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第四章 细胞膜与细胞表面细胞生物学课程结构一三章 概论四十章 细胞静态结构十一十三章 细胞动态调节第四章 细胞膜和细胞表面（p73）Plasma Membrane & its Surface Structures本章内容提要第一节 细胞膜与细胞表面特化结构；第二节 细胞连接；第三节 细胞外被与细胞外基质。第一节 细胞膜与细胞表面特化结构定义：（P72上） 细胞膜cell membrane（质膜，细胞质膜plasma membrane）围绕在细胞最外层，由 脂质 和 蛋白质 组成的生物膜。 生物膜=质膜内膜系统第一节 主要内容一、细胞膜的研究历史和结构模型（model）二、细胞膜的化学组成（膜脂、膜蛋白）三、细胞膜的性质（膜的流动性、不对称性）四、细胞膜的功能五、膜骨架与细胞表面特化结构一、 细胞膜的研究历史和结构模型1、E. Overton （1895） 发现凡是溶于脂肪的物质很容易透过植物的细胞膜，而不溶于脂肪的物质不易透过细胞膜，因此推测细胞膜由连续的脂类物质组成。2、E. Gorter 和 F. Grendel（1925） 用有机溶剂提取了人的红细胞质膜的脂类成分，并将其铺展在水面，发现膜脂展开的面积是红细胞表面积的2倍，因而推测细胞膜由双层脂分子组成。评价：是对膜结构的初步认识，是人类第一次从分子水平研究细胞膜的结构。3、三明治式质膜结构模型J. Danielli 和 H. Davson（1935） 发现质膜的表面张力比油水界面的张力低得多，推测膜中含有蛋白质。1959年在上述基础上提出了“蛋白质脂质蛋白质”的三明治式的质膜结构模型，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。评价：是对膜结构的粗浅认识，但是该模型长期占理论统制地位达20年之久。4、单位膜模型（unit membrane model）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，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，总厚约7.5nm。该模型主要强调：连续的脂双分子层组成膜的主体，磷脂的非极性端朝向膜内侧，极性端朝向膜外两侧，蛋白质以单层肽链的厚度，以折叠形式通过静电作用与磷脂极性端相结合，从而形成蛋白质磷脂蛋白质的三层结构，称之为单位膜。他还提出真核细胞与原核细胞具有相同的膜结构。评价： 单位膜模型的主要不足在于：把膜结构描述成静止的、不变的，这显然与膜功能的多样性相矛盾； 不同膜的厚度的有差异的，变化范围为510 nm，并不都是7.5nm； 认为蛋白质分子在脂分子表面呈伸展构型，也与蛋白质发挥其功能时的构象要求不相符。5、流动镶嵌模型（fluid mosaic model）S. J. Singer & G. Nicolson 1972 根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果，提出了“流动镶嵌模型”。细胞膜由流动的双脂层和嵌在其中的蛋白质组成； 磷脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相，组成生物膜骨架； 蛋白质或嵌在双脂层表面，或嵌在其内部，或横跨整个双脂层，表现出分布的不对称性。流动镶嵌模型要点：强调了膜结构的流动性。强调了膜结构的不对称性和不均匀性。膜的功能是由蛋白与蛋白、蛋白与脂质、脂质与脂质之间复杂的相互作用实现的。 评价：接近于现代对细胞膜结构的认识；忽视了蛋白质分子对脂质分子流动性的控制作用,以及其他因素对脂质分子运动的影响。 6、晶格镶嵌模型Wallach（1975）年提出。 生物膜含有的”流动性脂质“进行可逆地无序(流动性)到有序(晶态)的相变。 在大多数动物细胞的膜系统中,这种“流动性脂质“呈小片的点状分布,面积小于100 nm2左右。评价：晶格镶嵌模型在一定条件下,可能代表某些膜的真实结构,但是并不能作为一般膜的通用模型。 7、板块镶嵌模型1977年,Jain和White提出了板块镶嵌模型。 在流动的类脂双分子层中存在许多大小不同,刚度较大的彼此独立移动的类脂板块(有序结构板块)。膜平面实际上是由同时存在的不同组织结构和不同性质的许多板块组成的,它的变化主要由板块内组分的构象和相互作用的特异性所决定。 膜功能的多样性,可能与板块的性质和变化有关,这就可以解释所谓细胞内“区域化”的问题。细胞中“区域化“的特点,使细胞内各种错综复杂的生化反应能够彼此不受干扰,有条不紊地进行。