细胞质膜与细胞外基质x

1、陈雅茜陈雅茜 一、一、细胞质膜细胞质膜 二、细胞外被与细胞外基质 细胞质膜又称细胞膜细胞质膜又称细胞膜（一）细胞膜的化学组成（二）细胞膜的结构模型（三）细胞膜的基本特征与功能l细胞膜常常被脂类溶剂（如苯和四氯化碳）、蛋白酶细胞膜常常被脂类溶剂（如苯和四氯化碳）、蛋白酶（卵磷脂酶）以及蛋白质作用试剂（如多羟基苯酚）处（卵磷脂酶）以及蛋白质作用试剂（如多羟基苯酚）处理后破坏或溶解，理后破坏或溶解，推测细胞膜的化学组成主要是脂类和推测细胞膜的化学组成主要是脂类和蛋白质蛋白质。l质膜除了主要含有膜脂和膜蛋白成分外，另外还有质膜除了主要含有膜脂和膜蛋白成分外，另外还有少少量糖量糖，主要以糖脂和糖蛋白的形

2、式存在。一般而言，主要以糖脂和糖蛋白的形式存在。一般而言，脂类约占脂类约占50，蛋白质约占，蛋白质约占40，糖类约占，糖类约占210。（1）组成细胞膜的膜脂主要包括磷脂和胆固醇二类。 磷脂：构成了膜脂的磷脂：构成了膜脂的基本成分，约占整个膜基本成分，约占整个膜脂的脂的50以上。可分为以上。可分为甘油磷脂甘油磷脂（包括磷脂酰（包括磷脂酰胆碱卵磷脂，磷脂酰胆碱卵磷脂，磷脂酰丝氨酸，磷脂酰乙醇胺丝氨酸，磷脂酰乙醇胺和磷脂酰肌醇等）和和磷脂酰肌醇等）和鞘鞘磷脂磷脂。 胆固醇：整个分子胆固醇：整个分子分分3部分：羟基团组部分：羟基团组成的亲水的极性头部、成的亲水的极性头部、疏水的非极性的类固疏水的非极性

3、的类固醇环结构和一个非极醇环结构和一个非极性的碳氢尾部。性的碳氢尾部。胆固胆固醇醇的分子较其他膜脂的分子较其他膜脂要小，双亲性较低。要小，双亲性较低。（2）膜脂在细胞膜中的4种热运动方式 脂分子的侧向运动； 脂分子的自旋运动； 脂分子的尾部摆动； 脂分子的翻转运动。（3）脂质体l脂质体（liposome）是根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双膜的趋势而制备的一种人工膜。l单层脂分子铺展在水面上时，其极性亲水头部插入水相，而非极性尾部面向空气界面，搅动后形成极性端向外而非极性端在内部的脂分子团或双层脂分子的球形脂质体，直径251000nm不等。l脂质体不但是研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质的好材料

4、，而且可利用能与细胞膜融合的特点，将基因或药物送入细胞内部进行转基因或疾病治疗。l(a)水溶液中的磷脂分子团；l(b)平面脂质体膜；l(c)球形脂质体；l(d）用于靶向药物治疗的脂质体的示意图。（1）类型类型l是膜功能的主要体现者。据估计核基因组编码的蛋白质中30%左右的为膜蛋白。根据膜蛋白与脂分子的结合方式，可分为：整合蛋白（integral protein）外周蛋白（peripheral protein）脂锚定蛋白（lipid-anchored protein）l整合蛋白整合蛋白又称内在膜蛋白，可能全为跨膜蛋白又称内在膜蛋白，可能全为跨膜蛋白（tansmembrane proteins），

5、为两性分子，疏水），为两性分子，疏水部分位于脂双层内部，亲水部分位于脂双层外部。部分位于脂双层内部，亲水部分位于脂双层外部。由于存在疏水结构域，整合蛋白与膜的结合非常紧由于存在疏水结构域，整合蛋白与膜的结合非常紧密。密。l外周蛋白外周蛋白为水溶性，靠为水溶性，靠（非共价键）离子键或（非共价键）离子键或其它较弱的键与膜表面其它较弱的键与膜表面的蛋白质分子或脂分子的蛋白质分子或脂分子的亲水部分结合，因此的亲水部分结合，因此只要改变溶液的离子强只要改变溶液的离子强度甚至提高温度就可以度甚至提高温度就可以从膜上分离下来。从膜上分离下来。l脂锚定蛋白脂锚定蛋白又称又称脂连接脂连接蛋白蛋白，通过共价键与脂

