第四章细胞质膜与细胞表面

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1、 细胞质膜与细胞表面特化结构细胞连接细胞外被与细胞外基质 细胞质膜与细胞表面特化结构细胞质膜(plasma membrane), 细胞质膜的结构模型 膜脂生物膜的基本组成成分 膜蛋白 光脱色恢复技术 生物膜结构特征 细胞质膜的功能 膜骨架与细胞表面的特化结构细胞连接 细胞连接的功能分类 封闭连接 锚定连接通讯连接 几种连接的比较细胞表面的粘连分子 一、细胞质膜的结构模型研究简史结构模型生物膜结构 结构模型E.Gorter和FGrendel（1925）:“蛋白质-脂类-蛋白质”三夹板质膜结构模型J.D.Robertson（1959年）：单位膜模型(unit membrane model) S.J

2、.Singer和G.Nicolson（1972）：生物膜的流动镶嵌模型(fluid mosaic model)K.Simons et al(1988): 脂筏模型（lipid rafts model）生物膜结构磷脂双分子层是组成生物膜的基本结构成分,尚未发现膜结构中起组织作用的蛋白；蛋白分子以不同方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面, 膜蛋白是赋予生物膜功能的主要决定者；生物膜是磷脂双分子层嵌有蛋白质的二维流体。膜的流动性膜脂的流动性膜脂的流动性主要由脂分子本身的性质决定的,脂肪 酸链越短,不饱和程度越高,膜脂的流动性越大。温度对膜脂的运动有明显 的影响。在动物细胞中，胆固醇对膜的流动性起重要

3、的双向调节作 用。 膜蛋白的流动荧光抗体免疫标记实验成斑现象(patching)或成帽现象(capping) 膜的流动性受多种因素影响：细胞骨架不但影响膜蛋白的运动，也影响其周围的膜脂的流动。膜蛋白与膜脂分子的相互作用 也是影响膜流动性的重要因素膜的不对称性细胞质膜各部分的名称 膜脂与糖脂的不对称性糖脂仅存在于质膜的ES面，是完成其生理功能的结构基础膜蛋白与糖蛋白的不对称性 膜蛋白的不对称性是指每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有明确的方向性；糖蛋白糖残基均分布在质膜的ES面；膜蛋白的不对称性是生物膜完成复杂的在时间与空间上有序的各种生理功能的保证。二、膜脂生物膜的基本组成成分成分：膜脂主要包括磷脂

4、、糖脂和胆固 醇三种类型。 膜脂的几种运动方式 脂质体（liposome）磷脂：膜脂的基本成分（50以上）分为二类: 甘油磷脂和鞘磷脂 主要特征：具有一个极性头和两个非极性的尾(脂肪酸链)（心磷脂除外）；脂肪酸碳链碳原子为偶数,多数碳链由16,18或20个组成；饱和脂肪酸(如软脂酸)及不饱和脂肪 酸(如油酸)； 糖脂：糖脂普遍存在于原核和真核细胞的质膜上（5以下）,神经细胞糖脂含量较高；胆固醇：胆固醇存在于真核细胞膜上（30%以下），细菌质膜不含有胆固醇，但某些细菌的膜脂中含有甘油脂等中性脂类。运动方式脂分子围绕轴心的自旋运动；沿膜平面的侧向运动脂分子尾部的摆动； 双层脂分子之间的翻转运动，发

5、生频率还不到脂分子侧向交换频率的1010。但在内质网膜上,新合成的磷脂分子翻转运动发生频率很高。脂质体（liposome）脂质体是根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双层膜的趋势而制备的人工膜。脂质体的类型脂质体的应用脂质体的类型(a)水溶液中的磷脂分子团；(b)球形脂质体；(c)平面脂质体膜；(d）用于疾病治疗的脂质体的示意图脂质体的应用研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质；脂质体中裹入DNA可用于基因转移；在临床治疗中,脂质体作为药物或酶等载 体三、膜蛋白基本类型内在膜蛋白与膜脂结合的方 式外在膜蛋白与膜脂结合的方 式去垢剂(detergent)外在(外周)膜蛋白 水溶性,靠离子键或其它弱键与其它