8、脂筏模型（lipid rafts model）脂筏是富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域 （microdomain）“脂筏”；大小 约70nm左右，是一种动态结构，位于质膜的外小页；介于无序液体与液晶之间，称为有序液体（Liquidordered）；脂筏就像一个蛋白质停泊的平台，与膜的信号转导、蛋白质分选均有密切的关系。评价：可解释生物膜的某些性质和功能，但需要更多证据。总结（一）关于几种模型1、晶格镶嵌模型、板块镶嵌模型和脂筏模型同流动镶嵌模型相比并没有本质差别, 是对膜的流动性的分子基础作了解释,因而是对后者的补充、充实和完善。目前所流行的关于膜结构的基本观点仍然是流动镶嵌模型。2、由于膜的结构复杂和功能多样,还存在不少问题有待解决,目前尚没有一个模型可以作为所有生物膜的通用模型。 总结（二）关于生物膜结构的认识 p753、具有极性头部和非极性尾部的磷脂分子在水相中具有自发形成封闭膜系统的性质，以疏水性非极性尾部相对、极性头部朝向水相的磷脂双分子层是组成生物膜的基本结构成分，尚未发现在生物膜结构中起组织作用的蛋白质。4、蛋白质分子以不同的方式镶嵌在脂双分子中或者结合在其表面，蛋白质的类型、蛋白质的不对称性及其与脂分子的协同作用赋予生物膜各自的特性与功能。5、生物膜可以看作是蛋白质在双层脂分子中的二维溶液。膜蛋白与膜脂之间、膜蛋白与膜蛋白之间及其与膜两侧其他生物大分子的复杂相互作用，在不同程度上限制了膜蛋白和膜脂的流动性。二、细胞膜的化学组成 p76综述：质膜主要由膜脂和膜蛋白组成，另外还有少量的糖，主要以糖脂和糖蛋白的形式存在。 膜脂是膜的基本骨架，膜蛋白是膜功能的主要体现者。动物细胞膜通常含有等量的脂类和蛋白质。（一）膜脂（membrane lipid）分类：膜脂是生物膜的基本成分，主要包括磷脂、糖脂和胆固醇三种类型。1、磷脂：是构成膜脂的基本成分，约占整个膜脂的50以上。 分类：甘油磷脂 鞘磷脂 甘油磷脂甘油磷脂主要类型有： 磷脂酰胆碱(PC)，旧称卵磷脂磷脂酰丝氨酸(PS)磷脂酰乙醇胺(PE), 旧称脑磷脂磷脂酰肌醇(PI)双磷脂酰甘油( DPG) , 旧称心磷脂鞘磷脂（sphingomyelin，SM）鞘磷脂在神经系统中含量特别丰富。以鞘胺醇为骨架，与一条脂肪酸链组成疏水尾部，亲水头部也与含胆碱的磷酸基团结合。原核细胞、植物中没有鞘磷脂。磷脂的分子结构特征1） “一头二尾”： 心磷脂具有4个非极性尾部。2）“偶数碳链”：脂肪酸链碳原子数量多数为16，18或20。3） “不饱和”：常含有不饱和脂肪酸（如油酸）。 30o2、糖脂（glycolipid）是含糖而不含磷酸的脂类，含量约占脂总量的5以下，在神经细胞膜上糖脂含量较高；糖脂是鞘胺醇的衍生物，也是两性分子，是由一个或多个糖残基与鞘氨醇的羟基结合；最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂，在髓鞘的多层膜中含量丰富；变化最多、最复杂的糖脂是神经节苷脂，其头部包含一个或几个唾液酸和糖的残基。神经节苷脂是神经元质膜中具有特征性的成分。3、胆固醇（cholesterol）是动物组织中含量最丰富的固醇类化合物，在脑、神经组织及肾上腺中含量丰富，其次是在肝、肾、脾、皮肤和脂肪组织中。胆固醇分布：主要存在真核细胞膜上，含量一般不超过膜脂的1/3，植物细胞膜中含量较少，功能：提高双脂层的力学稳定性，调节双脂层流动性，降低水溶性物质的通透性。在缺少胆固醇培养基中，不能合成胆固醇的突变细胞株很快发生自溶。膜脂的运动方式（P7677）1、沿膜平面的侧向运动；2、脂分子围绕轴心的自旋运动；3、脂分子尾部的摆动；4、双层脂分子之间的翻转运动。脂质体（liposome）p77本质：是一种人工膜。在水中，搅动磷脂形成的双层脂分子球形体，直径251000nm不等。liposome人工脂质体的用途： 1. 转基因 2. 制备的药物 3. 研究生物膜的特性（二）膜蛋白 P78 种类繁多,是膜功能的主要体现者。据估计核基因组编码的蛋白质中约30%为膜蛋白。1、分类：根据膜蛋白与脂分子的结合方式，分为两类： 膜周边蛋白（peripheral protein） 或称 外在膜蛋白（extrinsic protein） 膜内在蛋白（ integral protein ） 或称 整合膜蛋白膜周边蛋白是水溶性蛋白，暴露在脂双层的外侧或内侧；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；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。膜整合蛋白 p78整合蛋白多数为跨膜蛋白（tansmembrane proteins），是两性分子。