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1、第三章 细胞膜与细胞表面,细胞膜 细胞表面结构 细胞连接 物质的跨膜运输和信号传递,细胞膜(cell membrane)又称质膜（plasma membrane），是指围绕在细胞最外层，由脂质和蛋白质组成的生物膜。细胞膜只是真核细胞生物膜的一部分，真核细胞的生物膜（biomembrane）包括细胞的内膜系统（细胞器膜和核膜）和细胞膜（cell membrane）。,第一节 细胞膜, 细胞膜的化学组成 细胞膜的结构模型及特点 细胞膜的功能,细胞膜主要由脂质和蛋白质组成。 一、膜脂 膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇三种类型。 （一）磷脂是构成膜脂的基本成分，约占整个膜脂的50以上。磷脂为双型性分子（
2、amphipathic molecules）或双亲媒性分子或兼性分子。,细胞膜的化学组成,亲水的 头部,疏水尾部,心磷脂,磷脂分子的结构特征：a. 一般有一个极性头（磷酸和碱基）和两个非极性的尾（脂肪酸链）；b. 脂肪酸碳链为偶数；c. 含有饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸。类型：分为甘油磷脂和鞘磷脂。,（二） 糖脂 存在于原核和真核细胞的质膜上，其含量约占膜脂总量的5以下，在神经细胞膜上糖脂含量较高，约占5-10。糖脂也是两性分子，结构与磷脂相似，由一个或多个糖残基代替磷脂酰胆碱而与鞘氨醇的羟基结合。,最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂，它只有一个半乳糖残基作为极性头部；变化最多、最复杂的糖脂是神经节苷脂。
3、儿童所患的家族性白痴病（Tay-sachs disease）和神经节苷脂有关。神经节苷脂本身还是一类膜上的受体，破伤风毒素、霍乱毒素、干扰素等的受体就是不同的神经节苷脂。,1. 半乳糖脑苷脂，2. GM1神经节苷脂，3. 唾液酸,（三）胆固醇 只存在于真核细胞膜上，含量一般不超过膜脂的1/3，植物细胞膜中含量较少。它是一种双性分子。功能是提高脂双层的力学稳定性，调节脂双层流动性，降低水溶性物质的通透性。,膜脂的功能：1）支撑，膜脂是细胞的骨架；2）维持构象并为膜蛋白行使功能提供环境；3）是部分酶行使功能所必需的。,二、 膜蛋白 膜蛋白是膜功能的主要体现者。核基因组编码的蛋白质中30%左右的为膜
4、蛋白。根据与膜脂的结合方式以及在膜中的位置的不同，膜蛋白分为内在（integral protein）、外周蛋白（peripheral protein）和脂锚定蛋白（lipid-anchored protein）。,蛋白与膜的结合方式 、整合蛋白；、脂锚定蛋白；、外周蛋白,（一）内在蛋白（integral proteins）内在蛋白又称为整合蛋白，以不同程度嵌入脂双层的内部，有的为全跨膜蛋白（tansmembrane proteins）。膜蛋白为两性分子。它与膜结合非常紧密，只有用去垢剂（detergent）才能从膜上洗涤下来，常用SDS和Triton-X100。内在蛋白的跨膜结构域形成亲水通道
5、有两种形式，一是由多个螺旋组成亲水通道；而是由折叠组成亲水通道。,内在蛋白与脂膜的结合方式： 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。 跨膜结构域两端带正电荷的aa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。 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, 还有少数蛋白与糖脂共价结合。,（二）外周蛋白（peripheral protein）外周蛋白又称为外在蛋白（extrinsic protein），为水溶性的，分布在细胞膜的表面，靠离子键或其它较弱的键与膜表面的蛋白质分子或脂分
