研究結果證實，在含有兩種磷脂(或其中一種是鞘磷脂)與膽固醇的三項混合體系(它們具有不同的熔點)中，可以發(fā)生兩個并列的液態(tài)有序相/液晶相和膠態(tài)相/液晶相的相分離：磷脂/鞘脂類混合體系既可在沒有膽固醇存在的情況下發(fā)生膠態(tài)和液晶態(tài)之間的相分離，也可以在膽固醇存在的情況下發(fā)生液態(tài)有序相和液晶相之間的相分離。膽固醇可以促使相分離行為的發(fā)生。因此，膽固醇存在條件下形成液態(tài)有序相所需要的鞘脂類含量，比沒有膽固醇情況下形成膠態(tài)需要的鞘脂類量少，在鞘脂類含量相對較少的細胞膜中形成脂筏，膽固醇的耗盡導致脂筏的破裂而影響脂筏的功能，這也可以解釋相變溫度處于37～41℃的神經(jīng)鞘磷脂，可以和具有較高熔點的鞘甘脂一樣有效地促使脂筏的形成，但其穩(wěn)定性沒有膽固醇形成的脂筏好。究其原因，可能是飽和脂類與膽固醇之間的相互作用。另外，SpM有更多的官能團參與在極性頭基區(qū)形成氫鍵，然而氫鍵對膽固醇和SpM相互作用到底有多大的貢獻，目前仍不清楚。由于類脂的頭基也是調節(jié)類脂排布結構的一個重要因素，因此它們對脂筏的形成起著重要的作用。比如，磷脂酰乙醇胺，頭基很小，和對應的磷脂酰膽堿相比，具有較高的熔點溫度，這種作用可能在鞘脂類含量較少而磷脂酰乙醇胺較多的脂雙層內(nèi)葉中更為重要。
從結構及組分分析，脂筏有兩個特點：
①許多蛋白質聚集在脂筏內(nèi)，便于相互作用。
②脂筏的環(huán)境有利于蛋白質的變構，形成有效的構象。
在細胞中脂筏更重要的作用就是它在信號轉導事件中所發(fā)揮的功能。目前已研究發(fā)現(xiàn)，有多種類型的信號分子與脂筏相關，如受體分子類、離子通道和泵相關分子、蛋白激酶、GTP結合蛋白、配體蛋白、鈣離子結合蛋白、黏附分子、細胞骨架相關蛋白質類、轉錄因子和脂類等。脂筏是如何積聚這些信號分子并激發(fā)細胞內(nèi)信號轉導的級聯(lián)反應是值得深入探討的問題。脂筏調節(jié)細胞信號轉導的兩個主要模式；在簡單的模式中，脂筏作為一個募集特定信號分子的平臺，有助于信號分子之間的相互作用和下游信號轉導事件的發(fā)生。在此模式中，受體、偶合因子、效應酶和底物共定位于同一個脂筏區(qū)域。由于各個信號分子之間的空間結構彼此相鄰，細胞信號轉導事件能快速有效的發(fā)生。通過將受體分子嚴格定位到含有一組特定信號元件的脂筏區(qū)域，能提高信號轉導事件發(fā)生的特異性。這種嚴格定位將限制受體與其他信號通路上分子的相互作用，阻止非特異性信號的發(fā)生。而且，脂筏本身空間積聚的能力也證實了脂筏能募集參與信號轉導的一組特定的信號分子，從而特異地激發(fā)細胞的信號轉導。在更為復雜的模式中，起初信號轉導通路上相互作用的各信號分子分散在不同脂筏區(qū)域；激素或生長因子的刺激導致了脂筏微區(qū)瞬間融合。當正常定位于質膜非脂筏微區(qū)的受體或其他特定的分子積聚到脂筏微區(qū)時，脂筏將含有能被激活的完整信號轉導通路上幾乎所有的信號分子。脂筏微區(qū)將不同的信號分子積聚在同一區(qū)域，促進了它們之間的相互作用和信號轉導通路的激活。在這個模式中，脂筏微區(qū)通過區(qū)域化信號分子來調節(jié)信號轉導的發(fā)生。存在于不同生理條件下的信號分子的積聚，嚴格限定了在特定信號轉導通路上各信號分子之間的流動；但信號通路所介導的生物學功能，并非特異地需要信號蛋白募集于脂筏微區(qū)；而由脂筏介導的原本相互作用的蛋白質之間的分離，也可能導致某些信號通路的失調節(jié)。通過分析分離出來的各種細胞的脂筏及小窩中的蛋白質，發(fā)現(xiàn)許多信號分子富集在脂筏和小窩中。
附錄：關于脂筏的國際規(guī)范定義
2006年3月23～28日，在美國康州汽艇泉港(Steamboat Spring)組織召開了“脂筏與細胞功能”的基本原理專題討論會。世界生物物理、生物化學和細胞生物學領域的學者共聚一堂，討論了脂筏的結構和功能。在會上主要探討了五個問題：
1．決定棄用“脂筏”而優(yōu)選“膜筏”一詞。雖然公認脂類的相分離(phase separation)可為膜域的形成提供基本的能量驅動，但膜筏的形成“只決定于脂類驅動的相互作用”這一概念已被“蛋白質和脂類兩者均與膜微域生成有關”的觀點所取代。
2．膜筏不僅見于質膜，細胞內(nèi)膜如內(nèi)質網(wǎng)與線粒體上也含有筏樣域。
3．雖然富集膽固醇與鞘脂己成為膜筏的特征，但維奇(Veatch)等學者認為，在缺乏高濃度Ch的條件下也可能生成膜筏。
4．介紹用于膜筏研究的成像和分析方法，如電鏡的單獨應用及同空間統(tǒng)計的聯(lián)合使用，異源熒光與同系熒光共振能量轉移，熒光猝滅，熒光衰期成像顯微鏡檢查，光漂白后的熒光恢復，熒光相關光譜分析，光柵掃描成像相關光譜分析及單粒跟蹤等。
5．膜筏的非均一性不僅呈現(xiàn)在三維空間，而且伸展到第四維，即時間范疇。筏可能短暫出現(xiàn)或呈相對穩(wěn)定，但皆可視為動態(tài)的結構。通過蛋白質一蛋白質相互作用，幾個小型筏可聚集以生成穩(wěn)定的重要生物學結構，如免疫突觸或全刷緣膜(entire brush border membrane)即為其特殊示例。
會議集思廣益，之后達成一致意見，提出膜筏定義：膜筏是一種非均一性富集固醇和鞘脂的高動態(tài)小型域，約10～200nm大小。它能使細胞過程隔室化。有時小型筏會借助蛋白質-蛋白質以及蛋白質-脂類的相互作用，穩(wěn)定地形成較大平臺。此定義將有助于澄清因筏的非均一性和短暫性而困擾近期該領域的理念紛紜。為與國際公認的提法接軌，建議我國生化名詞采納膜筏的此規(guī)范定義。