与膜的结合非常紧密，只有用去垢剂才能从膜上洗涤下来，如离子型去垢剂SDS，非离子型去垢剂TritonX-100。2、膜内在蛋白与膜脂的结合方式 p781）跨膜结构域与脂双层分子的疏水核心相互作用（如图44 A）；2）跨膜结构域两端携带正电荷的氨基酸残基（如精氨酸、赖氨酸）与磷脂分子带负电荷的极性头形成离子键，或者带负电荷的氨基酸残基通过Ca2Mg2+等阳离子与带负电荷的磷脂极性头部相互作用（如图45）；3）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的结合力，还有少数蛋白与糖脂结合（图45）。三、细胞膜的性质 （一）细胞膜的流动性（P81）1、 膜脂的流动 脂分子的侧向运动，是生长细胞完成多种生理功能所必需的影响膜脂流动性的因素 胆固醇含量：胆固醇的含量增加会降低膜的流动性脂肪酸链的饱和度：脂肪酸链所含双键越多越不饱和，使膜流动性增加。脂肪酸链的链长：长链脂肪酸相变温度高，膜流动性降低。卵磷脂/鞘磷脂：该比例高则膜流动性增加，是因为鞘磷脂粘度高于卵磷脂。 其他因素：温度、酸碱度、离子强度等。2、 膜蛋白的流动性 （P82）膜蛋白在脂双层二维溶液中的运动是自发的热运动（主要为侧向流动），不需要代谢产物的参加和能量的提供。膜蛋白的流动性是相对的。表现为某些膜蛋白在细胞膜表面的分布有一定的区域性，甚至有的蛋白是不流动的，原因是某些蛋白与细胞膜下的细胞骨架相结合，流动受到限制。研究膜蛋白流动的实验技术1荧光抗体免疫标记细胞融合研究膜流动性的实验技术2光脱色恢复技术 FRAP 膜蛋白或者膜脂被荧光素标记，再用激光照射某一区域，被照射区的荧光因为淬灭而变弱。由于膜的流动性，粹灭区域亮度会逐渐增加，最后与周围两度等同。荧光恢复的速度间接反映出膜蛋白或者膜脂扩散的速度。3、 质膜流动性的意义 1） 膜的流动性有利于酶的侧向扩散和旋转运动； 2）膜的流动性保证了物质的运输； 3）膜流动性与信号转导； 4）膜的流动性和能量转换； 5）膜的流动性与细胞的发育和衰老。（二）细胞膜的不对称性质膜内外两层的组分和功能的差异，1、 细胞膜各部分的名称ESEFPFPS小鼠肝细胞膜冰冻蚀刻2、膜的不对称性 p831）膜脂的不对称性：同一种脂分子在脂双层中呈不均匀分布，如：在红细胞膜中，PC和SM主要分布在外小叶，PE和PS分布在内小叶。2）复合糖的不对称性：糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外表面。 3）膜蛋白的不对称性：每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有特定的方向性和分布的区域性。如各种激素的受体具有极性，细胞色素C位于线粒体内膜内侧。四、细胞膜的功能 p841. 为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境；2. 选择性的物质运输，包括代谢底物的输入与代谢产物的排出；3. 提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息的跨膜传递；4. 为多种酶提供结合位点，使酶促反应高效而有序地进行；5. 介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接；6. 参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。五 、膜骨架与细胞表面的特化结构 P85（一）膜骨架（membrane associated cytoskeleton）定义：膜骨架是质膜下与膜蛋白相连的纤维蛋白组成的网架结构。作用：维持质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。研究材料：成熟的哺乳动物血红细胞没有核和内膜系统，是研究膜骨架的理想材料。红细胞经低渗处理，细胞破裂释放出内容物，留下一个保持原形的空壳，称为血影（ghost）。（二）红细胞质膜蛋白及膜骨架红细胞膜骨架：在红细胞膜的内侧，由膜蛋白和纤维蛋白组成的网架人红细胞膜蛋白SDSPAGE电泳分布1、红细胞膜内存在的蛋白质约15种蛋白，其中主要的有3种：血影蛋白、血型糖蛋白、带3蛋白，占到60以上血影蛋白（spectrin）：又叫收缩蛋白，是膜骨架主要成分，、亚基构成，非膜蛋白；血型糖蛋白A（glycophorin A）：红细胞膜蛋白，富含唾液酸，类似的还有血型糖蛋白B、C、D，单次跨膜蛋白；带3蛋白（band 3 protein）：膜蛋白，具有阴离子转运功能，“阴离子通道”；多次跨膜（1214次）肌动蛋白（actin）：又称带5蛋白，是膜骨架的主要成分，肌动蛋白纤维上有多个与血影蛋白结合的位点。