细胞膜与表面.ppt

第三节 细胞表面连接 多细胞生物中细胞间最基本的作用就是相互之间的关联， 能通过膜蛋白直接将质膜连接起来，或者通过分泌在细胞外的 物质连接，使得细胞之间可以快速交换信号以调整它们的行为 和基因表达。细胞之间以及细胞与外部基质的接触控制着细胞 内部结构的方向性。 细胞黏附分子（cell adhesion molecules，cams）是众多介导细胞间 或细胞与细胞外基质间相互接触的分子的统称，它们都是整合膜蛋白， 以受体-配体结合的形式发挥作用，使细胞和细胞间、细胞和基质间或细 胞-基质-细胞间发生黏附。 p 细胞表面的黏附分子 钙黏素蛋白是 ca2+依赖的、能介导 细胞黏附的一类跨膜 糖蛋白家族，它广泛 存在于各类上皮细胞 。钙黏素蛋白均为单 链糖蛋白，约含720- 750个氨基酸残基， 它往往形成二聚体或 多聚体发挥作用，主 要以同种连接的方式 参与同型细胞间的黏 附作用。 钙黏素蛋白家族 选择蛋白也称凝 集素样细胞黏附分子 （lectin like cams） ，包括表达于内皮细 胞、白细胞和血小板 表面的ca2+依赖的细 胞黏着分子，能与特 异糖基识别并结合。 选择蛋白为单链跨膜 糖蛋白，基本结构可 分为胞浆区、跨膜区 和胞外区，其胞浆区 与细胞骨架相联，胞 外区是黏附作用的区 域。 选择蛋白家族 免疫球蛋白超级家族 免疫球蛋白超级家族是具有与免疫球蛋白类似结构域的一类跨 膜蛋白，它们的多肽链折叠方式与免疫球蛋白分子的折叠相似。免 疫球蛋白超级家族有的介导同种连接的细胞粘着，有的介导异种连 接的细胞粘着，但其黏着作用不依赖ca2+。 近年来发现属于igsf的成员已达百余种。 - 细胞间黏附分子。 - 连接黏附分子。 - 血管细胞黏附分子。 - 神经细胞黏附分子。 - 黏膜地址素细胞黏附分子。 - 血小板内皮细胞黏附分子。 - 柄蛋白与柄蛋白样分子。 整联蛋白是一类细胞表面受体家族，是介导细胞与细胞外基质黏附 的主要分子，它还介导白细胞与血管内皮细胞的黏附，与其它黏附分子 如免疫球蛋白超级家族分子结合介导细胞与细胞间的黏附。 整联蛋白由和两个跨膜亚基组成，均有胞外区、胞内区和跨膜区 三部分。 整联蛋白家族 黏蛋白是由体内多种上皮细胞分 泌的一类高度糖基化的糖蛋白，主要 存在于胃肠道、呼吸道、泌尿生殖道 及乳腺等多种上皮组织中，除了对正 常的上皮起润滑和保护作用外，它们 参与了细胞间黏附、信息传导、作为 细胞受体等多种功能。 黏蛋白主要以两种形式存在，一 种是分泌型凝胶形成黏蛋白（secreted gel-forming mucins），另一种是上皮 细胞表面的膜黏蛋白（membrane- tethered mucins）或膜相关黏蛋白（ membrane-associated mucins）。前者 是构成凝胶层的主要物质，后者在上 皮细胞表面形成一层选择性分子屏障, 并参与信号转导。 黏蛋白和黏蛋白样家族 细胞间或者细胞与基质间的连接在结构上多种多样，不仅仅传递物 理的力，还可以承担不同的功能。根据连接的方式与功能，细胞连接可 以分成三大类，分别是封闭连接（occluding junctions）、锚定连接（ anchoring junctions）和通讯连接（communicating junctions）。 