6、膜蛋白质分子或脂分子极性头部非共价结合，易分离。内在（整合）膜蛋白 水不溶性蛋白，形成跨膜螺旋，与膜结合紧密，需用去垢剂使膜崩解后才可分离。脂质锚定蛋白（lipid-anchored proteins) 通过磷脂或脂肪酸锚定，共价结合。基本类型膜蛋白的跨膜结构域与脂双层分子的疏水核心的相互作用。跨膜结构域两端携带正电荷的氨基酸残基与磷脂分子带负电的极性头形成离子键，或带负电的氨基酸残基通过Ca2+、Mg2+等阳离子与带负电的磷脂极性头相互作用。某些膜蛋白在细胞质基质一侧的半胱氨酸残基上共价结合脂肪酸分子,插入脂双层之间,进一步加强膜蛋白与脂双层的结合力,还有少数蛋白与糖脂共价结合。去垢剂是一端

7、亲水、另一端疏水的两性小分子,是分离与研究膜蛋白的常用试剂。离子型去垢剂(SDS)和非离子型去垢剂（Triton X-100）四、光脱色恢复技术 (fluorescence recovery after photobleaching, FRAP) 研究膜蛋白或膜脂流动性的基本实验技术之一。 程序： 根据荧光恢复的速度可推算出膜蛋白或膜脂扩散速度。五、生物膜结构的特征膜的流动性：生物膜的基本特征之一, 细胞进行生命活动的必要条件。膜的不对称性六、细胞质膜的功能 为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境; 选择性的物质运输,包括代谢底物的输入与代谢产物的排除,其中伴随着能量的传递; 提供细胞识别位点,

8、并完成细胞内外信息跨膜传递; 为多种酶提供结合位点,使酶促反应高效而有序地进行; 介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接; 质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。七、膜骨架与细胞表面的特化结构膜骨架指细胞质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构,它参与维持细胞质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。红细胞的生物学特性膜骨架赋予红细胞质膜既有很好的弹性又具有较高强度。 红细胞质膜蛋白及膜骨架细胞表面特化结构 红细胞质膜蛋白及膜骨架红细胞质膜蛋白的SDS-PAGE 红细胞膜骨架的结构一、细胞连接的功能分类封闭连接(occluding junctions)紧密连接(tight junction

9、)锚定连接(anchoring junctions)通讯连接(communicating junctions)间隙连接(gap junction)；神经细胞间的化学突触(chemical synapse)；植物细胞中的胞间连丝 (plasmodesmata)。二、封闭连接紧密连接是封闭连接的主要形式，存在于上皮细胞之间紧密连接的结构 紧密连接的功能形成渗漏屏障，起重要的封闭作用；隔离作用，使游离端与基底面质膜上的膜蛋白行使各自不同的膜功能；支持功能紧密连接嵴线中的两类蛋白：封闭蛋白（occludin），跨膜四次的膜蛋白（60KD）；claudin蛋白家族（现已发现15种以上） 三、锚定连接锚定

10、连接在组织内分布很广泛,在上皮组织,心肌和子宫颈等组织中含量尤为丰富锚定连接的类型、结构与功能锚定连接的结构组成 锚定连接的类型、结构与功能与中间纤维相连的锚定连接桥粒半桥粒与肌动蛋白纤维相连的锚定连接粘合带粘合斑锚定连接的结构组成 锚定连接将相邻细胞或细胞与基质相连形 成坚挺、有序的细胞群体。与中间纤维相连的锚定连接主要包括桥粒和半桥粒；与肌动蛋白纤维相连的锚定连接主要包括粘合带与粘合斑。构成锚定连接的蛋白可分成两类:细胞内附着蛋白(attachment proteins)跨膜连接的糖蛋白四、通讯连接 间隙连接神经细胞间的化学突触 存在于可兴奋细胞之间的细胞连接方式胞间连丝：胞间连丝结构 胞

11、间连丝的功能间隙连接 间隙连接结构 间隙连接的蛋白成分间隙连接的功能及其调节机制 间隙连接的通透性是可以调节 的 间隙连接结构 间隙连接处相邻细胞质膜间的间隙为23nm 。连接子(connexon) 是间隙连接的基本单位。每个连接子由6个connexin分子组成。连接子中心形成一个直径约1.5nm的孔道。连接单位由两个连接子对接构成。间隙连接的蛋白成分 已分离20余种构成连接子的蛋白,属 同一蛋白家族, 其分子量2660KD不等；连接子蛋白具有4个-螺旋的跨膜区，是该蛋白家族最保守的区域。连接子蛋白的一级结构都比较保守, 并有相似的抗原性。不同类型细胞表达不同的连接子蛋白，间隙连接的孔径与调控