锚定蛋白（ankyrin）：又称带2.1蛋白，一方面连接血影蛋白，一方面连接带3蛋白；带4.1蛋白（band 4.1 protein）：膜骨架成分，促使血影蛋白和肌动蛋白结合；2、红细胞膜骨架的组成：血影蛋白在带4.1蛋白的协助下与肌动蛋白结合成膜骨架基本网络；带4.1蛋白和血型糖蛋白相互作用；锚定蛋白与血影蛋白、带3蛋白相互作用。（三）细胞表面特化结构包括鞭毛、纤毛、微绒毛、细胞的变形足等；与细胞运动、细胞的物质交换有关。第二节 细胞连接 cell junction本节内容一、封闭连接；二、锚定连接；三、通讯连接；四、细胞表面的粘着因子；细胞连接（cell junction）p87 定义：细胞连接是细胞与细胞间或细胞与细胞外基质间的联结结构。分类：分为三大类，即： 封闭连接（occluding junction） 锚定连接（anchoring junction） 通讯连接（communicating junction）一、封闭连接（occluding junction）紧密连接（tight junction）是封闭连接中的典型代表，也叫zonula occluden分布：一般存在于脊椎动物上皮细胞之间。紧密连接 （图410）形态：网络状蛋白质焊接线，也称嵴线，成分：成串的跨膜蛋白构成。特点：相邻细胞之间的质膜紧密结合，基本没有缝隙。tight conjunction嵴线：相互交联，封闭细胞之间的空隙，甚至可以阻止水等小分子的通过。紧密连接作用：将相邻细胞的质膜密切连接在一起，阻止溶液中的分子沿细胞间隙进入体内；同时具有隔离和支持的功能Tight Junction in Epithelia of RabbitTight conjuction图2二、锚定连接（anchoring junction）分布：在机体中广泛分布， 在上皮组织、心肌和子宫颈等组织中含量尤为丰富。 以细胞质骨架为锚定基础。作用：将相邻细胞的骨架系统或者将细胞与 基质相连，形成坚挺有序的细胞群体。分类： 与中间纤维相连桥粒和半桥粒 与肌动蛋白纤维相连粘着带和粘着斑（一）桥粒和半桥粒（desmosome & hemidesmosome）1、桥粒（desmosome）桥粒是中间纤维连接相邻细胞的方式。细胞间形成的纽扣状结构，将相邻细胞膜铆接在一起（间隙约30nm）。分布：承受强拉力的组织中，主要是上皮组织， 如皮肤、口腔、食管、 心肌中。桥粒模式图desmosome2 中间纤维直接与质膜下的盘状致密斑 连接；相邻两细胞之间的盘状致密斑由跨膜连接糖蛋白相互连接。2、半桥粒（ hemidesmosome ） 是中间纤维连接细胞外基质的方式。半桥粒外形如同半个桥粒。它将上皮细胞固着在基底膜上。半桥粒的功能和组成：它是通过整联蛋白将上皮细胞固着在基底膜上。（二）粘着带与粘着斑1、粘着带（adhesion belt） ：是肌动蛋白纤维连接细胞的方式。呈连续带状环绕细胞，位于某些细胞紧密连接的下方。细胞间隙为1520nm，介于紧密连接和桥粒之间，也称为中间连接或者带状桥粒（belt desmosome）。粘着带（图）粘着带与粘着带相连的微丝在细胞中形成平行于细胞膜的可收缩的纤维束。2、粘着斑是肌动蛋白纤维与细胞外基质之间的连接方式。参与粘着斑连接的是整联蛋白（是一种细胞外基质受体蛋白）。粘着斑锚定连接（小结）三、通讯连接 （ communicating junction）分布：位于具有细胞间通讯作用的细胞。双重功能：机械连接 电偶联或代谢偶联。分类：包括 间隙连接（动物） 化学突触（可兴奋细胞） 胞间连丝（植物） （一）间隙连接1、结构与成分分布：非常广泛，几乎存在于所有动物组织，连接处有23nm的缝隙。间隙连接（图）连接结构的基本单位称为连接子（connexon），由6个相同或相似的跨膜蛋白亚单位（connexin）环绕而成，中间形成直径1.5nm的孔道。注射染料证明间隙连接可允许MW小于1000的分子通过，但通透性受调节。2、功能和调节机制 允许小分子（无机盐离子、糖、氨基酸、核苷酸、维生素）通过（MW1000），而蛋白质、核酸和多糖等大分子不能通过。 1）间隙连接在代谢偶联中的作用 合用和互喂营养物质； 允许小分子代谢物和信号分子（如cAMP和Ca2）通过，是细胞间代谢偶联的基础。因此部分细胞接受信号分子的作用后，就可以使整个组织产生反应。 2）间隙连接在神经冲动传递过程中的作用突触电突触（electronic junction） 构成细胞之间的低电阻通路，神经电冲动可以通过间隙连接从突触前向突触后传导，动作电位可以迅速从一个细胞传到另一个细胞，实现细胞间的快速通讯。3）间隙连接在早期胚胎发育和细胞分化过程中的作用a. 