p 细胞连接 封闭连接的典型代表是 紧密连接（tight junction）， 也叫做不通透连接（ impermeable junction）, 主要 存在于腔道上皮细胞靠近管 腔端的相邻细胞膜间。 紧密连接将两个细胞连 接在一起，并且封闭细胞间 的空隙，阻止或者选择性阻 止可溶性物质在细胞间隙中 扩散。另外它还将上皮细胞 顶侧与基底侧细胞膜上的膜 蛋白相互隔离，以行使各自 不同的膜功能，因此能帮助 维持细胞的极性，并具有隔 离和一定的支持功能。 封闭连接 *9 紧密连接蛋白颗粒形成连接线 通过连接蛋白形成焊接线，封闭 相邻细胞间的空隙。 紧密连接与细胞极性 锚定连接又称斑形成连接（plaque-bearing junction），它分 布广泛，较多存在于上皮组织、心肌和子宫颈等组织中。构成锚 定连接的蛋白分成两类， 一类是附着蛋白（attachment proteins ）, 它们在细胞内将特定的骨架成分（中间纤维或微丝）在连接 处结合在一起；另一类就是钙黏着蛋白和整联蛋白这样的跨膜连 接糖蛋白, 它们在细胞内与附着蛋白相连, 在胞外与相邻细胞的跨 膜连接糖蛋白或与胞外基质相互作用。 锚定连接有两种不同的形式，一种是锚定在中间纤维的连接 , 主要包括桥粒（desmosome）和半桥粒（hemidesmosome）； 另一种是锚定在肌动蛋白纤维的连接, 主要包括粘着带（adhesion belt）与粘着斑（focal adhesion）。 锚定连接 桥粒和半桥粒 桥粒是在细胞间形成钮扣式的连接结构，存在于承受强拉力的组织中 。在桥粒形成处，相邻细胞膜间的间隙约为30 纳米，在靠近膜的胞质中由 桥粒斑蛋白（desmoplakin）等形成一厚约15-20纳米的致密斑，相邻细胞的 致密斑由相互作用的钙黏素蛋白连接。 半桥粒 半桥粒在形态上类似于桥粒的一半，参与连接的跨膜蛋白不 是钙黏着蛋白而是整联蛋白，整联蛋白将一个细胞的致密斑与细胞 外基质相连。 黏着带和黏着斑 黏着带也称为中间连 接或带状桥粒（belt desmosome），它通 常位于上皮细胞紧密连接的下方。黏着带连 接处相邻细 胞膜的间 隙约20-25纳米, 介于紧密连接和桥粒之间。 黏着带是细胞与细胞间的连接，黏着斑与半桥粒一样，由整 联蛋白代替钙黏着蛋白，将细胞内的肌动蛋白丝与胞外基质中的糖 蛋白如纤连蛋白（fibronectin）连接。黏着带和黏着斑均起着细胞 附着与支持的功能， 通讯连接 通讯连接是一种特殊的细胞连接，它在动植物中广泛存在。通 讯连接的主要功能是细胞间的通讯和信号传导，它可以在细胞间形 成电偶联（electrical coupling）或代谢偶联。 通讯连接的方式主要有： 间隙连接或缝隙连接（gap junction）。 在植物中的胞间连丝（plasmodesmata）。 在动物神经系统中的化学突触（chemical synapse）。 间隙连接 间隙连接是由细胞膜上的连接蛋白connexin或者innexin形成六 聚体，这个六聚体也称作连接子（connexon），然后相邻细胞的连 接子对接起来，形成一个连通的亲水性孔道。间隙连接分布广泛， 几乎所有的动物组织中都存在，在连接处相邻细胞膜间有2-4纳米的 间隙，所以这种连接称作间隙连接。 间隙连接分布广泛，几乎所有的动物组织中都存在，在连接处相邻细胞 膜间有2-4纳米的间隙，所以这种连接称作间隙连接。 