12、机制有所不同。 间隙连接的功能及其调节机制 间隙连接在代谢偶联中的作用允许小分子代谢物和信号分子通过, 是细胞间代谢 偶联的基础协调细胞群体的生物学功能（胰腺细胞分泌）间隙连接在神经冲动信息传递过程中的作用电突触(electronic junction) 快速实现细胞间信号通讯 间隙连接调节和修饰相互独立的神经元群的行为间隙连接在早期胚胎发育和细胞分化过程中的作用胚胎发育中细胞间的偶联提供信号物质的通路。肿瘤细胞之间的间隙连接明显减少或消失间隙连接的通透性是可以调节的 连接子蛋白对离子和小分子通透有一定选择性降低胞质中的pH值和提高自由Ca2+的浓度都可以使其通透性降低间隙连接的通透性受两侧电

13、压梯度的调控及细胞外化学信号的调控胞间连丝胞间连丝结构 相邻细胞质膜共同构成的直径20-40nm的管状结构胞间连丝的功能实现细胞间由信号介导的物质有选择性的转运；实现细胞间的电传导；在发育过程中，胞间连丝结构的改变可以调节植物细胞 间的物质运输。 五、细胞表面的粘连分子 同种类型细胞间的彼此粘连是许多组织结构的基本特征。细胞间的粘连是由特定细胞粘连分子所介导。粘连分子的特征与类型粘连分子均为整合膜蛋白多数要依赖Ca2+或Mg2+粘连分子类型及细胞间粘着方式类型 粘着方式 粘连分子类型 钙粘素（Cadherins）选择素（Selectin）免疫球蛋白超家族的CAM(Ig-Superfamily，

14、IgSF)整合素（Integrins）质膜整合蛋白聚糖钙粘素（Cadherins） 属同亲性依赖Ca2+的细胞粘连糖蛋白，介导依赖Ca2+的细胞粘着。对胚胎发育中的细胞识别、迁移和 组织分化以及成体组织器官构成具有主要作用。（30多个成员的糖蛋白家族）E- Cadherins(epithelial),N- Cadherins(neural) ， P- Cadherins(placental)，桥粒钙粘素。 选择素（Selectin） 属异亲性依赖于Ca2+的能与特异糖基识别并相结合的糖蛋白，其胞外部分具有凝集素样结构域(lectin-like domain)。主要参与白细胞与脉管内皮细胞之间的

15、识别与粘着。P(Platelet)选择素、E(Endothelial)选择素和L(Leukocyte)选择素。 免疫球蛋白超家族的CAM 分子结构中具有与免疫球蛋白类似的结构域的超家族。介导同亲性细胞粘着或介导异亲性细胞粘着,但其粘着作用不依赖Ca2+，其中N-CAMs 在神经组织细胞间的粘着中起主要作用。 整合素（Integrins） 由和两个亚基形成的异源二聚体糖蛋白。人体细胞中已发现16种链和8种链，它们相互配合形成22种不同的二聚体整合素，可与不同的配基结合，从而介导细胞与基质、细胞与细胞之间的粘着。粘着方式细胞中主要的粘连分子家族 与细胞锚定连接相关的粘连分子非锚定连接（nonjunctional adhesion）的细胞粘连分子及其作用部位细胞与细胞连 接主要成员Ca2+或Mg2+依 赖性胞内骨架 成分与细胞连接 关系钙粘素选择素 免疫球蛋白类血细胞整合素E、N、P-钙粘素 桥粒钙粘素 P-选择素 N-细胞粘着 分子 Lb2+ + + -+Actin纤维 中等纤维Actin 纤维粘着带 桥粒-细胞与基质连 接整合素质膜蛋白聚糖约20种类型 6b4Syndecans+ +-Actin 纤维 中等纤维Actin 纤维粘着斑 半桥粒-细胞中主要