细胞生物学第4章课件

,第四章细胞质膜,要求：,掌握生物膜结构、化学组成和主要生物学功能，了解生物膜结构模型的历史演变；掌握生物膜的流动性和不对称性的基本特征，了解这些基本特征与生物功能的相互关系；学习生物膜蛋白的提取方法；掌握膜骨架的基本结构和功能；学习相关的名词术语。,第一节细胞质膜的结构模型,4.1.1概念细胞质膜，是包围在细胞表面的一层极薄的结构，由脂质、蛋白质和糖组成。,生物膜，是细胞内膜系统和细胞质膜的统称。,4.1.2细胞质膜的结构模型,1光学显微镜很难看到细胞膜,2细胞膜的发现,利用渗透压来间接证明细胞膜的存在1932年电镜发明之后，1950s观察到质膜超微结构,3细胞膜存在，是什么物质？,1895年，Overton研究各种未受精卵细胞和根毛细胞的透性，发现脂溶性物质很容易透过细胞膜，而不溶于脂肪的物质穿透十分困难，发现了亲脂性物质与细胞质膜的关系。,4细胞膜的结构模型演变,细胞膜是双层脂分子：1925年Gorter并可作为生物大分子(如：DNA)和药物的运载体，因此被称为“导弹人工脂质体”,2、膜蛋白,基本类型：根据膜蛋白与脂分子的结合方式及其在膜中所在的位置，分为3种：,膜周边蛋白（外在膜蛋白）：为水溶性蛋白，分布在膜的内外表面，易分离提纯。,膜内在蛋白（整合膜蛋白）：与膜结合非常紧密，不同程度嵌入脂双层内部或横跨全膜，不易分离提纯。,脂锚定膜蛋白：通过共价连接的脂分子插入膜的脂双层中，而锚定在质膜上。,膜周边蛋白和膜内在蛋白,脂锚定膜蛋白,跨膜结构域，形成a螺旋，其疏水氨基酸侧链通过范德华力与脂双层分子的疏水核心结合；,膜内在蛋白与膜脂结合的方式：,两端极性氨基酸基团与脂双层的极性基团直接或间接的相互作用；,过半胱氨酸残基与脂肪酸分子或糖脂共价结合，插入脂双层。,去垢剂是一种一端亲水，一端疏水的双型性小分子，是分离与研究膜蛋白常用的试剂。,膜内在蛋白的分离：,常用的去垢剂,离子型：,非离子型：,SDS(十二烷基磺酸钠)作用较剧烈，可使膜脂溶解，引起蛋白质变性,TritonX-100温和型，可使膜脂溶解，蛋白质不变性,3、膜糖,膜结构的糖类主要为中性糖，与膜脂、膜蛋白与共价键的形成糖脂和糖蛋白，分布在质膜的外表面，或内膜系统的内表面。,内在蛋白,胆固醇,疏水螺旋,寡糖,外在蛋白,糖脂,人的血型中A型、B型、AB型和O型，是由红细胞膜脂和膜蛋白中的糖基决定。,A血型：膜脂寡糖链是N-乙酰半乳糖胺（GalNAc）,B血型：寡糖链是半乳糖（Gal）,O血型：没有这两种糖基,AB血型：在末端同时具有这两种糖基。,第二节生物膜基本特征与功能,-膜脂的流动-膜蛋白的流动,膜的流动性和不对称性,一、膜的流动性,2.1膜脂的流动性:主要指膜脂分子的侧向运动。,影响因素：,细胞通过调节膜脂组成来优化膜的流动性。,相变温度,胆固醇分子的含量等,环境温度,脂分子本身的性质、,2.2膜蛋白的流动性,主要进行侧向扩散和旋转扩散运动。,实验证据：1970年DavidFrye和MichaelEdidin免疫荧光技术测定人鼠细胞融合后细胞表面抗体的运动，观察到膜蛋白运动的“成斑”或“成帽”现象。,人-鼠细胞融合过程中膜表面蛋白的运动性,膜蛋白分子的性质及其膜蛋白、骨架蛋白相互作用和温度等因素有关。,影响因素：,骨架系统,蛋白分子的限制,光脱色荧光恢复技术检测膜流动性,膜流动性的生理意义：（课外阅读汪堃仁主编）,生物膜适宜的流动性是表现细胞正常功能的必要条件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等功能将停止；反之如果流动性过高，又会造成膜的溶解。生物的抗寒性,ES：质膜的细胞外表面（extrocytoplasmicsurface)PS:质膜的原生质表面(protoplasmicsurface)EF：质膜的细胞外小页断裂面（extrocytoplasmicface)PF：原生质小页断裂面(protoplasmicface),2.3膜的不对称性,2.3.1细胞膜各部分的名称,ES,EF,PF,PS,质膜的内外两层的组分和功能有明显的差异。,磷脂在红细胞质膜上的分布,2.3.2膜脂的不对称性,SM:鞘磷脂,PC:卵磷脂,PS:磷脂酰丝氨酸,PE:磷脂酰乙醇胺,PI:磷脂酰肌醇,CI:胆固醇,外小页,内小页,是指膜脂分子在膜脂双层中分布不均匀性。,膜蛋白的不对称性是指每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有明确的方向性和分布的区域性。