第四章细胞质膜和细胞表面.ppt

第四章细胞质膜与细胞表面,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,细胞膜(cellmembrane)又称质膜（plasmamembrane），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（cellmembrane）。,第一节细胞膜与细胞表面的特化结构,细胞膜的化学组成细胞膜的结构模型及特点骨架与细胞表面的特化结构,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（amphipathicmolecules）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。儿童所患的家族性白痴病（Tay-sachsdisease）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。,（四）脂质体脂质体（liposome）是根据磷脂分子在水相中形成稳定的脂双层膜的趋势而将少量的磷脂放在水溶液中,它能够自我装配成脂双层的球状结构,这种结构称为脂质体，所以脂质体是人工制备的连续脂双层的球形脂质小囊。脂质体可作为生物膜的研究模型，并可作为生物大分子(DNA分子)和药物的运载体，因此脂质体是研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质的极好材料。在构建导弹人工脂质体时,不仅要将被运载的分子或药物包入脂质体的内部水相,同时要在脂质体的膜上做些修饰,如插入抗体便于脂质体进入机体后寻靶。,膜脂的功能：1）支撑，膜脂是细胞膜结构的骨架；2）维持构象并为膜蛋白行使功能提供环境；3）是部分酶行驶功能所必需的。,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（integralprotein）、外周蛋白（peripheralprotein）和脂锚定蛋白（lipid-anchoredprotein）。,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（integralproteins）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（tansmembraneproteins）。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有两种形式，一是由多个螺旋组成亲水通道；二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（peripheralprotein）外周蛋白又称为外在蛋白（extrinsicprotein），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-anchoredprotein）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。附注:朊病毒蛋白(prionprotein,prp)是由一种分子量为3335kD的正常细胞蛋白PrPc或PrPc3335发生构型转变形成的,细胞膜的结构模型及特点,一、细胞膜结构的研究历史,1.E.Overton1895推测细胞膜由连续的脂类物质组成。,疏水(hydrophobic),2.E.Gorter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。,细胞表面的特化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。,七、骨架与细胞表面的特化结构,膜骨架指细胞膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构(meshwork)，它参与维持质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。它的特点是粘质性高，有较强的抗拉能力。,（一）膜骨架,（二）红细胞的生物学特性,哺乳动物成熟的红细胞没有细胞核和内膜系统，细胞膜既有良好的弹性又有较高的强度，并且细胞膜和膜骨架的蛋白比较容易纯化、分析。红细胞经过低渗处理，质膜破裂，内容物释放，留下一个保持原形的壳，称为血影。因此，是研究膜骨架的理想材料。,（三）红细胞质膜蛋白及膜骨架,1.血影蛋白又称收缩蛋白(spectrin)，是红细胞膜骨架的主要成份,但不是红细胞膜蛋白的成份,约占膜提取蛋白的30%。血影蛋白属红细胞的膜下蛋白，这种蛋白是一种长的、可伸缩的纤维状蛋白,长约100nm,由两条相似的亚基亚基(相对分子质量220kDa)和亚基(相对分子质量200kDa)构成。两个亚基链呈现反向平行排列,扭曲成麻花状，形成异二聚体,两个异二聚体头-头连接成200nm长的四聚体。5个或6个四聚体的尾端一起连接于短的肌动蛋白纤维并通过非共价键与外带4.1蛋白结合,而带4.1蛋白又通过非共价键与跨膜蛋白带3蛋白的细胞质面结合,形成“连接复合物”。这些血影蛋白在整个细胞膜的细胞质面下面形成可变形的网架结构,以维持红细胞的双凹圆盘形状。2.锚蛋白(ankyrin):又称2.1蛋白。锚定蛋白是一种比较大的细胞内连接蛋白,每个红细胞约含10万个锚定蛋白，相对分子质量为215,000。