6、，通过共价键与脂分子或通过一个糖分子分子或通过一个糖分子间接与脂分子结合。这间接与脂分子结合。这类蛋白多为膜受体、酶类蛋白多为膜受体、酶及一些细胞粘着分子。及一些细胞粘着分子。（2 2）膜蛋白与膜脂的结合方式膜蛋白与膜脂的结合方式 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。 跨膜结构域两端携带正电荷的氨基酸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。 某些膜蛋白在细胞质基质一侧的半胱氨酸残基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双层的结合力,还有少数蛋白与糖脂共价结合。（3）去垢剂去垢剂l整

7、合蛋白为跨膜蛋白（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。l离子型去垢剂离子型去垢剂SDS (十二烷基磺酸钠十二烷基磺酸钠)l非离子型去垢剂（非离子型去垢剂（Triton X -100）脂肪栅的膜结构设想：脂肪栅的膜结构设想： 1895 1895年年 Overton Overton发现溶于脂肪的物质易发现溶于脂肪的物质易透过植物的细胞膜，不溶于脂肪的物质不易透过细胞膜，推透过植物的细胞膜，不溶于脂肪的物质不易透过细胞膜，推测细胞膜由连续的脂类物质组成。测细胞膜由连续的脂类物质组成。脂双层结构：脂双层结构：1 1925925年

8、，年，Gorter & Grendel Gorter & Grendel 用有机溶剂提取了人用有机溶剂提取了人的红细胞质膜的脂类成分铺展在水面，测出膜脂展开的面积的红细胞质膜的脂类成分铺展在水面，测出膜脂展开的面积二倍于细胞表面积，推测细胞膜由双层脂分子组成。二倍于细胞表面积，推测细胞膜由双层脂分子组成。三明治模型：三明治模型：19351935年，年，Danielli & Davson Danielli & Davson 发现质膜的表面张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。提出了力比油水界面的张力低得多，推测膜中含有蛋白质。提出了“蛋白

9、质蛋白质- -脂质脂质- -蛋白质蛋白质”的三明治式的结构模型；的三明治式的结构模型；19591959年在上述年在上述基础上提出了修正模型，认为膜上还具有贯穿脂双层的蛋白质通基础上提出了修正模型，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。道，供亲水物质通过。单位膜模型：单位膜模型：19591959年，年，Robertson Robertson 用超薄切片技术获得了用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，显示暗清晰的细胞膜照片，显示暗- -明明- -暗三层结构，它由厚约暗三层结构，它由厚约3.5nm3.5nm的双层脂分子和内外表面各厚约的双层脂分子和内外表面各厚约2nm2nm的蛋白质构

10、成，的蛋白质构成，总厚约总厚约7.5nm7.5nm。流动镶嵌模型：流动镶嵌模型：19721972年，年，Singer & Nicolson Singer & Nicolson 根据免根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果，提出了疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果，提出了“流动流动镶嵌模型镶嵌模型” ” ，认为膜是一种动态结构，强调，认为膜是一种动态结构，强调膜的流动性膜的流动性和不对称性和不对称性。脂筏模型脂筏模型(lipid rafts model)(lipid rafts model)：K.Simons et al 1997提出提出脂脂筏模型，筏模型，即在生物膜上胆固醇富

11、集而形成有序脂相即在生物膜上胆固醇富集而形成有序脂相, ,如同脂筏如同脂筏一样载着各种蛋白。脂筏是质膜上富含胆固醇和鞘磷脂的微一样载着各种蛋白。脂筏是质膜上富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域。脂筏就像一个蛋白质停泊的平台，与膜的信号转导、结构域。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。蛋白质分选均有密切的关系。公认生物膜结构应具有的特点公认生物膜结构应具有的特点 细胞膜由流动双脂层和嵌在其中蛋白质组成。细胞膜由流动双脂层和嵌在其中蛋白质组成。 具有极性头部和非极性尾部的磷脂分子在水相中自具有极性头部和非极性尾部的磷脂分子在水相中自发形成生物膜的性质。以疏水性尾部相对，

12、极性头发形成生物膜的性质。以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相组成生物膜骨架。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。整个双脂层，表现出分布的不对称性。 1 细胞膜的基本特征细胞膜的基本特征（1）膜的流动性）膜的流动性质膜的流动性由膜脂和蛋白质的分子运动两个方面组成。质膜的流动性由膜脂和蛋白质的分子运动两个方面组成。 膜脂的流动性膜脂的流动性膜脂的流动性主要由膜脂的流动性主要由脂分子本身的性质决定的脂分子本身的性质决定的,脂肪酸链越短脂肪酸链越短,不不饱和程度越高饱和程度越高,膜脂的流动