6、子的亲水部分结合，因此只要改变溶液的离子强度甚至提高温度就可以从膜上分离下来。,（三）脂锚定蛋白（lipid-anchored protein）脂锚定蛋白通过磷脂或脂肪酸锚定，共价结合。分两类，一类是糖磷脂酰肌醇(GPI)连接的蛋白，GPI位于细胞膜的外小叶，用磷脂酶C处理能释放出结合的蛋白。许多细胞表面的受体、酶、细胞粘附分子和引起羊瘙痒病的PrPC就是这类蛋白。另一类脂锚定蛋白与插入质膜内小叶的长碳氢链结合。,细胞膜的结构模型及特点,一、细胞膜结构的研究历史,1. E. Overton 1895 推测细胞膜由连续的脂类物质组成。,2. E. Gorter & F. Grendel 1925
7、 推测细胞膜由双层脂分子组成。,3. J. Danielli & H. Davson 1935 提出了”蛋白质-脂类-蛋白 质”的三明治模型。认为质膜由双层脂类分子及其内外表面附着的蛋白质构成的。1959年提出了修正模型，认为膜上还具有贯穿脂双层的蛋白质通道，供亲水物质通过。,4. J. D. Robertson 1959 用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，显示暗-明-暗三层结构，厚约7.5nm。这就是所谓的“单位膜”模型。它由厚约3.5nm的双层脂分子和内外表面各厚约2nm的蛋白质构成。,5. S. J. Singer & G. Nicolson 1972 根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术
8、的研究结果，在”单位膜”模型的基础上提出”流动镶嵌模型”。,二、质膜的流动镶嵌模型的特点,组成成分：主要组成成分为脂类和蛋白质，还含有少量的糖类。不对称性：蛋白质或嵌在脂双层表面，或嵌在其内部，或横跨整个脂双层，表现出分布的不对称性。流动性：膜蛋白和膜脂可作各向运动。,膜脂的分子运动,1 侧向扩散运动 2 旋转运动 3 摆动运动 4 伸缩震荡运动 5 翻转运动 6 旋转异构化运动,2. 影响膜流动的因素,主要有侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。旋转扩散指膜蛋白围绕与膜平面垂直的轴进行旋转运动。膜蛋白的侧向运动受细胞骨架的限制，破坏微丝的药物如细胞松弛素B能促进膜蛋白的侧向运动。可用荧光标记技术和
9、光脱色恢复技术检测膜蛋白的流动性。,3膜蛋白的流动,细胞融合技术观察蛋白质运动,光脱色恢复技术（FRAP）,质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。例如跨膜物质运输、细胞信息传递、细胞识别、细胞免疫、细胞分化以及激素的作用等等都与膜的流动性密切相关。当膜的流动性低于一定的阈值时，许多酶的活动和跨膜运输将停止，反之如果流动性过高，又会造成膜的溶解。,4膜流动性的意义,（三）、细胞膜的功能, 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,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
10、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。,细胞表面结构是为适应某种环境而形成的特殊表面结构，如：膜骨架、鞭毛和纤毛、微绒毛及细胞的变形足等，分别与细胞形态的维持、细胞运动、细胞的物质交换等功能有关。,第二节 细胞表面结构,概念：细胞外基质（extracellular matrix，ECM）是指分部于细胞外空间，由细胞分泌的蛋白和多糖所构成的网络 结构。 功能：粘连；支持；改变细胞微环境；信号功能。 类型：胶原、层粘连蛋白和纤连蛋白、氨基聚糖与蛋白聚糖、弹性蛋白及植物细胞壁 。,细胞外基质,细胞外基质的成分,上皮组织的细胞外基质,胶原是细胞外
11、基质中最主要的水不溶性纤维蛋白。 类型：已发现20多种，型了解较多。 分子结构：胶原纤维的基本结构单位是原胶原。在胶原显微的 内部，原胶原蛋白分子呈1/4交替平行排列，相邻的原胶原蛋白头尾相连。平行排列的N端和C端共价结合。 合成：基因mRNA前胶原原胶原原胶原纤维 功能：骨架结构；参与信号传递。,胶原（collagen）,纤连蛋白是高分子量糖蛋白（220-250KD） 纤连蛋白模型 纤连蛋白的主要功能：介导细胞粘着，进而调节细胞的形状和细胞骨架的组织，促进细胞铺展；在胚胎发生过程中，纤连蛋白对于许多类型细胞的迁移和分化是必需的；在创伤修复中，纤连蛋白促进巨噬细胞和其它免疫细胞迁移到受损部位；
