医学细胞生物学 细胞表面及其特化结构 第二讲----赵崴（终稿）.ppt

细胞表面及其特化结构 细胞表面（cell surface）：包围在细胞质外层的 一个复合结构体系和多功能体系，是细胞与外界环 境物质相互作用，并产生各种复杂功能的部位。 细胞表面的结构以质膜为主体，包括质膜外的细胞 外被和质膜内侧的胞质溶胶。 细胞表面的特化结构如：微绒毛、鞭毛和纤毛及细 胞的变形足等等，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。 一、细胞外被 与质膜相连接的糖类物质的结构，称为细胞外被 或糖萼。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。 作用：保护，细胞识别，参与细胞的物质运输， 形态形成与分化等过程。 电镜下的细胞表面 细细胞表面结结构示意图图 跨膜糖蛋白 吸附的糖蛋白 跨膜蛋白聚糖 细胞外 被 （糖萼 ） 脂双 层 胞质溶胶 细胞外空间 糖脂 二、胞质溶胶 胞质溶胶是位于细胞质膜下约0.10.2m厚 的由高浓度的蛋白质组成的较粘滞无结构 的液体物质，也称为溶胶层。 作用：维持质膜的形状并协助质膜完成多 种生理功能。 三、细胞表面的特殊结构 质膜常带有许多特化的附属结构。如：微绒毛、 褶皱、纤毛、鞭毛等等，这些特化结构在细胞执 行特定功能方面具有重要作用。由于其结构细微 ，多数只能在电镜下观察到。 （一） 微绒毛（microvillus） 电镜下观察微绒毛是由细胞膜和细胞质形成的指状突起，直径约 为0.1m，长约0.21.0m，广泛存在于动物细胞表面。 作用：扩大了细胞的表面积，增加了细胞游离面吸收和接受刺激 的能力。如小肠微绒毛，使细胞表面积扩大了30倍，扩大吸收面 积，增加细胞的吸收功能。 SEM image of alveolar (Lung) macrophage attacking E. coli. (Show ruffle on the cell surface) （二）褶皱（ruffle） 细胞表面的扁形突起，也称 为片足（lamellipodia ）。 在巨噬细胞的表面上，普遍 存在着褶皱结构，与吞噬颗 粒物质有关。 （三） 细胞内褶 内褶（infolding）是质膜由细胞表面内陷形成的结构， 以相反的方向扩大了细胞的表面积。这种结构常见于液 体和离子交换活动比较旺盛的细胞。 肾近曲小管上皮细胞之基 底褶及其中的线粒体 16000 （四） 纤毛和鞭毛 纤毛（cilia）和鞭毛（flagella） 是细胞表面伸出的条状运动装置。 二者在发生和结构上并没有什么差 别。 纤毛和鞭毛都来源于中心粒。其详 细结构和功能可参见细胞骨架一章 。 Human sperm 细胞间的连接 cell junction 2. 2.锚定连接锚定连接 3. 3.通讯连接通讯连接 分类分类 细胞连接(cell junction) ：相邻细胞间形成一 定的连接装置，加强细胞的机械联系和组织 的牢固性，并协调细胞间的代谢活动。 1. 1.封闭连接封闭连接 细胞连接类型 类型连接名称主要特征 第一类封闭连接（紧密连接）相邻细胞膜形成封闭链 第二类锚定连接细胞骨架纤维参与锚定 黏合连接 黏合带 黏合斑 由微丝介导的细胞连接 细胞或细胞外基质粘着 桥粒连接 桥粒由张力丝介导的细胞连接 半桥粒细胞与基膜之间的连接 第三类通讯连接连接结构介导细胞通讯 间隙连接由连接子介导细胞通讯 化学突触神经突触通讯 一. 紧密连接 (tight junction) 分布：广泛分布于各种上皮细胞管腔面细胞间隙顶端。 如：消化道、血管、膀胱、生殖道等。 细胞膜 细胞间隙 跨膜蛋白 结构特点： 功能 1) 封闭上皮细胞 的间隙，保证 组织内环境的 稳定性。 2) 保证物质转运 的方向性。 紧密连接 细胞间隙 细胞膜 葡萄糖被动运 输载体蛋白 Na/葡萄糖协同 转运蛋白 二、 锚定连接 (anchoring junction) 骨架纤维 细胞膜 胞内附着蛋白 跨膜连接蛋白 胞外空隙 胞外基质 黏合连接：包括黏合带和黏合斑 l部位：黏合带位于上皮细胞顶端紧密连接的下方 紧密连接 （黏合带）中间连接 微丝束 （肌动蛋白纤维） 细胞间隙(15 -20nm) l形态特征 l作用：增强组织支持、抵抗机械张力的重要作用。 - S-S - - S - S - 肌动蛋白 细胞膜 黏合斑蛋白 纤粘连蛋白受体 纤粘连蛋白 蛋白聚糖 胶原纤维 黏合斑黏合斑(adhesion plaque)：细胞与细胞外基质形细胞与细胞外基质形 成黏合斑。成黏合斑。细胞膜的某些部位与底物接触形成细胞膜的某些部位与底物接触形成 黏合斑，使细胞铺展开来。黏合斑，使细胞铺展开来。 结构结构：膜下微丝束的终末，通过黏合斑连接：膜下微丝束的终末，通过黏合斑连接 蛋白与细胞外基质纤连蛋白受体连接。蛋白与细胞外基质纤连蛋白受体连接。 功能功能：细胞贴壁、铺展、迁移运动。：细胞贴壁、铺展、迁移运动。 桥粒（spot desmosome） l部位：存在于上皮细胞黏合带下方。 l形态特征：相邻细胞经由一纽扣状结构铆接在一起。 细胞膜 细胞间隙 钙黏蛋白 中间纤维 桥粒斑 （2530nm) 桥粒连接：在皮 肤、心肌、消化 道上皮、子宫和 阴道上皮细胞中 特别丰富。 细胞膜 基底膜 中间纤维 l作用：桥粒与半桥粒：它们似铆钉将相邻细胞或细胞 与基质牢牢连接起来, 起支持，附着，抵抗外界压力与 张力的作用。 整联蛋白 半桥粒(hemidesmosome) l形态与桥粒类似，但半桥粒是细胞与其下方的基底膜相连。 总之：锚定连接将相邻细胞的骨架系统与细胞或细 胞外基质相连形成一个坚挺，有序的细胞群体。 锚定连接 与中间纤维的锚定连接桥粒与半桥粒 与肌动蛋白纤维的锚定连接黏合连接 9-10nm 细胞膜 细胞间隙 2-4nm 连接子 跨膜蛋白亚单位 孔 道1.5nm 两个连接子为一 个缝隙连接单位 （缝隙连接的基本单位） 三.通讯连接 communicating junction 类型：缝隙连接、化学突触、胞间连丝 缝隙连接：细胞间隙中丛集圆柱状颗粒-连接子或连接小体 动物细胞显示缝隙连接 相邻细胞膜 相邻细胞对应连接子通道 由6个亚单位构成的连接子 1.5 nm 亲水 通道 l代谢偶联：小分子代谢物和信号分子（分子量 小于1500KD)即可通过缝隙连接的通道，由一个 细胞进入与之相邻的另一个细胞。控制细胞分化 、保持发育一致。 l电偶联：带电离子通过缝隙连接通道由一个细 胞直接进入另一个细胞，使动作电位迅速在细胞 之间传播。协调组织功能活动。 缝隙连接的作用： 化学突触：存在于神经细胞间和神经细胞与肌细胞的接触 部位,通过释放神经递质来传导神经冲动。 组成：突触前膜、突触间隙和突触后膜 小肠小肠 上皮上皮 细胞细胞 层各层各 种细种细 胞连胞连 接接 微绒毛 紧密连接 粘着带 桥粒 角质纤维 间隙连接 半桥粒基底层 细胞外基质 extracellular matrix，ECM 概念：细胞外基质（extracellular matrix，ECM）是指分部 于细胞外空间，由细胞分泌的蛋白质和多糖所构成的纤维凝胶 网络结构。主要由凝胶样基质和纤维网架构成。 功能：粘连；支持；改变细胞微环境；信号功能。 类型：氨基聚糖与蛋白聚糖、胶原和弹性蛋白、 非胶原糖蛋白（黏着糖蛋白）：层粘连蛋白和 纤粘连蛋白 n 结构：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 （葡萄糖醛酸或艾杜糖醛酸） n 类型： 透明质酸、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。 (一) 氨基聚糖与蛋白聚糖 氨基聚糖（glycosaminoglycan，GAG） 氨基聚糖的分子特性及组织分布 氨基聚糖 二糖单位硫酸基分布组织 透明质酸葡萄糖醛酸，N-乙酰葡 萄糖 0结缔组织、皮肤、软骨、玻璃体、 滑液 硫酸软骨素葡萄糖醛酸，N-乙酰半 乳糖 0.2-2.3软骨、角膜、骨、皮肤、动脉 硫酸皮肤素葡萄糖醛酸或艾杜糖醛 酸，N-乙酰葡萄糖 1.0-2.0皮肤、血管、心、心瓣膜 硫酸 乙酰肝素 葡萄糖醛酸或艾杜糖醛 酸，N-乙酰葡萄糖 0.2-3.0肺、动脉、细胞表面 肝素葡萄糖醛酸或艾杜糖醛 酸，N-乙酰葡萄糖 2.0-3.0肺、肝、皮肤、肥大细胞 硫酸角质素半乳糖，N-乙酰葡萄糖0.9-1.8软骨、角膜、椎间盘 n 氨基聚糖代表 透明质酸 组成：由N-乙酰氨基葡萄糖和葡萄糖醛酸组成二糖 单位。