间隙连接中间的孔道直径约为1.5纳米，允许亲水性小分子或离子通过 ，如无机盐离子、糖、氨基酸、核苷酸和维生素等可以通过间隙连接， 而分子量大于1000道尔顿的蛋白质、核酸、多糖等生物大分子一般不能 通过。 间隙连接这种通讯方式，使相邻细胞可以共享一些具有特殊功能的小分 子代谢物和信号分子，快速促进相邻细胞对外界信号的协同反应，是细 胞间代谢偶联的基础。例如当促细胞分泌的激素分泌素（secretin）作 用于胰腺泡细胞上的受体时，可激发细胞内camp和ca2+浓度增高并促使 释放胰蛋白酶。camp和ca2+都可通过间隙连接从一个细胞快速进入相邻 细胞，因此分泌素作用于部分细胞就可使所有腺泡细胞同时分泌消化酶 。 相邻细胞间通过间隙连接介导细胞间信息、能量和物质的快速交换，参 与细胞间物质交换的代谢偶联和电信号传递的电偶联，对细胞的新陈代 谢、内环境稳定、增殖和分化等生理过程起重要的调控作用。 胞间连丝 胞间连丝是相邻细胞的质膜穿过细胞壁形成一个孔径达到20- 40纳米的管道，它直接将细胞质连通，在大多数胞间连丝管道的中 央，还有一条叫做连丝微管（desmotubule）的管状结构将两个细 胞的内质网连通。 几乎在所有高等植物细胞间都存在胞间连丝，它是植物细胞间唯一 的连接形式，在植物细胞的通讯中起非常重要的作用。 胞间连丝与动物细胞的间隙连接虽然结构不同，但它们功能相似， 都是将相邻细胞的细胞质以亲水性孔道直接连通，以保证细胞间快 速交换一些小分子，包括一些在植物生长发育中重要的信号分子。 胞间连丝可以协调基因表达和许多的细胞生理生化过程, 对细胞的分 裂与分化、形态发生、植物体的生长与发育、以及植物对环境的反 应与适应等诸方面都起着十分重要的作用。 正常情况下，胞间连丝是在植物细胞分裂时形成的，它的数目会随 着细胞生长发育而增加，在需要的时候也可以减少。 胞间连丝介导的细胞间小分子运输也是有选择性的，可调节的。和 间隙连接一样，胞间连丝通常可允许分子量小于1000道尔顿、半径 约0.70.8 纳米的分子自由通过，但在有些组织的细胞之间即使是很 小的分子也不能通过。 一些植物病毒也利用了胞间连丝，病毒rna甚至病毒颗粒都可以通过 胞间连丝在细胞间快速传播。一些病毒编码的蛋白，可以增大胞间 连丝的通透性，但具体的机制还不清楚。 化学突触 神经系统中的化学突触，以及淋巴t细胞与带抗原细胞相互作 用的免疫突触，都是典型的信号传导连接之一。化学突触是可兴奋 细胞之间的一种细胞连接方式，是动物神经细胞之间传递电信号的 主要方式。 传递和接收信号的细胞分别为突触前和突触后细胞，它们之间有 20纳米宽的突触间隙，使电信号不能直接通过。 突触前细胞将电信号转化为化学信号，释放特定的信号分子到突 触间歇，突触后细胞接受到化学信号再将它转化为电信号。这样 电信号可以从突触前细胞传递到突触后细胞。 在化学突触中由于有信号的转换过程，因此表现出动作电位在传 递中的延迟现象。化学突触与电突触一起，它们共同完成可兴奋 细胞之间的通讯。 第四节 细胞外被与细胞外基质 细胞膜上存在着大量的糖蛋白和糖脂，其中共价结合的糖 链都在细胞外。细胞膜外覆盖的这层糖类物质被称作细胞外被 （cell coat）或者糖萼（glycocalyx）。 细胞外被对细胞有保护作用， 如消化道、呼吸道、生殖腺等 上皮细胞的外被可以润滑细胞 、防止机械损伤、保护上皮组 织不受消化酶的作用和细菌的 侵袭；它还参与细胞之间、细 胞与环境的相互作用，在细胞 识别、细胞增殖的接触抑制、 细胞与环境的物质交换等方面 发挥作用。 