,例如：,2.3.2膜蛋白的不对称性,1、细胞色素C只分布在线粒体内膜的腔面,2、红细胞膜骨架只分布膜内侧面,3、质膜上的糖蛋白，其糖残基分布在质膜的ES面,2.3.3细胞膜的主要功能,(1)为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境,(2)调节运输：选择性的物质运输,(3)为酶提供结合位点，使酶促反应高效而有序,(4)参与细胞信号传导,(5)参与细胞间的相互作用：细胞连接与识别等,(6)能量转换,第三节细胞表面的特化结构,膜骨架,鞭毛与纤毛,微绒毛,细胞的变形足,细胞外被,细胞外被、质膜和表层胞质溶胶构成细胞表面,3.1细胞外被,细胞外被：也叫糖萼，由质膜表面寡糖链形成。作用：保护、通信、运输、并与细胞表面抗原性有关。如：红细胞质膜上的糖脂不同决定血型。动物细胞表面用钌红染色后，在电镜下可显示厚约1020nm的糖萼结构，边界不甚明确。,Simplifieddiagramofthecellcoat(glycocalyx),3.2膜骨架,质膜下与膜蛋白相连的由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。,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。,血影（ghost）：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。,膜周,膜内,血影蛋白,锚蛋白,带4.1蛋白,肌动蛋白,带3蛋白,血型糖蛋白,肌动蛋白,原肌球蛋白,锚蛋白,血影蛋白,带3蛋白,血型糖蛋白,红细胞膜骨架蛋白组成和结构：,膜骨架蛋白：血影蛋白、肌动蛋白、带4.1蛋白、锚蛋白。,膜骨架结构：血影蛋白四聚体与肌动蛋白纤维相连，形成血影蛋白网络。通过两个锚定位点固定在质膜下方：,-通过带4.1蛋白与血型糖蛋白连接；-通过锚蛋白与带3蛋白相连。,血型糖蛋白,血影蛋白,肌动蛋白,原肌球蛋白,3.3微绒毛（microvilli）,细胞表面伸出的细长指状突起，广泛存在动物细胞表面。,3.4,3.5,3.6,多细胞生物中细胞间的关系：,细胞识别与黏着-较松散组合方式,细胞连接-长期稳定的结构,细胞连接,第三节细胞连接.,细胞连接是多细胞有机体中相邻细胞之间通过细胞质膜相互联系，协同作用的重要组织方式。,通讯连接,细胞连接可分为三大类：,封闭连接（紧密连接）,锚定连接,3.2.1封闭连接(occludingjunction),紧密连接(tightjunction)（又称不通透连接）是封闭连接的典型代表和主要形式，一般存在于上皮细胞之间。,1963Farguhar跨膜连接的糖蛋白,其细胞内的部分与附着蛋白相连,细胞外的部分与相邻细胞的跨膜连接糖蛋白相互作用或与胞外基质相互作用。,构成锚定连接的蛋白可分成两类:,一、桥粒（desmosome）和半桥粒（hemidesmosome）,Desmosome,桥粒,30nm,(厚15-20nm),细胞质盘状致密斑（桥粒斑蛋白）中间纤维：桥粒蛋白(钙黏着蛋白)：桥粒芯蛋白桥粒胶蛋白,30nm,整联蛋白,细胞质盘状致密斑（网蛋白）,中间纤维,细胞外基质蛋白,胶原纤维,半桥粒,桥粒与半桥粒在结构上的差别：,桥粒：通过钙黏着蛋白与相邻细胞间的连接。,半桥粒：通过整联蛋白与细胞外基质相连接。,二、粘着带(adhesionbelt)与粘着斑(focaladhesion),粘着带,粘着带位于紧密连接下方,相邻细胞间形成一个连续的带状结构。间隙约1520nm。,细胞质斑（连环蛋白、黏着斑蛋白）钙黏着蛋白（跨膜糖蛋白、依赖于Ca2+）肌动蛋白纤维,粘着带,15-20nm,细胞质斑（裸蛋白、黏着斑蛋白、a-辅肌蛋白等）,肌动蛋白纤维整联蛋白,细胞外基质蛋白（纤黏连蛋白）,黏着斑,结构：,粘着带：通过钙黏着蛋白与肌动蛋白相互作用，将相邻细胞相连接。,粘着斑：通过整联蛋白与细胞内肌动蛋白纤维相互作用，将细胞与细外基质相连接。,粘着带与粘着斑在结构上的差别：,锚定连接的共性：,1、钙依赖性：跨膜糖蛋白是钙粘素家族，Ca2+调控。,2、都要通过细胞质斑中的蛋白质介导同细胞骨架系统相连,3、无论是钙黏着蛋白还是整联蛋白，一旦同肌动蛋白相连，都会与某种信号分子发生联系，引起细胞信号传导。,主要包括动物细胞的间隙连接、植物细胞的胞间连丝、神经细胞间的化学突触。,连接子：构成间隙连接的基本单位。