04细胞膜与细胞表面.ppt

1、第四章 细胞膜与细胞表面,西南大学生命科学学院 冯全义,本章主要内容,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,一、细胞膜概念、结构模型发现史 二、细胞膜化学组成 三、膜脂、膜蛋白的性质 四、细胞表面特化结构 微绒毛 皱褶 内褶 纤毛和鞭毛,一、细胞膜概念、结构模型发现史,（一）细胞膜（cell membrane）概念 又称质膜（plasma membrane） 包在细胞外面，主要由脂类和蛋白质构成的一种生物膜 作用：屏障；更物质、信息交换通道 1、细胞内膜 ：围绕各种细胞器的膜 2、生物膜（biomembrane） ：

2、 质膜和内膜在起源、结构和化学组成等方面具有相似性，故总称为生物膜,（二）质膜结构的研究历史,1、脂肪栅栏模型 E. Overton 1895发现： 脂溶性物质容易透过质膜 水溶性物质难以通过质膜,2. 脂双层构成的膜 1925年荷兰人E.Gorter和F.Grendel发现： 有机溶剂提取了人红细胞膜的脂类， 将其铺展在水面 膜脂展开的面积为细胞表面积二倍,3、蛋白质-脂类-蛋白质的三明治模型,J. Danielli (b)扫描电子显微镜观察的上皮顶部细胞周围的环状紧密连接。,紧密连接在葡萄糖跨细胞转运中的作用,5、间壁连接（septate junctions）(补充),1）存在部位 无脊椎

3、动物上皮细胞的紧密连接 2）结构 连接蛋白呈梯子状排列 连接的细胞内骨架成分为肌动蛋白纤维,二、锚定连接,1、分类 1）粘着连接： 连接作用涉及细胞质中的骨架部分是肌动蛋白的连接方式 分为粘着带(粘合带)和粘着斑(粘合斑) 2）桥粒连接： 细胞通过中间纤维锚定到细胞骨架上的粘着连接方式 分为桥粒和半桥粒,粘合带（adhesion belt）(粘着带),1）部位： 上皮细胞顶侧面的紧密连接下方 2）形态 结构 呈带状环绕细胞 在相邻细胞的间隙约1520nm 靠钙粘着蛋白同肌动蛋白相互作用,粘合斑(粘着斑)（adhesion plaque）,1、部位 位于细胞与细胞外基质间 是细胞与细胞外基质进行

4、连接 2、结构 通过整合素把细胞中的 肌动蛋白束和基质(纤粘连蛋白)连接 连接处的质膜呈盘状，故为粘合斑,桥粒(desmosome) (完全桥粒),又称为斑点粘着(maculae adherens) 1）主要部位 承受强拉力的组织中 如皮肤、口腔、食管等处的复层鳞状上皮细胞之间和心肌中相邻细胞间 细胞膜之间的间隙约30nm；细胞间形成钮扣式结构,桥粒连接的电子显微镜照片,2）结构： 参与桥粒连接的钙粘着蛋白分别称为桥粒芯蛋白(desmoglein)和桥粒芯胶粘蛋白(desmocollin) 在细胞质膜的内表面有一致密的细胞质斑，作为锚定细胞骨架中间纤维的位点,半桥粒(hemidesmosome

5、s),1）部位：上皮细胞的底面 作用是把上皮细胞与其下方的基膜连接 2）结构：与桥粒的不同之处在于： 只在质膜内侧形成桥粒斑结构，另一侧为基膜 穿膜连接蛋白为整合素而不是钙粘素 细胞内的附着蛋白为角蛋白(中间纤维的一种),3、细胞骨架在细胞连接中的作用,1）细胞骨架的参与，使同一组织的细胞紧密的结合 2）中间纤维网络通过桥粒和半桥粒锚定在质膜上，加固了上皮细胞之间及上皮细胞与其下方结缔组织之间的连接 3）骨架成份肌动蛋白通过粘着带和粘着斑将相邻细胞的质膜或质膜与细胞外基质蛋白联接 4）增强了组织的机械强度，形成了组织网络和组织整体,三、通讯连接(communicating junction),

6、一种特殊的细胞连接方式 1、作用： 维持机械的细胞连接作用 具有传递信息作用 2、分类： （一）间隙连接 （二）胞间连丝 （三）化学突触,（一）间隙连接 （gap junction）,1、部位：大多数动物组织 相邻细胞间24nm缝隙 2、组成单位 连接子（connexon），由6个跨膜蛋白亚单位环绕成 直径8nm，中心孔道直径1.5nm,3、间隙连接的通道的通透性 A：允许分子量小于1.5KD的分子通过 如无机盐离子、糖、氨基酸、核苷酸和维生素等 由于cAMP和Ca2+信号分子可通过（通讯作用） B：通透性是可调节的 降低细胞PH值， 可降低间隙连接的通透性 升高钙离子浓度，可降低间隙连接的通