间隙连接出现在脊索动物和大多数无脊椎动物胚胎发育的早期；b. 连接子蛋白抗体 可以使胚胎发育出现 缺陷；c. 可能为细胞在胚胎中的“位置信息”的传递提供通路，从而影响其分化。d. 肿瘤细胞之间的间隙连接明显减少或者消失。4）间隙连接通透性的调节间隙连接是可以随细胞内的变化而进行开关的动态结构，影响其通透性的因素包括：胞质中的pH 胞质中的自由Ca2两侧电压梯度细胞外化学信号（二）胞间连丝（plasmodesmata）胞间连丝（图）2、胞间连丝的功能1）功能上与动物细胞的间隙连接类似。允许MW1000、半径0.70.8nm的分子通过;2） 通透性可调节。某些植物病毒能制造特殊的蛋白质，使胞间连丝的有效孔径扩大。3）某些细胞蛋白和核酸能够通过胞间连丝进入另外一个细胞。（三）化学突触化学突触是可兴奋细胞之间的细胞连接方式，它通过释放神经递质来传递神经冲动。电信号 化学信号 电信号化学突触（图）小结各种细胞连接1各种细胞连接2各类细胞连接的比较四、细胞表面的粘着因子（Cell Adhesion Molecule，CAM）功能：同种类型的细胞彼此粘连在一起。这种粘连是由细胞粘着因子介导的。细胞之间的锚定连接也需要这些因子的参与（如钙粘素蛋白、整联蛋白） 。本质：都是整合膜蛋白，在胞内与细胞骨架相连；分类：钙粘素、选择素、免疫球蛋白超家族的CAM、整联蛋白。几个概念细胞粘附分子的作用机制有三种模式：1.同亲性粘附；2.异亲性粘附；3. 通过胞外连接分子（linker）相互识别与结合。1、钙粘素（cadherin）同亲性依赖于Ca2的细胞粘连糖蛋白。胞外部分形成5个结构域，均含Ca2结合部位。分类：分布广泛，家族成员众多，如：E 钙粘着蛋白（表皮）N 钙粘着蛋白（神经）P 钙粘着蛋白（胎盘）等。作用： 介导细胞连接：如E-钙粘素。 参与细胞分化：决定胚胎细胞间的粘附，影响细胞分化。 2、选择素（selectin）定义：异亲性依赖于Ca2的CAM，能识别并结合另一细胞表面伸出的特异性糖基团；结构：细胞外片段末端具有凝集素结构域；作用：参与白细胞在炎症（或血块）部位与血管壁细胞之间的识别与粘合；分类：已知选择素有三种： P（platelet）选择素：在血小板、内皮细胞中表达； E（endothelial）选择素：内皮细胞表达； L（leukocyte）选择素：各种白细胞中表达。3、免疫球蛋白超家族的CAM（Igsuperfamily）Ig-SF包括分子结构中含有免疫球蛋白（Ig）样结构域的所有分子一般不依赖于Ca2，包括亲同性或亲异性CAM作用：介导淋巴细胞和需要进行免疫反应的细胞之间的粘着。4、整联蛋白（integrin）多为异亲性细胞粘附分子。作用依赖于Ca2。一般由是 、亚单位形成异二聚体。目前发现有16种亚单位和8种亚单位，相互配合形成22种不同的二聚体整联蛋白；含1的整合素主要介导细胞与ECM之间的粘附。 含2的整合素主要介导细胞间的相互作用。 含3亚单位的整合素介导血小板聚集，参与血栓形成。64整合素以层粘连蛋白为配体，参与形成半桥粒。第三节 细胞外被与细胞外基质（cell coat & extracellular matrix）一、细胞外被（cell coat）1、定义：质膜、膜蛋白一般不是裸露在外的，而是被一层粘多糖物质包裹着。这层物质就是细胞外被（cell coat） 。2、成分：糖蛋白和蛋白聚糖，因此又称糖萼（glycocalyx）3、形成：在细胞内合成，然后分泌出来并附着到细胞质膜上的。4、细胞外被的功能： 保护功能，防止机械和化学的损伤；参与细胞增殖的接触抑制；参与细胞识别等。二、细胞外基质（extracellular matrix，ECM） p97 定义： 指分布于细胞外空间，由细胞分泌的蛋白质和多糖所构成的网络结构。细胞外基质主要成分和结构功能：1、细胞外基质将细胞粘连在一起构成组织；2、提供细胞外网架，在组织中或组织之间起支持作用；3、三维结构及成分的变化，通过改变细胞微环境从而对细胞形态、生长、分裂、分化和凋亡起到调控作用。细胞外基质的分类分类：胶原 糖胺聚糖和蛋白聚糖 层粘连蛋白和纤连蛋白 弹性蛋白 植物细胞壁（一）胶原（collagen）胶原构成细胞外基质的骨架，也是动物体内含量最丰富的蛋白，约占人体蛋白质总量的30以上。成分：水不溶性纤维蛋白，在胞外基质中形成半晶体的纤维;分布：在各种动物中都存在，肌腱、软骨和骨中的胶原非常丰富，含量接近1/2。1、胶原的分子结构胶原的基本结构单位原胶原（tropocollagen）。 原胶原是三条肽链形成的三股螺旋； 一级结构具有GlyProy重复序列 yHypro 或 Hylys 原胶原（tropocollagen） 每条链盘绕成呈链卷曲的左手螺旋； 三股链再绕成右手超螺旋。