锚定蛋白一方面与血影蛋白相连,另一方面与跨膜的带3蛋白的细胞质结构域部分相连,这样，锚定蛋白借助于带3蛋白将血影蛋白连接到细胞膜上，也就将骨架固定到质膜上。它属于联结蛋白家族,广泛存在于各种组织细胞中.锚蛋白连接整合膜蛋白到细胞骨架蛋白网络,在多种细胞功能活动中起关键作用,参与机体生长、发育、细胞内蛋白转运、细胞极性的建立和维持、细胞黏附、信号传导以及mRNA转录等.,3.带3(Band3)蛋白:与血型糖蛋白一样都是红细胞的膜蛋白,因其在PAGE电泳分部时位于第三条带而得名。带3蛋白在红细胞膜中含量很高，约为红细胞膜蛋白的25%。由于带3蛋白具有阴离子转运功能，所以带3蛋白又被称为“阴离子通道”。带3蛋白是由两个相同的亚基组成的二聚体,每条亚基含929个氨基酸,它是一种糖蛋白，在质膜中穿越1214次,因此,是一种多次跨膜蛋白。4.带4.1蛋白(band4.1protein)是由两个亚基组成的球形蛋白，它在膜骨架中的作用是通过同血影蛋白结合，促使血影蛋白同肌动蛋白结合。带4.1蛋白本身不同肌动蛋白相连，因为它没有与肌动蛋白连接的位点。,5.血型糖蛋白(glycophorin)血型糖蛋白又称涎糖蛋白(sialoglycoprotein),因它富含唾液酸。血型糖蛋白是第一个被测定氨基酸序列的蛋白质,有几种类型，包括A、B、C、D。血型糖蛋白B、C、D在红细胞膜中浓度较低。血型糖蛋白A是一种单次跨膜糖蛋白,由131个氨基酸组成,其亲水的氨基端露在膜的外侧,结合16个低聚糖侧链。血型糖蛋白的基本功能可能是在它的唾液酸中含有大量负电荷,防止了红细胞在循环过程中经过狭小血管时相互聚集沉积在血管中。,膜骨架蛋白主要成分包括：血影蛋白、肌动蛋白、锚蛋白和带4.1蛋白等。,第二节细胞连接(celljunction),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（occludingjunctions）锚定连接（anchoringjunctions）通讯连接（communicatingjunctions）,一、封闭连接（occludingjunctions）,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。,（一）紧密连接（tightjunction）,又称封闭小带（zonulaoccludens），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,紧密连接的焊接线由跨膜细胞粘附分子构成，主要的跨膜蛋白为claudin和occludin，另外还有膜的外周蛋白ZO。紧密连接的主要作用是封闭相邻细胞间的接缝，防止溶液中的分子沿细胞间隙渗入体内，从而保证了机体内环境的相对稳定；消化道上皮、膀胱上皮、脑毛细血管内皮以及睾丸支持细胞之间都存在紧密连接。后二者分别构成了脑血屏障和睾血屏障，能保护这些重要器官和组织免受异物侵害。在各种组织中紧密连接对一些小分子的密封程度有所不同，例如小肠上皮细胞的紧密连接对Na+的渗漏程度比膀胱上皮大1万倍。,二、锚定连接（anchoringjunctions）,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（attachmentproteins）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、试管和心肌中。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。,（二）、桥粒与半桥粒,（一）桥粒与半桥粒桥粒（desmosome）存在于承受强拉力的组织中，如皮肤、口腔、食管等处的复层鳞状上皮细胞之间和心肌中（图11-7）。相邻细胞间形成纽扣状结构，细胞膜之间的间隙约30nm，质膜下方有细胞质附着蛋白质，如片珠蛋白（plakoglobin）、桥粒斑蛋白（desmoplakin）等，形成一厚约1520nm的致密斑。斑上有中间纤维相连，中间纤维的性质因细胞类型而异，如：在上皮细胞中为角蛋白丝（keratinfilaments），在心肌细胞中则为结蛋白丝（desminfilaments）。桥粒中间为钙粘素（desmoglein及desmocollin）。因此相邻细胞中的中间纤维通过细胞质斑和钙粘素构成了穿胞细胞骨架网络,半桥粒（hemidesmosome）在结构上类似桥粒，位于上皮细胞基面与基膜之间（图11-9），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（integrin）而不是钙粘素，整合素是细胞外基质的受体蛋白；细胞内的附着蛋白为角蛋白（keratin）。,（二）粘合带与粘合斑粘合带（adhesionbelt）呈带状环绕细胞，一般位于上皮细胞顶侧面的紧密连接下方。在粘合带处相邻细胞的间隙约1520nm。粘合带处的质膜下方有与质膜平行排列的肌动蛋白束，钙粘蛋白通过附着蛋白与肌动蛋白束相结合。于是，相邻细胞中的肌动蛋白丝束通过钙粘蛋白和附着蛋白编织成了一个广泛的网络，把相邻细胞联合在一起。,粘合斑（adhesionplaque）位于细胞与细胞外基质间，通过整合素（integrin）把细胞中的肌动蛋白束和基质连接起来。连接处的质膜呈盘状，称为粘合斑。,左，连接子电镜照片；右，间隙连接模型,间隙连接在代谢偶联中的作用间隙连接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代谢偶联现象在体外培养细胞中的证实代谢偶联作用在协调细胞群体的生物学功能方面起重要作用.