7、透性 当细胞破损时，大量钙离子进入，导致间隙连接关闭，避免正常细胞受伤害,4、间隙连接的功能,1）参与细胞分化： 胚胎发育的早期， 小分子物质（cAMP和Ca2+）可在一定细胞群范围内，以分泌源为中心，建立递变的扩散浓度梯度，为处于梯度范围内的细胞提供”位置信息” 从而诱导细胞向着一定方向分化 2）协调代谢： 不能利用外源次黄嘌呤合成核酸的突变型细胞 共培养 利用外源次黄嘌呤合成核酸野生型细胞 均能吸收次黄嘌呤合成核酸 破坏细胞间的间隙连接，突变型细胞不能吸收次黄嘌 3)构成电紧张突触： 存在于平滑肌、心肌、神经末梢间,称为电紧张突触 不依赖神经递质或信息物质可传递电兴奋到相邻的细胞,（二）胞

8、间连丝（plasmodesmata）,植物细胞特有的通讯连接 1、组成 是由穿过细胞壁的质膜围成的细胞质通道，直径约2040nm。植物体细胞可看作是一个巨大的合胞体 通道中有一由膜围成的筒状结构，称为连丝小管（desmotubule） 连丝小管由光面内质网特化而成，管的两端与内质网相连,2、作用 A 通透性： 允许分子量小于800Da的分子通过，运输也受控 在相邻细胞间起通讯作用 B：对细胞分化起一定作用 顶端分生组织的细胞分化与胞间连丝的分布有关 侧壁上的胞间连丝逐渐减少 横壁上的却仍保持很多。 C：植物相邻细胞间的细胞核可经胞间连丝穿壁,胞间连丝的电子显微镜照片,（三）化学突触 （syna

9、pse）,1、存在部位 存在于可兴奋细胞间（如神经元）的连接方式 2、作用： 通过释放神经递质（如乙酰胆碱）来传导兴奋 3、组成三部分 突触前膜(presynaptic membrane) 突触后膜(postsynaptic membrane) 突触间隙(synaptic cleft),1、突触前膜 突触前神经元的突起末梢膨大称突触小体，其膜称突触前膜 突触小体内有许多突触小泡，内含神经递质,神经冲动传到-突触前膜-突触小泡释放神经递质-突触后膜的受体接受-引起突触后膜离子通透性改变-膜去极化或超极化（钠内流；钾外流）,各种连接的比较,(四）细胞粘附分子,同种及异种细胞间需通过彼此粘着： 单个

10、细胞-组织-器官，通过粘着和结合将细胞组织起来,哺乳动物肠壁细胞的组织结构,1、细胞识别(cell recognition),1）细胞识别概念 指细胞对同种或异种细胞、同源或异源细胞以及对自己和异己物质分子的认识和鉴别 2）海绵实验 细胞识别的研究（最早）-海绵实验： 1907年H.V.Wilson,2、凝集素(lectin)在细胞粘着中的作用,凝集素： 一种能与糖结合的蛋白质，主要是促进细胞间的粘着，具有一个以上同糖结合的位点。 动物细胞和植物细胞都能合成、分泌,凝集素的作用机制,3、细胞粘着分子(cell adhesion molecule， CAM),类型 : 1 免疫球蛋白超家族(im

11、munoglobulins superfamily，IgSF) 2 钙粘着蛋白家族 （cadherin） 3 选择蛋白家族 (selectins) 4 整合素(整联蛋白）(integrin) 2、3、4的细胞粘着分子是钙依赖性的 而免疫球蛋白超家族是非钙依赖性的,4、细胞粘着分子的结构,1）都是跨膜糖蛋白 2）分子结构三部分组成： 胞外区： 肽链的N端部分，带有糖链，负责与配体的识别 跨膜区：多为一次跨膜 胞质区： 肽链的C端部分，或与骨架相连，或与胞内的信号分子相连,4、细胞粘附分子的作用机制,细胞粘附分子的作用机制有三种模式： 1）两相邻细胞表面的同种CAM分子间的相互识别与结合（亲同性粘