胶原的结构原胶原分子间共价交联，呈1/4交替平行排列，形成胶原纤维，在电镜下可见间隔67nm的周期性横纹。胶原纤维的TEM图像2.胶原的分类：胶原类型多达20种,分为六种（IVI），具有不同的化学结构和免疫性能，是不同基因的表达产物；了解较为详细的有IIV型 I型 常形成较粗的纤维束，分布广泛，如皮肤、肌腱、韧带和骨骼中，有很强的抗张强度；II型 主要存在于软骨中；III型 形成细微的原纤维网，广泛分布于伸展性的组织，如疏松结缔组织；IV型 形成二维网络样结构，构成基膜。3、胶原的合成、装配由成纤维细胞、软骨细胞、成骨细胞、上皮细胞分泌；合成：胶原肽链的翻译在糙面内质网（rER）核糖体上进行。装配：前体进入内质网，先后在内质网和高尔基体中进行修饰和加工，最终分泌到细胞外基质中；膜结合核糖体合成含有信号肽的原链（前原胶原）；前原胶原进入内质网，切去信号肽，三股前体肽装配成前胶原（procollagen）；前胶原进入高尔基体，经过修饰加工，被包进分泌小泡，与质膜融合，分泌到细胞外；在细胞外，前胶原被切去N、C端的前肽（propeptide），成为原胶原，然后进一步聚合成为胶原原纤维（collagen fibrill）。胶原原纤维最后装配成胶原纤维（collagen fiber）。原链（前原胶原）前胶原原胶原胶原原纤维胶原纤维4、胶原的功能（P101）参与形成结缔组织，如骨、韧带、基膜、皮肤；含量高，刚性和抗张强度最大，构成细胞外基质的骨架结构，并与其他组分结合形成结构与功能的复合体；在不同的组织中，胶原装配成不同的纤维形式，以适应功能的需要（肌腱、角膜）；参与细胞外基质信号传递。皮肤过度松弛症（二）糖胺聚糖和蛋白聚糖1、糖胺聚糖（glycosaminoglycan，GAG） GAG是重复二糖单位构成的长链多糖。 二糖单位：氨基已糖（氨基葡萄糖或氨基半乳糖）和糖醛酸。 常见的GAG：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。糖胺聚糖的功能：在细胞外创立水合、胶状的材料，形成细胞外基质的基质。透明质酸（hyaluronic acid，HA）一种重要的糖胺聚糖，是增殖细胞和迁移细胞的胞外基质的主要成分，可结合大量水分子，赋予组织一定的抗压性。HA使细胞保持彼此分离，并易于迁移和增殖，且阻止细胞分化。2、蛋白聚糖（proteoglycan） 组成：由糖胺聚糖和核心蛋白（core protein）共价连接形成的巨分子，是糖和蛋白质的复合物。 分布：细胞表面、所有结缔组织和细胞外基质。蛋白聚糖的功能：形成多孔、吸水的胶状物，保护细胞，抗挤压。（三）层粘连蛋白和纤连蛋白1、层粘连蛋白（laminin，LN) 是各种动物胚胎和成体组织基膜的主要构成组分。是一种高分子糖蛋白。是胚胎发育中最早出现的细胞外基质成分。 分子结构：由三条肽链（ 、）借二硫键交联成的十字形分子。 已知有8种亚单位（1-3、1-3、1-2）构成7种LN分子 。这8种亚单位由不同基因编码。 Laminin Structure层粘连蛋白的功能LN的主要功能：组装基膜，在细胞表面形成网络结构并将细胞固定在基膜上。在胚胎发育及组织分化中具有重要作用。2、纤连蛋白（fibronectin，FN）结构：高分子量糖蛋白，由2个亚单位组成，在C端形成两个二硫键交联。分类：血浆FN：V字形二聚体，可溶，存在于血浆、体液。 细胞FN：多聚体，不溶，存在于ECM及细胞表面。已鉴定的FN亚单位20种以上，是由同一基因编码，转录后不同方式拼接而形成的多种异型分子。结构： 每条FN有57个有特定功能的结构域，具有与细胞表面受体、胶原、血纤蛋白、硫酸蛋白多糖的高亲合性的结合部位。纤连蛋白二聚体纤连蛋白的功能1、介导细胞的粘着 增强细胞间的粘连及细胞与基质的粘连；参与胚胎发育；参与创伤修复；2、促进细胞的迁移3、和癌细胞的转移有关。（四）弹性蛋白（elastin）是弹性纤维（elastic fiber）的主要成分。主要存在于脉管壁和肺，少量存在于皮肤、肌腱和疏松结缔组织中。 弹性纤维弹性 胶原纤维抗张性是高度疏水的非糖基化蛋白，富含甘氨酸和脯氨酸 1、构象呈无规则卷曲状态 2、通过Lys残基相互交联成网状结构（五）植物细胞壁由纤维素、半纤维素、果胶质等几种大分子组成；为细胞提供胞外支架，对细胞起到支持作用；某些寡糖成分可作为信号物质。第五章 物质的跨膜运输与信号传递本章结构第一节：物质的跨膜运输第二节：细胞通讯与信号传递第一节 物质的跨膜运输MEMBRANE TRANSPORT前 言为什么要进行运输？（P108）1、摄取营养物质；2、排出代谢废物；3、调节细胞内离子浓度；4、维持细胞内环境的稳定。运输的方式： 1、被动运输； 2、主动运输； 3、胞吞和胞吐作用。