第四章细胞质膜.ppt

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1、第二章 细胞质膜与细胞表面,第一节、细胞质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,1,生物膜细胞中各种重要膜细胞器的组成基础，生物膜在细胞膜和细胞器之间存在不停地膜交换。,2,第一节 细胞质膜与细胞表面特化结构,细胞的外围包有一层由脂双分子和蛋白质构成的单位膜称为细胞质膜(plasma membrane),又称细胞膜(cell membrane)。 细胞内膜(intracellular membrane); 生物膜(biomembrane) 质膜不仅是细胞把其内部与周围环境分开的边界，更重要的是，它是细胞与周围环境和细胞与细胞间进行物质交换和信息传递的重要通道。质

2、膜是细胞的一道可调控的动态屏障，对物质进出细胞运输有调控作用。 ,3, 一、 细胞质膜的结构模型 二、膜脂生物膜的基本组成成分 三、 膜蛋白 四、生物膜结构特征 五、细胞质膜的功能 六、膜骨架与细胞表面的特化结构,4,第二节 细胞连接,细胞与细胞间或细胞与细胞外基质的联结结构称为细胞连接（cell junction）。 封闭连接 (occluding junctions) 紧密连接(tight junction) 锚定连接(anchoring junctions) 通讯连接(communicating junctions) 间隙连接(gap junction)； 神经细胞间的化学突触(chem

3、ical synapse)； 植物细胞中的胞间连丝(plasmodesmata)。 细胞表面的粘连分子,5,一、细胞质膜的结构模型, 研究简史 结构模型 E.Gorter和FGrendel（1925）:“蛋白质-脂类-蛋白质”三夹板质膜结构模型 J.D.Robertson（1959年）：单位膜模型(unit membrane model) S.J.Singer和G.Nicolson（1972）：生物膜的流动镶嵌模型(fluid mosaic model) K.Simons et al(1997): 脂筏模型（lipid rafts model） Functional rafts in Cell

4、 membranes. Nature 387:569-572 生物膜结构,6,生物膜结构,磷脂双分子层是组成生物膜的基本结构成分,尚未发现膜结构中起组织作用的蛋白； 蛋白分子以不同方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面, 膜蛋白是赋予生物膜功能的主要决定者； 生物膜是磷脂双分子层嵌有蛋白质的二维流体。,7,二、膜脂生物膜的基本组成成分,成分：膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇三种类型。 膜脂的种热运动方式 沿膜平面的侧向运动（基本运动方式）,其扩散系数为10-8cm2/s； 脂分子围绕轴心的自旋运动； 脂分子尾部的摆动； 双层脂分子之间的翻转运动，发生频率还不到脂分子侧向交换频率的1010。但在内质

5、网膜上,新合成的磷脂分子翻转运动发生频率很高。 脂质体（liposome）,8,膜脂成分,磷脂：膜脂的基本成分（50以上） 分为二类: 甘油磷脂和鞘磷脂 主要特征：具有一个极性头和两个非极性的尾(脂肪酸链) （心磷脂除外）；脂肪酸碳链碳原子为偶数,多数碳链由16,18或20个组成；饱和脂肪酸(如软脂酸)及不饱和脂肪 酸(如油酸)； 糖脂：糖脂普遍存在于原核和真核细胞的质膜上（5以下）,神经细胞糖脂含量较高； 胆固醇：胆固醇存在于真核细胞膜上（30%以下），细菌质膜不含有胆固醇，但某些细菌的膜脂中含有甘油脂等中性脂类。,9,磷脂,1、甘油磷脂 以甘油为骨架的磷脂类，在骨架上结合两个脂肪酸链和一个

6、磷酸基团，胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇等分子籍磷酸基团连接到脂分子上。 主要类型有：磷脂酰胆碱（phosphatidyl choline，PC，旧称卵磷脂）、磷脂酰丝氨酸（phosphatidyl serine，PS）、磷脂酰乙醇胺（phosphatidyl ethanolamine ，PE，旧称脑磷脂）磷脂酰肌醇（phosphatidyl inositol，PI）和双磷脂酰甘油（DPG，旧称心磷脂）等。 2、鞘磷脂 鞘磷脂（Sphngomydins，SM）在脑和神经细胞膜中特别丰富，亦称神经醇磷脂，它是以鞘胺醇（Sphingoine）为骨架，与一条脂肪酸链组成疏水尾部，亲水头部也含胆碱与磷酸结