12、附） 2 两相邻细胞表面的不同种CAM分子间的相互识别与结合（亲异性粘附） 3 两相邻细胞表面的相同CAM分子借细胞外的连接分子相互识别与结合,细胞粘附分子的作用方式,一、钙粘素 （cadherin）,钙粘素属亲同性CAM，其作用依赖于Ca2 介导细胞粘着 （粘着带、桥粒）,钙粘着蛋白介导的细胞粘着,桥粒,粘着带,哺乳动物细胞表面的主要钙粘素分子,钙粘素的作用,1介导细胞连接： E-钙粘素是上皮细胞相互粘合（粘合带）的主要CAM 桥粒中的钙粘素是desmoglein及desmocollin 2参与细胞分化: 在发育过程中（上皮及神经组织）通过调控钙粘素表达的种类与数量可决定胚胎细胞间的相互作用

13、（粘合、分离、迁移、再粘合），从而通过细胞的微环境，影响细胞的分化，参与器官形成过程 3抑制细胞迁移:(癌侵袭与转移) 多种癌组织中细胞表面的E钙粘素减少或消失，以致癌细胞易从瘤块脱落,E钙粘素视为转移抑制分子,二、选择素（selectin）,选择素属亲异性CAM，其作用依赖于Ca2 1、作用 参与白细胞与脉管内皮细胞之间的识别与粘合,2、选择素种类,选择素有三种 L选择素、E选择素及P选择素 1） P选择素 A：部位 贮存于血小板的颗粒及内皮细胞的Weibel-Palade小体 B：作用 炎症时活化的内皮细胞表面首先出现P选择素，随后出现E选择素 有召集白细胞到达炎症部位的作用,2）E选择素

14、 A：部位 存在于活化的血管内皮细胞表面 B：作用 炎症组织释放的白细胞介素I（IL-1）及肿瘤坏死因子（TNF）等细胞因子可活化脉管内皮细胞，刺激E选择素的合成 有召集白细胞到达炎症部位的作用,3）L选择素 A：部位 广泛存在于各种白细胞的表面 B：作用 参与炎症部位白细胞的出脉管过程 白细胞表面L选择素分子上的sLeA与内皮细胞表面的P选择素及E选择素之间的识别与结合，可使血液中白细胞在炎症部位的脉管内皮上减速滚动（即通过粘附、分离、再粘附），最后穿过血管进入炎症部位,三、免疫球蛋白超家族（Ig-superfamily，Ig-SF）,免疫球蛋白超家族包括分子结构中含有免疫球蛋白（Ig）样结

15、构域的所有分子 一般不依赖于Ca2 免疫球蛋白样结构域指借二硫键维系的两组反向平行折叠结构,四、整合素(整联蛋白）(integrin),1、存在部位 几乎所有动植物细胞均表达 介导细胞间的及细胞与细胞外基质间的相互作用（粘合斑、半桥粒） 大多为亲异性细胞粘附分子 其作用依赖于Ca2,粘合斑,半桥粒,2、结构： A：跨膜的异质二聚体 B：由两个非共价结合的跨膜亚基：和亚基 C：胞外球形的头部，头部结合细胞外基质蛋白 D；胞内的尾部，同肌动蛋白相连,3、整联蛋白的亚单位和亚单位,鉴定到17种不同的亚单位和8种亚单位 1）亚单位： N端有结合二价阳离子的结构域，胞质区近膜处都有一保守的KXGFFKR

16、序列，与整合素活性的调节有关。 2）亚单位 含1亚单位的整合素主要介导细胞与细胞外基质成分之间的粘附 含2亚单位的整合素主要存在于各种白细胞表面，介导细胞间的相互作用 3亚单位的整合素主要存在于血小板表面，介导血小板的聚集，并参与血栓形成 4可与肌动蛋白及其相关蛋白质结合 64整合素以层粘连蛋白为配体，参与形成半桥粒,半桥粒处的64整合素,半桥粒,第三节 细胞外被与细胞外基质,细胞表面(cell surface)： 结构上:细胞外被和细胞质膜 功能上: 1 质膜功能的扩展，保护细胞，提供相对稳定的内环境 2 负责细胞内外的物质交换和能量交换 3 并通过表面结构进行细胞识别、信息的接收和传递、细