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,从而为某一特定细胞提供它的“位置信息”，并根据其位置影响其分化。肿瘤细胞之间间隙的连接明显减少或消失，间隙联接类似“肿瘤抑制因子”。间隙连接在神经冲动信息传递过程中的作用电突触(electronicjunction)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,间隙连接的功能及其调节机制,胞间连丝结构模型,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。,化学突触的结构（具有小囊泡的一侧为突触前膜）,化学突触的结构模型,几类细胞连接的比较,细胞表面的粘附因子,细胞粘附分子（celladhesionmolecule，CAM）是参与细胞与细胞之间及细胞与细胞外基质之间相互作用的分子。可大致分为五类：钙粘素、选择素、免疫球蛋白超家族、整合素及透明质酸粘素。细胞粘附分子都是跨膜糖蛋白，分子结构由三部分组成：胞外区，肽链的N端部分，带有糖链，负责与配体的识别；跨膜区，多为一次跨膜；胞质区，肽链的C端部分，一般较小，或与质膜下的骨架成分直接相连，或与胞内的化学信号分子相连，以活化信号转导途径。,细胞粘附分子的作用方式,钙粘素的作用：1介导细胞连接，在成年脊椎动物，E-钙粘素是保持上皮细胞相互粘合的主要CAM，是粘合带的主要构成成分。2参与细胞分化，钙粘素对于胚胎细胞的早期分化及成体组织的构筑有重要作用。在发育过程中通过调控钙粘素表达的种类与数量可决定胚胎细胞间的相互作用，从而通过细胞的微环境，影响细胞的分化，参与器官形成过程。3抑制细胞迁移，很多种癌组织中细胞表面的E钙粘素减少或消失，以致癌细胞易从瘤块脱落，成为侵袭与转移的前提。因而有人将E钙粘素视为转移抑制分子。,一、钙粘素钙粘素（cadherin）属亲同性CAM，其作用依赖于Ca2。至今已鉴定出30种以上钙粘素，分布于不同的组织。,钙粘素结构模型,二、选择素选择素（selectin）属亲异性CAM，其作用依赖于Ca2。主要参与白细胞与脉管内皮细胞之间的识别与粘合。已知选择素有三种：L选择素、E选择素及P选择素。,三、免疫球蛋白超家族免疫球蛋白超家族（Ig-superfamily，Ig-SF），分子结构中含有免疫球蛋白（Ig）的类似结构域CAM超家族，一般不依赖于Ca2。免疫球蛋白结构域是指借二硫键维系的两组反向平行折叠结构。,四、整合素整合素（integrin）大多为亲异性细胞粘附分子，其作用依赖于Ca2。介导细胞与细胞间的相互作用及细胞与细胞外基质间的相互作用。几乎所有动植物细胞均表达整合素。,第三节细胞外被与细胞外基质,细胞外被动物细胞表面存在着一层富含糖类物质的结构，称为细胞外被（cellcoat）或糖萼（glycocalyx）。用重金属染料如：钌红染色后，在电镜下可显示厚约1020nm的结构，边界不甚明确。细胞外被是由构成质膜的糖蛋白和糖脂伸出的寡糖链组成的，实质上是质膜结构的一部分(图4-18)。细胞外被的作用有：,1、保护作用：细胞外被具有一定的保护作用，去掉细胞外被，并不会直接损伤质膜。2、细胞识别：细胞识别与构成细胞外被的寡糖链密切相关。寡糖链由质膜糖蛋白和糖脂伸出，每种细胞寡糖链的单糖残基具有一定的排列顺序，编成了细胞表面的密码，它是细胞的”指纹”，为细胞的识别形成了分子基础。同时细胞表面尚有寡糖的专一受体，对具有一定序列的寡糖链具有识别作用。因此，细胞识别实质上是分子识别。Townes和Holtfreter（1955）把两栖类动物的原肠胚3个胚层的细胞分散后，混合培养，结果3个胚层的细胞均自行分类聚集，分别参加其来源胚层的组建。如果将鸡胚细胞和小鼠胚细胞分散后相混培养，各种细胞仍按来源组织分别聚集，但相聚细胞只具有组织的专一性，而没有物种的分辨能力。3、决定血型：血型实质上是不同的红细胞表面抗原，人有20几种血型，最基本的血型是AB0血型。红细胞质膜上的糖鞘脂是AB0血型系统的血型抗原，血型免疫活性特异性的分子基础是糖链的糖基组成。A、B、O三种血型抗原的糖链结构基本相同，只是糖链末端的糖基有所不同。A型血的糖链末端为N-乙酰半乳糖；B型血为半乳糖；AB型两种糖基都有，O型血则缺少这两种糖基。,细胞外基质,概念：细胞外基质（extracellularmatrix，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。,细胞外基质的成分,上皮组织的细胞外基质,胶原是细胞外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。,一、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；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。,二、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。,三、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)+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(hyaluronicacid)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