7、合。原核细胞和植物中没有鞘磷脂。,10,糖脂,糖脂是含糖而不含磷酸的脂类，普遍存在于原核和真核细胞的质膜上，其含量约占膜脂总量的5以下，在神经细胞膜上糖脂含量较高，约占5-10。糖脂也是两性分子。其结构与SM很相似，只是由一个或多个糖残基代替了磷脂酰胆碱而与鞘氨醇的羟基结合。,11,葡糖脑苷脂,脂质体（liposome）,脂质体是根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双层膜的趋势而制备的人工膜。 脂质体的类型。 脂质体的应用： 研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质； 脂质体中裹入DNA可用于基因转移； 在临床治疗中,脂质体作为药物或酶等载体。,12,三、膜蛋白,基本类型 外在(外周)膜蛋白(extrin

8、sic/peripheral membrane proteins )：水溶性蛋白,靠离子键或其它弱键与膜内表面的蛋白质分子或脂分子极性头部非共价结合，易分离。 内在（整合）膜蛋白(intrinsic/ integral membrane proteins)。 水不溶性蛋白，形成跨膜螺旋，与膜结合紧密，需用去垢剂(detergent)使膜崩解后才可分离。 脂质锚定蛋白（lipid-anchored proteins) 通过磷脂或脂肪酸锚定，共价结合。 膜蛋白与膜脂结合的方式 去垢剂 ：离子型去垢剂 SDS 非离子型去垢剂 TRITON X-100,13,膜的流动性： 膜流动性的生理意义 质膜的流

9、动性是保证其正常功能的必要条件。例如跨膜物质运输、细胞信息传递、细胞识别、细胞免疫、细胞分化以及激素的作用等等都与膜的流动性密切相关。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将停止，反之如果流动性过高，又会造成膜的溶解。 膜脂的流动 膜蛋白的流动 膜的不对称性 膜的分相现象。,14,生物膜结构的特征,膜的流动性,膜脂的流动性 侧向扩散;旋转运动;摆动运动;伸缩震荡;翻转运动;旋转异构; 影响膜流动性的因素: 影响膜流动的因素主要来自膜本身的组分，遗传因子及环境因子等。包括： 胆固醇：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。

10、 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：膜蛋白和膜脂的结合方式、温度、酸碱度、离子强度等。 膜蛋白的流动 主要有侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。可用荧光漂白技术和荧光抗体免疫标记实验、成斑现象(patching)或成帽现象(capping)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B能促进膜蛋白的侧向运动。,15,膜的不对称性,质膜的内外两层的组分和功能有明显的差异，称为膜的不对称性。 膜脂、膜蛋白和复合糖在膜上均呈不

11、对称分布，导致膜功能的不对称性和方向性，即膜内外两层的流动性不同。 细胞质膜各部分的名称 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。 膜脂与糖脂的不对称性 糖脂仅存在于质膜的ES面，是完成其生理功能的结构基础 膜蛋白与糖蛋白的不对称性 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； 糖蛋白糖残基均分布在质膜的ES面(GO+3HBH4 la

12、beling)；膜蛋白的不对称性是生物膜完成复杂的在时间与空间上有序的各种生理功能的保证。,16,七、细胞质膜的功能, 为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境; 选择性的物质运输,包括代谢底物的输入与代谢产物的排除,其中伴随着能量的传递; 提供细胞识别位点,并完成细胞内外信息跨膜传递; 为多种酶提供结合位点,使酶促反应高效而有序地进行; 介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接; 质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。,17,八、膜骨架与细胞表面的特化结构,膜骨架 膜骨架是指细胞质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构,它参与维持细胞质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。膜骨架位于细胞质膜

13、下约0.2m厚的溶胶层。 红细胞的生物学特性 成熟的动物血红细胞没有细胞核、细胞器和内膜系统，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）。 红细胞质膜蛋白及膜骨架 膜骨架赋予红细胞质膜既有很好的弹性又具有较高强度。,18,红细胞质膜蛋白及膜骨架,红细胞质膜蛋白的SDS-PAGE SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳分析结果表明，红细胞膜蛋白主要成分包括：血影蛋白（spectrin）、锚蛋白（ankyrin）、带4.2蛋白（band 4.2）、带4.1蛋白（band 4.1）、短肌动蛋白（short actin）、带3蛋白和血型糖蛋白（g