17、胞运动以及维护细胞的各种形态，且与免疫、癌变都有系,一、细胞外被(cell coat),1、概念 由覆盖在细胞表面的糖类构成，起保护层作用，这种保护层成为细胞外被 又称为糖萼（glycocalyx) 2、组成 糖蛋白和蛋白聚糖 都是在胞内合成，后分泌出来并附着到细胞质膜上,糖被（细胞外被）的结构和组成示意图,3、细胞外被的功能,1）保护作用: A：动物组织 如消化道、呼吸道、生殖腺等上皮细胞的外被有助于润滑、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 B：植物和细菌的细胞壁 保护细胞质膜和细胞器 赋予细胞以特定的形状 2）其它功能 参与细胞与环境的相互作用，物质交换 细胞识别等,植

18、物微生物的细胞外结构:细胞壁（略）,细胞壁的化学组成与结构 ： 1 纤维素(cellulose) 2 半纤维素(hemicellulose) 3 果胶(pectin) 4 木质素(lignin) 5 糖蛋白(glycoprotein),二、细胞外基质(extracellular matrix，ECM),1、细胞外基质概念 是由细胞合成并分泌到胞外、分布在细胞之间的蛋白质和多糖构成的网络结构 2、组成分类 一、胶原（collagen） 二、纤粘连蛋白（fibronectin，FN） 三、层粘连蛋白（laminin，LN） 四、氨基聚糖与蛋白聚糖 （glycosaminoglycan，GAG） （

19、proteoglycan） 五、弹性蛋白（elastin）,细胞外基质的组成,一、胶原（collagen）,1、特点 A：水不溶性纤维蛋白 ，占蛋白质总量的30上 B：遍布全身体内各种器官和组织，是细胞外基质中的框架结构 2、种类 已发现的至少有19种 、及型胶原为有横纹的纤维形胶原 3、结构特点 A：由三条相同或不同的肽链形成三股螺旋，三结构： 螺旋区，非螺旋区及球形结构域 B：各类胶原都有两个共同的特点 都是由三条肽链组成 各类胶原蛋白的氨基酸组成完全不同,4、胶原的结构（ 型胶原为例）,1）基本结构单位:原胶原 长300nm， 直径1.5nm A：型胶原的原纤维三股螺旋由二条1链及一条2

20、链构成 每条链约含1050个氨基酸残基 B：每条链由重复的Gly-X-Y序列构成 Gly 甘氨酸 X常为Pro（脯氨酸） Y常为羟脯氨酸或羟赖氨酸残基。 C：重复的Gly-X-Y序列使链卷曲为左手螺旋 三股左手螺旋再相互盘绕成右手超螺旋，即原胶原,5、脊椎动物胶原的合成与装配,胶原蛋白是核糖体上起始合成的-进入内质网，通过内质网和高尔基体的加工-最后分泌到细胞外基质中,装配过程中涉及的前体链、前胶原、胶原、胶原原纤维及胶原纤维的关系示于图,在胶原装配过程中加工修饰作用： 新生肽进入内质网后被信号肽酶切除信号肽，-将某些脯氨酸和赖氨酸进行羟基化，并将半乳糖添加到羟脯氨酸上,胶原分子在ER和高尔基

21、体中的修饰作用,6、胶原的作用,1）为胞外基质提供框架，决定其机械性质 A：坏血病成因 在脯氨酸及赖氨酸残基上进行羟基化修饰时，需经脯氨酰-4羟化酶及脯氨酰-3羟化酶的催化，维生素C是这两种酶必需的辅助因子。 维生素C缺乏导致胶原的不能羟化反应,不能形成正常的胶原原纤维，结果非羟化的前链在细胞内被降解 因而导致血管、肌腱、皮肤变脆，易出血,过度松弛皮肤症,这是1890年拍摄的“弹性皮肤人”的照片 是由于胶原装配不正确引起的遗传综合症,胶原的作用,2 胶原是骨、腱和皮肤组织中的主要蛋白，这些组织胶原含量高， 刚性及抗张力大。 3 胶原具有促进细胞生长的作用 如肝细胞等在含有胶原的培养基上生长较快 4 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 许多实验证明: 许多上皮细胞和内皮细胞经层粘连蛋白的介导可与型胶原粘连,二、纤粘连蛋白（fibronectin，FN）,1、部位 存在于所有脊椎动物，分子含糖4.59.5 2、分类 1）血浆FN 以可溶形式存在于血浆（03mg/ml）及各种体液中 2）细胞FN 以不溶形式存在于细胞外基质 上的不同而形成多种异型分子,3、结构,1）血浆FN（450KD）： 由二条相似的肽链在C端借二硫键联成的V字形二聚体。 2）细胞FN为多聚体 3）FN亚单位（20种以上）： 由同一基因编码，转录后由于拼接