13、性越大。膜脂的流动性越大。温度温度对膜脂的运动有明显的影对膜脂的运动有明显的影响。在细菌和动物细胞中常通过增加不饱和脂肪酸的含量来调节响。在细菌和动物细胞中常通过增加不饱和脂肪酸的含量来调节膜脂的相变温度以维持膜脂的流动性。在动物细胞中，膜脂的相变温度以维持膜脂的流动性。在动物细胞中，胆固醇胆固醇对对膜的流动性起重要的双向调节作用。膜的流动性起重要的双向调节作用。膜脂分子的运动膜脂分子的运动1. 侧向扩散：同一平面上相邻的脂分子交换位置。侧向扩散：同一平面上相邻的脂分子交换位置。2. 旋转运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。旋转运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。3.

14、摆动运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。摆动运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。4. 伸缩震荡：脂肪酸链沿着与纵轴进行伸缩震荡运动。伸缩震荡：脂肪酸链沿着与纵轴进行伸缩震荡运动。5. 翻转运动：膜脂分子从脂双层的一层翻转到另一层。是在翻转运动：膜脂分子从脂双层的一层翻转到另一层。是在翻转酶（翻转酶（flippase）的催化下完成。）的催化下完成。6. 旋转异构：脂肪酸链围绕旋转异构：脂肪酸链围绕C-C键旋转，导致异构化运动。键旋转，导致异构化运动。 膜蛋白的分子运动膜蛋白的分子运动 主要有侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。可用光主要有侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。可用光

15、脱色恢复技术（脱色恢复技术（fluorescence recovery after photobleaching，FRAP）和细胞融合技术检测侧向扩）和细胞融合技术检测侧向扩散。旋转扩散指膜蛋白围绕与膜平面垂直的轴进行旋转散。旋转扩散指膜蛋白围绕与膜平面垂直的轴进行旋转运动，膜蛋白的侧向运动受细胞骨架的限制，破坏微丝运动，膜蛋白的侧向运动受细胞骨架的限制，破坏微丝的药物如细胞松弛素的药物如细胞松弛素B能促进膜蛋白的侧向运动。能促进膜蛋白的侧向运动。 图图 1 利用细胞融合技术观察蛋白质运动利用细胞融合技术观察蛋白质运动 1970年年Larry Frye等人将人和和鼠的细胞膜用不同荧光抗体标记后

16、，让等人将人和和鼠的细胞膜用不同荧光抗体标记后，让两种细胞融合，杂种细胞一半发红色荧光、另一半发绿色荧光，放置一段时两种细胞融合，杂种细胞一半发红色荧光、另一半发绿色荧光，放置一段时间后发现两种荧光抗体均匀分布。间后发现两种荧光抗体均匀分布。l质膜内外两层的组分和功能的差异，称为膜的不对称性。质膜内外两层的组分和功能的差异，称为膜的不对称性。 l膜脂的不对称性：膜脂的不对称性：同一种脂分子在脂双层中呈不均匀分布，同一种脂分子在脂双层中呈不均匀分布，如：如：PC（磷脂酰胆碱）和（磷脂酰胆碱）和SM（鞘磷脂）主要分布在（鞘磷脂）主要分布在外小外小叶叶，PE（磷脂酰乙醇胺）和（磷脂酰乙醇胺）和PS（

17、磷脂酰丝氨酸）分布在（磷脂酰丝氨酸）分布在内小叶。用磷脂酶处理完整的人类红细胞，内小叶。用磷脂酶处理完整的人类红细胞，80%的的PC降降解，解，PE和和PS分别只有分别只有20%和和10%的被降解。膜脂的不对的被降解。膜脂的不对称性还表现在膜表面具有胆固醇和鞘磷脂等形成的微结构称性还表现在膜表面具有胆固醇和鞘磷脂等形成的微结构域域脂伐。脂伐。 l膜蛋白的不对称性：膜蛋白的不对称性：每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有特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，如各种激素的受体分布在细定的方向性和分布的区域性，如各种激素的受体分布在细胞膜外表面。胞膜外表面。l复合糖的不对称性：复合糖的

18、不对称性：糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外表糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外表面。面。 图 2 膜各个断面的名称ES，质膜的细胞外表面（extrocytopasmic surface）；PS，质膜的原生质表面（protoplasmic surface）；EF（extrocytopasmic face），质膜的细胞外小页断裂面；PF（protoplasmic face），原生质小页断裂面。（1）为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境；）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）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；物的排出；（3）提供细胞