14、lycophorin）。血影蛋白和肌动蛋白是外周蛋白，去除后血影的形状变得不规则，膜蛋白的流动性增强。血型糖蛋白和带3蛋白为整合蛋白，经TritonX-100处理，此二带消失但血影仍维持原来的形状。 血影蛋白四聚体游离端与短肌动蛋白纤维（约1315单体）相连，形成血影蛋白网络。并通过带4.1蛋白与血型糖蛋白连结，通过锚蛋白与带3蛋白相连。 红细胞膜骨架的结构,19,封闭连接,紧密连接是封闭连接的主要形式，普遍存在于脊椎动物体表及体内各种腔道和腺体上皮细胞之间。 紧密连接的结构：在电镜下可以看到连接区域具有蛋白质形成的焊接线网络，焊接线也称嵴线，封闭了细胞与细胞之间的空隙。上皮细胞层对小分子的透

15、性与嵴线的数量有关，有些紧密连接甚至连水分子都不能透过。,20,锚定连接(anchoring junctions),锚定连接在组织内分布很广泛,在上皮组织,心肌和子宫颈等组织中含量尤为丰富。通过锚定连接将相邻细胞的骨架系统或将细胞与基质相连形 成一个坚挺、有序的细胞群体。 锚定连接的类型、结构与功能 与中间纤维相连的锚定连接 桥粒(desmosome):铆接相邻细胞，提供细胞内中间纤维的锚定位点，形成整体网络，起支持和抵抗外界压力与张力的作用。 半桥粒(hemidesm osome):半桥粒与桥粒形态类似,但功能和化学组成不同。它通过细胞质膜上的膜蛋白整合素将上皮细胞固着在基底膜上, 在半桥粒

16、中，中间纤维不是穿过而是终止于半桥粒的致密斑内。 与肌动蛋白纤维相连的锚定连接 粘合带(adhesion belt)：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,也称带状桥粒(belt desmosome)。 粘合斑(focal adhesion):细胞通过肌动蛋白纤维和整连蛋白与细胞外基质之间的连接方式。,21,通讯连接,间隙连接：分布广泛，几乎所有的动物组织中都存在间隙连接。 神经细胞间的化学突触 存在于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导神经冲动。 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。 胞间连丝结构：相邻细

17、胞质膜共同构成的直径20-40nm的 管状结构 胞间连丝的功能： 实现细胞间由信号介导的物质有择性的转运；实现细胞间的电传导；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。,22,间隙连接,间隙连接结构 ： 间隙连接处相邻细胞质膜间的间隙为23nm 。 连接子(connexon) 是间隙连接的基本单位。每个连接子由6个connexin分子组成。连接子中心形成一个直径约1.5nm的孔道。 连接单位由两个连接子对接构成。 间隙连接的蛋白成分 已分离20余种构成连接子的蛋白,属同一蛋白家族, 一级结构比较保守, 并有相似的抗原性。不同类型细胞表达不同的连接子蛋白，他们所装配的间隙连接

18、的孔径与调控机制有所不同。 间隙连接的功能及其调节机制 ,23,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。 代谢偶联作用在协调细胞群体的生物学功能方面起重要作用. 间隙连接在神经冲动信息传递过程中的作用 电突触(electronic junction) 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 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提供信号物质的通路, 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。 间隙连接的通透性是可以调节的 降低胞质中的

19、pH值和提高自由Ca2+的浓度都可以使其通透性降低 间隙连接的通透性受两侧电压梯度的调控及细胞外化学信号的调控,24,细胞表面的粘连分子,同种类型细胞间的彼此粘连是许多组织结构的基本特征。细胞与细胞间的粘连是由特定的细胞粘连分子所介导的。 细胞粘附分子都是跨膜糖蛋白，分子结构由三部分组成：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，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。 类型： 钙粘素（Cadherins）； 选择素（Selectin）； 免疫球蛋白超家族的CAM(Ig-Superfamil