p 细胞外基质 细胞外基质（extracellular matrix, ecm）是由细胞分泌到胞外间 质中的糖蛋白（glycoproteins）和蛋白多糖（proteoglycans）构成的复 杂网络结构，它支持着细胞黏连形成组织，在细胞间的信号通讯、组 织发挥功能以及损伤细胞的修复方面发挥着作用。 *24 糖胺聚糖和蛋白聚糖 糖胺聚糖（glycosaminoglycans）又称作黏多糖，是由氨基己糖 （氨基葡萄糖或氨基半乳糖）与糖醛酸这两类二糖重复构成的 长链多糖，它在细胞外基质中大多作为蛋白聚糖的一个成分而 存在。蛋白聚糖是蛋白与多糖形成的复合物，通常是由糖胺聚 糖与核心蛋白（coreprotein）上的丝氨酸残基共价连接形成的 大分子，其含糖量可达90-95。糖胺聚糖和蛋白聚糖是细胞 外基质的重要成分之一，可与细胞外基质中的其它成分彼此交 联，形成孔径不同或电荷密度不同的凝胶，使细胞外基质连成 一体，而且可以作为控制分子及细胞通过的筛网。 结构蛋白 如胶原和弹性蛋白，它们赋予基质一定的强度和韧性。 黏着蛋白(adhesive proteins) 如纤连蛋白和层粘蛋白，它们促使细胞同基质结合。 构成细胞外基质的大分子 蛋白聚糖（proteoglycan） 蛋白聚糖主要存在于脊椎动物结缔组织和细胞表面中，其 显著特点是多态性, 可含有不同的核心蛋白以及长度和成分不同 的多糖链。一个核心蛋白上可连接数百个不同的糖胺聚糖，形 成蛋白聚糖单体，若干个单体可再借助连接蛋白（1inker protein ）与透明质酸结合形成多聚体。 胶原 胶原是胞外基质中最主要的不溶性纤维蛋白，也是动 物体内含量最丰富的蛋白，占人体蛋白质总量的30以上 。已发现的胶原类型多达20种，每种胶原分布于特定的部 位。 胶原分子长300 纳米，直径约1.5 纳米，由三条多肽链盘绕成三股 螺旋结构，每条多肽链的一级结构具有甘氨酸脯氨酸羟脯氨 酸或羟赖氨酸的重复序列，所以胶原分子中甘氨酸含量占1/3， 脯氨酸及羟脯氨酸约占1/4。 胶原分子采用交替平行的排列方式，它们平行成束排列成纤丝， 纤丝平行成束排列就形成胶原纤维。 纤维中胶原分子在纵向头尾连接，一个胶原分子的头部与下一个 胶原分子的尾部有一个小的间隙分隔，这种排列在胶原纤维上形 成长度为67纳米的周期性横纹。 在胶原纤维内部,有分子内和分子间的交联,分子内交联是指胶原 分子三条链之间的赖氨酸残基间的交联,分子间的交联是指不同胶 原分子间的赖氨酸交联。 胶原的作用 胶原是骨、腱和皮肤组织中的主要蛋白，在这些组织的细胞外基质中 ,胶原起着细胞外基质骨架作用; 胶原具有促进细胞生长的作用; 在细胞分化中，胶原基质和提纯的胶原底物具有维持并诱导细胞分化 的作用。 胶原构成了细胞外基质的骨架结构，具有很高的抗张力强度，它们 在不同组织中装配成不同的纤维形式，以适应特定功能的需要，例如在骨 和角膜中胶原纤维分层排布，形成三合板样的结构，使组织牢固、不易变 形。如果胶原不能正常装配为有序的纤维，会导致皮肤和各种其它的结缔 组织降低强度变得非常的松弛，目前已发现多种由于胶原纤维的缺陷而引 起的疾病。 胶原酶遗传缺陷 具有胶原酶遗传缺陷的病人，胶原纤维不能正确地装配，皮肤和 各种其它的结绨组织就会降低它们的强度变得非常的松弛。 