一、被动运输(passive transport)定义：是指通过简单扩散或者协助扩散实现物质由高浓度向低浓度方向的跨膜转运。特点：转运的动力来自于物质的浓度梯度，无需细胞提供能量。分类：简单扩散 协助扩散（一）简单扩散（simple diffusion）1、定义：小分子的热运动使分子以扩散的方式，从膜的一侧沿浓度梯度降低的方向进入另外一侧，也叫自由扩散（free diffusion）。2、特点： 沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散； 无需能量； 无需膜蛋白的协助。3、过程：物质先溶解在膜脂中，再从一侧扩散到另外一侧，最后进入水相。4、物质通透性决定于分子的脂溶性、极性、分子大小和带电性：脂溶性越高，通透性越大；水溶性越高，通透性越小； 非极性分子比极性更易透过。 H2O、O2等可以透过，但速度较慢； 小分子比大分子更易透过； 对带电荷的物质是高度不通透。图 51 不同的小分子自由扩散的速率差异（二）协助扩散（facilitated diffusion）1、定义：各种极性分子和无机离子顺浓度梯度减小的方向跨膜转运，运输过程中无需能量，但是需要特异的膜蛋白协助转运，又称为促进扩散、易化扩散、帮助扩散。2、协助扩散的特点：转运效率高；转运具有特异性和饱和性；由膜转运蛋白（membrane transport proteins）负责转运。可以被抑制。3、膜转运蛋白的分类：载体蛋白（carrier proteins）通道蛋白（channel proteins） 载体蛋白（carrier proteins）分子结构：多次跨膜蛋白，能与特定的溶质分子结合，通过改变构象介导跨膜转运。功能：既可介导被动运输，也可介导逆浓度梯度或者电化学梯度的主动运输；有的需要能量驱动（如各类ATP驱动的离子泵）；有的则不需要（如缬氨酶素）。又称 通透酶（permease）和转运器（transporter），具有酶的部分特性。 有专一性； 存在竞争性抑制和非竞争性抑制； 图53 载体蛋白通过构象变化介导被动运输葡萄糖的运输是典型的载体蛋白介导的协助扩散。血糖升高促进胰岛素的分泌促进各种靶细胞内膜泡膜上的葡萄糖载体蛋白转移到质膜上提高葡萄糖的吸收糖尿病：型：合成胰岛素缺陷型：胰岛素水平正常，但是靶细胞对其不应答受体或者运输蛋白出现问题。通道蛋白（channel proteins）分子结构：是亲水性的跨膜通道，允许适当大小的离子顺浓度梯度通过，故又称离子通道。功能：只能介导顺浓度梯度（电化学梯度）的被动运输。离子通道的特征： 具有离子的选择性，转运效率高； 门控可开、关控制其活性。少数通道长期开放，如K+泄漏通道；多数通道关闭，只在一定条件刺激下开启。图54三种类型门控离子通道水的运输 ： （非脂溶性、极性）大多数是通过简单扩散进入细胞； 小部分通过水通道蛋白（aquaporin）进行扩散。目前在动、植物中已经分离到6个水通道蛋白家族成员。二、主动运输active transport为什么要进行主动运输？1、保证了细胞（器）从低浓度环境中摄取必要的营养物质；2、能够向高浓度环境中排出废物、分泌物、离子；3、维持细胞内离子的适当浓度 （H+、Ca2+、K+ ）。主动运输定义：是由载体蛋白所介导的逆物质浓度梯度（电化学梯度）进行跨膜转运的方式。特点： 逆浓度梯度（逆化学梯度）运输； 需要能量； 需要载体蛋白（结构可变）； 具有选择性和特异性。表52 典型哺乳类动物细胞内外离子浓度比较分类：按照能量来源分为 ATP直接供能； 协同运输(ATP间接供能)； 光能（见于细菌）。（一）Na+-K+泵ATP直接供能1、细胞内的Na+、K+环境低Na+高K+的离子环境动物细胞一般要消耗1/3（神经细胞消耗2/3）的总ATP来维持这种环境。Na+、K+的输入和输出是典型的主动运输，是通过钠钾泵来完成的。2、Na+-K+泵（ Na+-K+ pump）Na+- K+泵的分子结构：实际上就是Na+-K+ ATP酶，由2个亚基、2个亚基组成，分布于动物细胞的质膜上。亚基是多次跨膜蛋白，具有ATP酶活性、Na+、K+结合位点；亚基是具有组织特异性的糖蛋白。 图56 ANa+- K+泵的工作方式在膜内侧，3 Na+与酶结合，激活ATP酶活性，使ATP分解，酶自身被磷酸化；酶构象发生改变，与Na+结合的部位转向膜外侧；向胞外释放3 Na+并与2 K+结合，K+与磷酸化的酶结合后促使酶去磷酸化；酶的构象恢复原状，于是与K+结合的部位转向膜内侧；向胞内释放K+，并又重新与Na+结合。1000次/秒高速运转。总的结果是每一消耗一个ATP；输出3个Na+ ，输入 2个K+ 。使细胞外带正电荷。Na+-K+泵的作用 维持细胞的渗透平衡，保持细胞的体积； 抵消了细胞内外的Na+、K+扩散，维持低Na+高K+的细胞内环境，为协同运输提供驱动力； 维持细胞的静息电位。 