20、y，IgSF)； 整合素（Integrins）； 质膜整合蛋白聚糖也介导细胞间的粘着,25,26,细胞中主要的粘连分子家族,第三节 细胞外被与细胞外基质, 基本概念 胶原(collagen) 氨基聚糖和蛋白聚糖 层粘连蛋白和纤粘连蛋白 弹性蛋白(elastin),27,一、基本概念,细胞外被(cell coat)又称糖萼(glycocalyx) 结构组成： 指细胞质膜外表面覆盖的一层粘多糖物质，用重金属染料如：钌红染色后，在电镜下可显示厚约1020nm的结构，边界不甚明确。细胞外被实际上是由构成质膜的糖蛋白和糖脂伸出的寡糖链组成的，实质上是质膜结构的一部分。 功能： 不仅对膜蛋白起保护作用,而

21、且在细胞识别中起重要作用。 细胞外基质(extracellular matrix) 结构组成： 指分布于细胞外空间, 由细胞分泌的蛋白和多糖所构成的错综复杂的网络结构。 主要功能： 构成支持细胞的框架，负责组织的构建； 胞外基质三维结构及成份的变化,改变细胞微环境从而对细胞形态、生长、分裂、分化和凋亡起重要的调控作用。 胞外基质的信号功能。 构成细胞外基质的大分子：四大类：胶原、非胶原糖蛋白、氨基聚糖与蛋白聚糖、以及弹性蛋白。,28,二、胶原(collagen),胶原是动物体内含量最丰富的蛋白质，约占人体蛋白质总量的30以上。它遍布于体内各种器官和组织，是细胞外基质中的框架结构，可由成纤维细胞

22、、软骨细胞、成骨细胞及某些上皮细胞合成并分泌到细胞外。 常见的胶原类型及其在组织中的分布 胶原及其分子结构 胶原的合成与加工 胶原的功能 胶原在胞外基质中含量最高,刚性及抗张力强度最大,构成细胞外基质的骨架结构,细胞外基质中的其它组分通过与胶原结合形成结构与功能的复合体。,29,三、氨基聚糖和蛋白聚糖,氨基聚糖(glycosaminoglycan,GAGs) 蛋白聚糖(proteoglycan),30,四、层粘连蛋白和纤粘连蛋白,层粘连蛋白(laminin) 纤粘连蛋白(fibronectin),31,五、弹性蛋白(elastin),弹性蛋白是弹性纤维的主要成分；主要存在于脉管壁及肺。 弹性纤

23、维与胶原纤维共同存在,分别赋予组织以弹性及抗张性。 弹性蛋白是高度疏水的非糖基化蛋白，具有两个明显的特征: 构象呈无规则卷曲状态; 通过Lys残基相互交连成网状结构。,32,常见的胶原类型及其在组织中的分布,胶原是细胞外基质中最主要的水不溶性纤维蛋白； 型胶原含量最丰富,形成类似的纤维结构；但并非所有胶原都形成纤维； 型胶原纤维束, 主要分布于皮肤、肌腱、韧带及骨中,具有很强的抗张强度; 型胶原主要存在于软骨中; 型胶原形成微细的原纤维网,广泛分布于伸展性的组织,如疏松结缔组织; 型胶原形成二维网格样结构,是基膜的主要 成分及支架。,33,胶原的分子结构,胶原纤维的基本结构单位是原胶原； 原胶

24、原是由三条肽链盘绕成的三股螺旋结构； 原胶原肽链具有Gly-x-y重复序列，X常为Pro（脯氨酸），Y常为羟脯氨酸或羟赖氨酸残基。重复的Gly-X-Y序列使链卷曲为左手螺旋，每圈含3个氨基酸残基。三股这样的螺旋再相互盘绕成右手超螺旋，即原胶原。 原胶原分子间通过侧向共价交联，相互呈阶梯式有序排列聚合成直径50200nm、长150nm至数微米的原纤维，在电镜下可见间隔67nm的横纹。胶原原纤维中的交联键是由侧向相邻的赖氨酸或羟赖氨酸残基氧化后所产生的两个醛基间进行缩合而形成的。,34,胶原的合成与加工,前体肽链在粗面内质网合成，并形成前原胶原 (preprocollagen)； 前原胶原(pre