19、识别位点，并完成细胞内外信息的跨膜传）提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息的跨膜传递；递；（4）为多种酶提供结合位点，使酶促反应高效而有序地）为多种酶提供结合位点，使酶促反应高效而有序地进行；进行；（5）介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接；）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。）参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。（一）细胞外被 l指细胞膜外表面覆盖的一层指细胞膜外表面覆盖的一层多糖物质多糖物质，其中的，其中的糖与细胞膜中的蛋白分子或脂质分子是糖与细胞膜中的蛋白分子或脂质分子是共价结共价结合合的，形成糖蛋白和糖脂，是细胞膜的正常结的，形成糖

20、蛋白和糖脂，是细胞膜的正常结构组分，它不仅对膜蛋白起保护作用，而且在构组分，它不仅对膜蛋白起保护作用，而且在细胞识别中起重要作用。细胞识别中起重要作用。（二）细胞外基质（extracellular matrix，ECM）l指分布于细胞外空间，由细胞分泌的蛋白和多指分布于细胞外空间，由细胞分泌的蛋白和多糖所构成的网络结构。糖所构成的网络结构。为细胞的生存及活动提为细胞的生存及活动提供适宜的场所，并决定和维持器官和组织的形供适宜的场所，并决定和维持器官和组织的形态，还通过信号转导系统影响细胞的形状、代态，还通过信号转导系统影响细胞的形状、代谢、功能、迁移、增殖和分化。谢、功能、迁移、增殖和分化。细

21、胞种类细胞种类细胞外结构细胞外结构 结构纤维结构纤维 水化基质组水化基质组分分 粘连分子粘连分子 动物细胞动物细胞细胞外基质细胞外基质 胶原、弹性蛋白胶原、弹性蛋白 氨基聚糖、氨基聚糖、 蛋白聚糖蛋白聚糖 纤粘连蛋白、纤粘连蛋白、层粘连蛋白层粘连蛋白 植物细胞植物细胞细胞壁细胞壁 纤维素纤维素半纤维素、半纤维素、 伸展蛋白伸展蛋白 果胶果胶 1 胶原赋于组织强度2 弹性蛋白赋于组织弹性3 氨基聚糖与蛋白聚糖使组织耐压4 层粘连蛋白和纤粘连蛋白使细胞粘着胶原纤维胶原纤维纤粘连蛋白纤粘连蛋白蛋白聚糖蛋白聚糖层粘连蛋白层粘连蛋白膜整联蛋白膜整联蛋白胶原是动物体内含量最丰富的蛋白质。胶原是动物体内含量

22、最丰富的蛋白质。 功能：胶原是细胞外基质中最主要的水不溶性纤维糖胶原是细胞外基质中最主要的水不溶性纤维糖蛋白，含量也最高，刚性及抗张力强度最大，构成细蛋白，含量也最高，刚性及抗张力强度最大，构成细胞外基质的骨架结构。胞外基质的骨架结构。 类型：发现有发现有20多种，目前了解最多的是多种，目前了解最多的是型胶型胶原。原。 结构：胶原纤维的胶原纤维的基本结构单位是原胶原基本结构单位是原胶原。原胶原由。原胶原由三条相同或不同的肽链形成三股螺旋，一级结构具有三条相同或不同的肽链形成三股螺旋，一级结构具有Gly-x-y重复序列。重复序列。 合成：在在粗糙内质网上合成粗糙内质网上合成带有信号肽的带有信号肽

23、的前原胶原，切除信号肽并化学修饰（包括糖基化）由高尔基体分切除信号肽并化学修饰（包括糖基化）由高尔基体分泌到细胞外，在两种专一性不同的蛋白水解酶作用下，泌到细胞外，在两种专一性不同的蛋白水解酶作用下，分分 别切去别切去N端前肽及端前肽及C端前肽，成为端前肽，成为原胶原。原胶原进。原胶原进而聚合成而聚合成胶原纤维。 图图3 （a）胶原纤维的分子结构与形成过程）胶原纤维的分子结构与形成过程()； （b）胶原纤维的电镜照片）胶原纤维的电镜照片 l弹性蛋白是弹性纤维的主要成分。弹性蛋白是弹性纤维的主要成分。弹性纤维主弹性纤维主要存在于脉管壁及肺。弹性纤维与胶原纤维共要存在于脉管壁及肺。弹性纤维与胶原纤维共同存在，分别赋于组织以弹性及抗张性。同存在，分别赋于组织以弹性及抗张性。l为高度疏水的非糖基化蛋白，为高度疏水的非糖基化蛋白，没有没有G