皮肤过渡松弛症 弹性蛋白 弹性蛋白是弹性纤维(elastic fibers)的主要成分，主要存 在于韧带和脉管壁。它能够赋予细胞外基质弹性。 弹性蛋白也是富含甘氨酸和脯氨酸的蛋白质。与同胶原不同 的是，弹性蛋白的脯氨酸没有羟基化，所以没有羟脯氨酸的存在 。 黏着蛋白 胞外基质中还存在着多种非胶原糖蛋白，其中有黏着蛋白如 层黏联蛋白（laminin）和纤黏连蛋白（fibronectin）， 它们都是高分子糖蛋白，主要作用是促使细胞与基质结合 。 层黏连蛋白是各种动物胚胎及成体组织基膜（basal lamina）的主要成分之一。 层黏连蛋白是由一条重链和两条轻链通过二硫键相 连形成的十字形分子，由一条长臂和三条相似的短 臂构成，这四个臂均有棒状节段和球状的末端域， 其中有一个结构域同型胶原结合，还有同细胞表 面受体结合的结构域。正是这些独立的结合位点使 层黏连蛋白作为一个桥梁分子，介导细胞同基膜结 合。 层黏连蛋白在细胞发育过程中刺激细胞黏着、细胞 生长、迁移和分化，它还能够刺激胚胎中神经轴的 生长,并促进成年动物的神经损伤后重生长和再生。 层黏连蛋白也与肿瘤细胞的转移有关。 层黏连蛋白 纤黏连蛋白 纤黏连蛋白，又称纤维连接蛋白、黏连蛋白、纤黏蛋白，它广泛存在 于动物组织和组织液中，分子量约为45万道尔顿，具有多种生物活性。纤 黏连蛋白以可溶形式存在于血浆及各种体液中，以不溶形式存在于细胞外 基质及细胞表面。 各种纤黏连蛋白均由相似的亚单位组成， 血浆纤粘连蛋白是由二条相似的肽链在c 端通过二硫键形成v字形的二聚体。 细胞纤粘连蛋白为多聚体，细胞表面及细 胞外基质中的纤黏连蛋白分子间通过二硫 键相互交联，组装成纤维。 与胶原不同，纤黏连蛋白不能自发组装成 纤维，而是通过细胞表面受体指导下进行 的，只存在于某些细胞如成纤维细胞表面 。 纤黏连蛋白 p 植物细胞壁 细胞壁（cell wall）是细胞膜外的厚壁，植物、真菌、藻类和 原核生物都具有细胞壁，而动物细胞不具有细胞壁。植物细胞壁是植 物细胞区别于动物细胞的主要特征之一，它为细胞提供一个细胞外网 架，增加了细胞的机械强度，保护了细胞原生质体并承受着内部原生 质体由于液泡吸水而产生的膨压，它不仅维持细胞、器官与植株的固 有形态，还控制着细胞的生长，因为细胞要扩大和伸长的前提是要使 细胞壁松弛和不可逆伸展。 构成细胞壁的成分中90%左右是多糖，10%左右是蛋白质、酶类 以及脂肪酸。 34 细菌的细胞壁和细胞膜 植物细胞壁 构成细胞壁的成分中90%左右是多糖，10%左右是蛋白质、酶类以及 脂肪酸。细胞壁中的多糖主要是纤维素、半纤维素和果胶类。 植物细胞壁允许离子、多糖等小分子和低分子量的蛋白质通过，而将大分子或微 生物等阻于其外，故细胞壁对细胞间物质的运输具有调节作用。除了参与物质运输， 植物细胞壁也参与了降低蒸腾作用、防止水分损失、植物水势调节等一系列生理活动 。植物细胞壁中某些寡糖可作为信号物质，当外界病原体入侵时，细胞壁中的多糖水 解产生寡糖，可诱导植物抗毒素合成酶基因表达，产生植物抗毒素（phytoalexins）杀 死病原体。细胞壁中的一些蛋白成分也常常与防病抗逆有关，另外植物细胞壁还参与 了植物与根瘤菌共生固氮的相互识别作用。 本章小节 生物膜是由脂质形成连续的、封闭的双分子层结构，脂质分子 的双亲性使得脂双层能在水溶液中自发形成，也决定了膜两侧 是亲水性的，而在膜内是疏水性的。膜蛋白可以直接跨越脂双 层，或者通过其它膜蛋白