25、procollagen)是原胶原的前体和分泌形式， 在粗面内质网合成、加工与组装，经高尔基体分泌； 前原胶原在细胞外由两种专一性不同的蛋白水解酶作用, 分别切去N-末端前肽及C-末端前肽, 成为原胶原（procollagen）； 原胶原进而聚合装配成胶原原纤维（collagen fibril）和胶原纤维（collagen fiber）。,35,氨基聚糖（glycosaminoglycan，GAG）,氨基聚糖是由重复的二糖单位构成的长链多糖 二糖单位之一是氨基己糖 (氨基葡萄糖或氨基半乳糖) + 糖醛酸; 氨基聚糖的分子特性及组织分布 透明质酸(hyaluronic acid)及其生物学功能 透

26、明质酸是增殖细胞和迁移细胞的胞外基质主要成分,也是蛋白聚糖的主要结构组分 透明质酸在结缔组织中起强化、弹性和润滑作用 透明质酸使细胞保持彼此分离,使细胞易于运动迁移和增殖并阻止细胞分化,36,37,氨基聚糖的分子特性及组织分布,蛋白聚糖（proteoglycan）,蛋白聚糖见于所有结缔组织和细胞外基质及许多细胞表面 蛋白聚糖由氨基聚糖与核心蛋白(core protein)的丝氨酸残基共价连接形成的巨分子 若干蛋白聚糖单体借连接蛋白以非共价键与透明质酸结合形成多聚体 蛋白聚糖的特性与功能 显著特点是多态性：不同的核心蛋白, 不同的氨基聚糖； 软骨中的蛋白聚糖是最大巨分子之一, 赋予软骨以凝胶样特

27、性和抗变形能力； 蛋白聚糖可视为细胞外的激素富集与储存库，可与多种生长因子结合，完成信号的传导。,38,层粘连蛋白(laminin),层粘连蛋白是高分子糖蛋白（820KD）,动物胚胎及成体组织的基膜的主要结构组分之一； 层粘连蛋白的结构由一条重链和两条轻链构成 细胞通过层粘连蛋白锚定于基膜上； 层粘连蛋白中至少存在两个不同的受体结合部位： 与型胶原的结合部位； 与细胞质膜上的整合素结合的 Arg-Gly-Asp(R-G-D)序列。 层粘连蛋白在胚胎发育及组织分化中具有重要作用；层粘连蛋白也与肿瘤细胞的转移有关。,39,纤粘连蛋白(fibronectin),纤粘连蛋白是高分子量糖蛋白（220-2

28、50KD） 纤粘连蛋白的主要功能： 介导细胞粘着，进而调节细胞的形状和细胞骨架的组织,促进细胞铺展； 在胚胎发生过程中,纤粘连蛋白对于许多类型细胞的迁移和分化是必须的； 在创伤修复中,纤粘连蛋白促进巨噬细胞和其它免疫细胞迁移到受损部位； 在血凝块形成中,纤粘连蛋白促进血小板附着于血管受损部位。,40,1. 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 & F. Grendel 1925 用有机溶剂提取了人类红细胞质膜的脂类成分，将其铺展在水面，测出膜脂展开的面积二倍

29、于细胞表面积，因而推测细胞膜由双层脂分子组成。 3. J. Danielli & 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，从而提出了”蛋白质-脂类-蛋白质”的三明治模型。认为质膜由双层脂类分子及其内外表面附着的蛋白质构成的。1959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道，供亲水物质通过。 4. 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，厚约7.5nm。这就是所谓的“单位膜”模型。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。单位膜模型

30、的不足之处在于把膜的动态结构描写成静止的不变的。 5. 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，在”单位膜”模型的基础上提出”流动镶嵌模型”。强调膜的流动性和膜蛋白分布的不对称性。 6. K.Simons et al(1997): 脂筏模型（lipid rafts model） Functional rafts in Cell membranes. Nature 387:569-572,41,42,43,44,45,糖脂的结构 1. 半乳糖脑苷脂，2. GM1神经节苷脂，3. 唾液酸,46,47,脂质体的类型,48,(a)水溶液中的磷脂分子团； (b)球形脂质体； (c)平面脂质体膜； (d）用于疾病治疗的脂质体的示意图,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,66,67,膀胱上皮细胞表面的糖被，钌红染色的电镜超薄切片 （梁凤霞，丁明孝）,68,69,70,71,（a）胶原纤维的分子结构与形成过程()； （b）胶原纤维的电镜照片,72,73,74,75,