,(一)间隙连接,3.2.3通讯连接,间隙连接处相邻细胞质膜间的间隙为23nm。连接子(connexon)中心形成一个直径约1.5nm的孔道。,跨膜蛋白，由6个相同或相似的亚基环绕组成的通道结构。在通道的细胞质面有一个帽形的门，能够开放或关闭，调节通道中物质的移动。,连接子的二维结构:,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，为信号物质的传递提供了通路,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。肿瘤细胞之间的间隙连接明显减少或消失，间隙连接类似“肿瘤抑制因子”。,间隙连接的功能及其调节机制,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。代谢偶联在协调细胞群体的生物学功能方面,可能起更重要作用,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,(二)胞间连丝高等植物细胞之间通过胞间连丝相互连接，完成细胞间的通讯联络。,胞间连丝是由细胞质膜、细胞质、内质网交融形成的管状复合结构。,20-40nm,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。,胞间连丝的功能,实现细胞间物质有选择性的转运；,实现细胞间的电传导；,（三）化学突触,是存在与可兴奋细胞之间的细胞连接方式。通过释放神经递质来传递神经冲动。,神经递质？,突触后膜,突触前膜,突触间隙,轴突,表-各种连接所在的部位,锚定连接,-ECM黏着连接,具有1.5nm孔径的跨膜,20-,40nm的通道,15-20nm15-20nm30nm30nm,上皮组织是机体的保护层，也是各种连接较为集中的部位，不同的连接以特殊的方式排列，上皮组织中的这些不同的连接方式合称为连接复合物(junctioncomplex)。,小肠上皮细胞间各种连接示意图,哺乳动物肠壁细胞的组织结构,第四节细胞识别与细胞表面的黏着因子,1、细胞识别,指细胞对同种或异种细胞、同源或异源细胞以及对自己或异己分子的认识和鉴别。,4.4.1概念,细胞识别具有种属特异性和组织特异性。,细胞识别引起的细胞反应:内吞、细胞粘着、信号反应。,2、细胞黏着,指同类细胞发生聚集形成细胞团或组织的过程，是组织结构的基本特征。,黏着方式较松散。,最早的细胞识别与黏着实验：1907年Wilson研究两种不同颜色的海绵细胞行为。,两栖类胚性细胞识别实验,兰：中胚层红：外胚层细胞,细胞表面的黏着分子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。特定的细胞粘着分子介导特定的细胞识别和细胞黏着。,4.2.2细胞黏着分子（celladhesionmolecule，CAM）,可大致分为五类：钙粘素、选择素、免疫球蛋白超家族、整联蛋白及质膜蛋白聚糖。,黏着分子结构上的共性:,胞外区，肽链的N端部分，带有糖链，负责与配体的识别；,细胞粘附分子都是膜整合蛋白。,分子结构由三部分组成：,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。,多数细胞粘附分子的作用依赖于二价阳离子，如Ca2，Mg2。,细胞黏着分子的作用机制有三种模式:,1、同亲性黏着,2、异亲性黏着,3、通过胞外连接分子相互识别与结合,1、钙粘素,同亲性CAM,作用依赖于Ca2,30多种。结构同源性很高，胞外部分有5个结构域，其中4个同源，均含Ca2结合部位。胞质部分是最高度保守的区域，参与信号转导。与桥粒和粘着带锚定连接有关。,2、选择素,异亲性CAM,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。,选择素有三种：L选择素、E选择素及P选择素,胞外区有三个结构域：N端的C型凝集素结构域，EGF样结构域、蛋白结构域；通过凝集素结构域来识别糖蛋白及糖脂分子上的糖配体。,3、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）类似结构域的所有分子，（免疫球蛋白样结构域系指借二硫键维系的两组反向平行折叠结构。）,一般不依赖于Ca2,同亲性或异亲性,N-CAM（神经细胞粘着分子）有20余种异型分子，它们在神经发育及神经细胞间相互作用上有重要作用。,4、整联蛋白,-大多为异亲性细