渗透作用 可对Na+-K+泵产生作用的因子：乌本苷（ouabain）等可抑制Na+-K+泵活性；Mg2+ 、少量的膜脂有助于提高Na+-K+泵的活性；氰化物抑制生物氧化，最终导致Na+-K+泵停止工作。(二) Ca2+泵ATP直接供能钙泵（Ca2+pump）又称为Ca2+-ATP酶，跨膜蛋白，进化上与Na+-K+泵的亚基同源。作用：维持细胞内较低的Ca2+浓度（胞内浓度10-7M，胞外10-3M）。分布：质膜和肌细胞内质网膜。作用机制： 原理与钠钾泵相似，每分解一个ATP，泵出2个Ca2+，将Ca2+输出细胞或泵入内质网腔中储存起来。Ca2+- ATP酶工作过程（三）H+泵ATP直接供能1、质子泵的分布： 植物细胞、真菌和细菌的质膜上没有 Na+-K+泵，只有质子泵（H+ ATPase）2、质子泵的功能：质子泵将H+泵出细胞，建立跨膜的H+电化学梯度（相当于动物细胞膜上的Na+电化学梯度），从而驱动一些溶质的转运。3、质子泵的分类（P115）P-type：利用ATP 自磷酸化导致的构象改变来转移H+ 。如植物细胞膜上的H+泵、动物胃表皮细胞的H+-K+泵（分泌胃酸）。V-type：位于溶酶体膜、内体、植物液泡膜上，由许多亚基构成，水解ATP产生能量，将H+泵入细胞器，但不发生自磷酸化。F-type：是由许多亚基构成的管状结构。利用H+动力势合成ATP，也叫ATP合酶，位于细菌质膜，线粒体内膜和叶绿体的类囊体膜上。（四）协同运输（cotransport）?1、定义：是由Na+-K+泵（H+泵）与载体蛋白协同作用，靠间接消耗ATP所完成的主动运输方式，又叫偶联运输。? 2、能量来源：来自膜两侧的离子浓度梯度（电化学梯度） 动物细胞中常常利用膜两侧Na+梯度； 植物细胞和细菌常利用H+梯度。 3、协同运输的分类根据物质运输方向与离子转移方向的关系，协同运输又可分为： 共运输（ symport ）物质运输方向和离子转移方向相同 对向运输（antiport）物质运输方向和离子转移方向相反共运输（symport） 物质运输方向与离子转移方向相同。 如小肠细胞对葡萄糖、氨基酸的吸收伴随着Na+的进入； 某些细菌中，乳糖的吸收伴随着H+ 的进入。对向运输（antiport）物质跨膜运动的方向与离子转移的方向相反。动物细胞常通过Na+/H+ 对向协同运输的方式来转运H+ ，以调节细胞内的PH值。共运输和对向运输的比较（五）主动运输和被动运输的比较（六）动、植物细胞主动运输的比较图59 动、植物细胞主动运输的比较三、胞吞和胞吐作用endocytosis & exocytosis概述(P118)：运输对象：大分子和颗粒性物质（如蛋白质、多核苷酸、多糖等）运输方式：物质包裹在脂双层膜囊泡中进行运输，因此又称为膜泡运输。耗能：运输过程涉及膜泡的融合和断裂，需要消耗能量，属于主动运输。运输量：可以同时转运一种或者几种数量不等的大分子或颗粒，因此又称批量运输（bulk transport）。（一）胞吞作用（endocytosis）1、定义：是通过细胞膜内陷形成胞吞泡（endocytic vesicle），将外界物质输入细胞。2、分类： 吞噬作用（phagocytosis） 胞饮作用（pinocytosis）吞噬作用（phagocytosis）吞入较大的颗粒性物质（微生物、细胞碎片等）；又称胞吃作用（celluar eating）；囊泡较大吞噬体。发生细胞类型：变形虫、单细胞生物、巨噬细胞、中性粒细胞。 胞饮作用（pinocytosis）吞入液体或者溶解物；囊泡较小；发生细胞：大多数细胞都可以连续进行。吞噬和胞饮作用的比较3、受体介导的胞吞作用（p120）原理：是一种选择浓缩机制，既可摄入特定的大分子，同时避免吸入大量胞外液体。通过网格蛋白有被小泡完成摄取。摄取物质：（p120下）动物细胞摄取胆固醇、鸟卵细胞摄取卵黄蛋白、肝细胞摄取转铁蛋白、胰岛素进入细胞、巨噬细胞通过表面受体对免疫球蛋白及其复合物、病毒、细菌、衰老细胞的识别和摄入、VB12、铁的摄取。图5-11 网格蛋白有被小泡介导的选择性运输胆固醇的摄取胆固醇+磷脂+蛋白质（LDL）受体LDL复合物内化进入细胞进入胞内体降解冠状动脉粥样硬化胞内体膜泡运输的分选站，酸性环境，受体与物质在此分离。受体的去向： 大部分返回质膜，循环使用； 有些进入溶酶体，被降解； 跨细胞的转运（transcytosis） 母乳喂养的原理跨细胞转运（transcytosis）又称转胞吞作用，受体和配体不作任何处理，内吞物从极性细胞一侧转到相反的方向。（二）胞吐作用（exocytosis）定义：细胞内某些膜泡（如分泌泡）中的物质通过细胞质膜运送出细胞的过程。可运送：酶、激素、神