12、在血凝块形成中，纤连蛋白促进血小板附着于血管受损部位。,纤连蛋白（fibronectin，FN）,层粘连蛋白是高分子糖蛋白（820KD）,动物胚胎及成体组织的基膜的主要结构组分之一； 层粘连蛋白的结构由一条重链和两条轻链构成细胞通过层粘连蛋白锚定于基膜上；层粘连蛋白中至少存在两个不同的受体结合部位：与型胶原的结合部位；与细胞质膜上的整合素结合的Arg-Gly-Asp(R-G-D)序列。 层粘连蛋白在胚胎发育及组织分化中具有重要作用；层粘连蛋白也与肿瘤细胞的转移有关。,层粘连蛋白（laminin，LN）,氨基聚糖是由重复的二糖单位构成的长链多糖二糖单位之一是氨基己糖(氨基葡萄糖或氨基半乳糖) +
13、 糖醛酸;氨基聚糖: 透明质酸、4-硫酸软骨素、6-硫酸软骨素、硫酸皮肤素、硫酸乙酰肝素、肝素和硫酸角质素等。 透明质酸(hyaluronic acid)及其生物学功能透明质酸是增殖细胞和迁移细胞的胞外基质主要成分,也是蛋白聚糖的主要结构组分透明质酸在结缔组织中起强化、弹性和润滑作用 透明质酸使细胞保持彼此分离,使细胞易于运动迁移和增殖并阻止细胞分化,氨基聚糖与蛋白聚糖,1氨基聚糖（glycosaminoglycan，GAG）,蛋白聚糖见于所有结缔组织和细胞外基质及许多细胞表面 蛋白聚糖由氨基聚糖与核心蛋白(core protein)的丝氨酸残基共价连接形成的巨分子 若干蛋白聚糖单体借连接蛋白
14、以非共价键与透明质酸结合形成多聚体 蛋白聚糖的特性与功能显著特点是多态性：不同的核心蛋白, 不同的氨基聚糖；软骨中的蛋白聚糖是最大巨分子之一, 赋予软骨以凝胶样特性和抗变形能力；蛋白聚糖可视为细胞外的激素富集与储存库，可与多种生长因子结合，完成信号的传导。,2蛋白聚糖（proteoglycan）,左，蛋白聚糖；中，蛋白聚糖多聚体；右，氨基聚糖,弹性蛋白纤维网络赋予组织以弹性，弹性纤维的伸展性比同样横截面积的橡皮条至少大5倍。 弹性蛋白由两种类型短肽段交替排列构成：一种是疏水短肽赋予分子以弹性；另一种短肽为富丙氨酸及赖氨酸残基的螺旋，负责在相邻分子间形成交联。弹性蛋白是高度疏水的非糖基化蛋白，具
15、有两个明显的特征:构象呈无规则卷曲状态；通过Lys残基相互交连成网状结构。,弹性蛋白（elastin）,第三节 细胞连接(cell junction),概念：是指细胞间或细胞与细胞基质之间的联系结构。,类型：根据行使功能的不同进行分类：,封闭连接（occluding junctions）锚定连接（anchoring junctions）通讯连接（communicating junctions）,一、封闭连接（occluding junctions）,封闭连接将相邻的质膜紧密连接在一起阻止溶液中的分子沿细 胞间隙渗入体内。分为紧密连接和间壁连接。,（一）紧密连接（tight junction）,
16、又称封闭小带（zonula occludens），是封闭连接的主要形式，存在于脊椎动物的上皮细胞。连接区域由蛋白质形成的嵴线，嵴线主要由两种跨膜蛋白claudin和occludin和外周蛋白ZO组成。紧密连接具有封闭（阻止可溶性物质的扩散）、隔离（将上表皮细胞的游离端与基底面细胞膜上的膜蛋白相互隔离）和支持功能。,紧密连接模式图,二、锚定连接（anchoring junctions）,锚定连接将相邻细胞的骨架系统或将细胞与基质相连形成一个 坚挺、有序的细胞群体。,连接蛋白：细胞内附着蛋白（attachment proteins）跨膜连接的糖蛋白,桥粒（desmosome）是相邻细胞间形成的纽扣式结构。通过质膜下的致密斑连接中间纤维，中间为钙粘素。主要分布在承受拉力的组织中，如皮肤、口腔、气管和心肌中。半桥粒（hemidesmosome）位于上皮细胞基面与基膜之间，它与桥粒的不同之处在于：只在质膜内侧形成桥粒斑结构，其另一侧为基膜；穿膜连接蛋白为整合素而不是钙粘素；细胞内的附着蛋白为角蛋白。,