由几千(5000)个二糖单位聚合成直链多糖， 非硫酸化。 功能：透明质酸结合大量水分子，形成粘性水化凝 胶，扩大1 00010 000倍，使基质膨胀。对细胞迁 移和分化、创伤的修复愈合有特殊作用。 n 结构： l 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 l 若干蛋白聚糖单体借连接蛋白以非共价键与透明 质酸结合形成多聚体 l 显著特点是多态性：可以含有不同氨基酸序列核 心蛋白,长度和成分不同的氨基聚糖； 蛋白聚糖（proteoglycan） n 蛋白聚糖的功能 软骨中的蛋白聚糖是最巨大分子之一, 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。 胶原 胶原是细胞外基质中最主要的水不溶性纤维蛋白。 n 胶原主要由成纤维细胞、软骨细胞、成骨细胞及某些 上皮细胞合成并分泌到细胞外。 n 分子结构： 胶原是由3条多肽链盘绕构成的三股螺旋结构 氨基酸组成具有三肽重复顺序：Gly-X-Y 在胶原纤维的内部，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。 (二)胶原与弹性蛋白 胶原的结构 胶原纤维结构特征 肽链肽链 胶原原纤维 胶原分子 胶原纤维 成纤维细胞周围的胶原纤维 切去信号肽、N端和C端添加 短前肽(前-链)。在高尔基 体内加工：羟基化、糖基化 形成二硫键，以氢键连接 形成三股螺旋的前胶原。 前胶原合成后，分泌进入细胞间隙中 切去前肽，形成直径1.5nm、 长300nm的胶原分子 前肽的功能：诱导装配，分泌前防止交联成胶原原纤维 n 胶原的装配 n 胶原的主要功能 胶原在不同组织中行使不同的功能 胶原具有刺激细胞增殖和诱导分化的作用 不同的发育阶段表达不同类型的胶原 n 胶原与疾病： 由不正常胶原纤维形成导致的坏血病 由胶原分子表达异常引起的遗传性疾病 由自身免疫性胶原组织损伤产生的免疫性胶原病 n 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； 一种短肽为富含丙氨酸及赖氨酸残基的螺旋，负责在相 邻分子间形成交联。 n 弹性蛋白是高度疏水的非糖基化蛋白，有两个明显的特征 构象呈无规则卷曲状态； 通过Lys(赖氨酸)残基相互交连成网状结构。 弹性蛋白（elastin） 伸展 回缩 单个弹性蛋白分子 交联键 (三) 非胶原糖蛋白 特点 ：既可与细胞结合，又可与细胞外基质中其他 大分子结合，从而使细胞与细胞外基质相互粘着。 代表： 纤连蛋白 层粘连蛋白 n 纤连蛋白是高分子量糖蛋白（220-250KD） 有两种存在形式 可溶性纤粘连蛋白，称为血浆FN， 不溶性纤粘连蛋白，称为细胞FN n 纤连蛋白的分子结构 每条FN肽链约含2450个氨基酸残基，具有57个有特定 功能的结构域，由对蛋白酶敏感的肽段连接。 FN肽链中的一些短肽序列为细胞表面的各种FN受体识别 与结合的最小结构单位。例如，在肽链中央的与细胞相 结合的模块中存在RGD（Arg-Gly-Asp）（精氨酸甘氨 酸天冬氨酸）序列。 纤连蛋白（fibronectin，FN） 结合肝素 结合细胞 结合胶原、多胺 结合肌动蛋白、纤维蛋白、 肝素、金黄色葡萄糖菌 结合肌动蛋白、肝素、DNA n 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。 n 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 n 层粘连蛋白的结构由一条重链和两条轻链构成 n 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； 与细胞质膜上整合素结合的Arg-Gly