第四章

細胞膜與細胞表面細胞膜上——細胞膜與膜骨架細胞膜之間——多種細胞連接細胞膜外——細胞外被和細胞外基質第一節 細胞膜與膜骨架細胞膜的結構模型細胞膜的化學組成細胞膜的特性以及功能膜骨架一、細胞膜的結構模型及特點細胞膜結構的研究歷史1.

E.Overton1895推測細胞膜由連續的脂類物質組成。疏水(hydrophobic)

2.

E.Gorter&F.Grendel1925推測細胞膜由雙層脂分子組成。3.

J.Danielli&H.Davson1935提出了”蛋白質-脂類-蛋白質”的三明治模型。認為質膜由雙層脂類分子及其內外表面附著的蛋白質構成的。1959年提出了修正模型，認為膜上還具有貫穿脂雙層的蛋白質通道，供親水物質通過。4.

J.D.Robertson1959用超薄切片技術獲得了清晰的細胞膜照片，顯示暗-明-暗三層結構，厚約7.5nm。這就是所謂的“單位膜”模型。它由厚約3.5nm的雙層脂分子和內外表面各厚約2nm的蛋白質構成。5.

S.J.Singer&G.Nicolson1972根據免疫熒光技術、冰凍蝕刻技術的研究結果，在”單位膜”模型的基礎上提出”流動鑲嵌模型”。6.K.Simonsetal(1999):脂筏模型（lipidraftsmodel）

FunctionalraftsinCellmembranes.Nature387:569-572生物膜結構認識的歸納磷脂雙分子層是組成生物膜的基本結構成分蛋白分子以不同方式鑲嵌在脂雙層分子中或結合在其表面,膜蛋白是賦予生物膜功能的主要決定者生物膜是磷脂雙分子層嵌有蛋白質的二維流體。二、膜的化學組成膜的類別蛋白質脂類糖髓鞘人紅細胞小鼠肝細胞變形蟲鹽桿菌紫膜線粒體內膜菠菜葉綠體片層膜18494454757670794352422524303844000脂類約50％、蛋白質40％、糖1－10％膜的化學組成比例隨著膜的種類不同而有很大不同（一）膜脂——生物膜的基本組成成分分類：磷脂：分為甘油磷脂和鞘磷脂，占到50%以上糖脂：5%以下；5%-10%膽固醇：≤1/3卵磷脂：示意圖(A),分子式(B),空間結構(C),標志(D).

磷脂分子的結構特征：

a.一般有一個極性頭（磷酸和堿基）和兩個非極性的尾（脂肪酸鏈），具有雙親性；b.脂肪酸碳鏈為偶數；c.含有飽和脂肪酸和不飽和脂肪酸。糖脂糖脂也是兩性分子，結構與磷脂相似，是鞘氨醇的衍生物。最簡單的糖脂是半乳糖腦苷脂，它只有一個半乳糖殘基作為極性頭部；變化最多、最復雜的糖脂是神經節苷脂。兒童所患的家族性白癡?。═ay-sachsdisease）和神經節苷脂有關。神經節苷脂本身還是一類膜上的受體，破傷風毒素、霍亂毒素、干擾素等的受體就是不同的神經節苷脂。ABO血型膽固醇只存在于真核細胞膜上，含量一般不超過膜脂的1/3，植物細胞膜中含量較少。功能是調節脂雙層流動性，提高脂雙層的穩定性，降低水溶性物質的通透性

側向擴散：同一平面上相鄰的脂分子交換位置。旋轉運動：膜脂分子圍繞與膜平面垂直的軸進行快速旋轉。擺動運動：膜脂分子圍繞與膜平面垂直的軸進行左右擺動。伸縮震蕩：脂肪酸鏈沿著與縱軸進行伸縮震蕩運動。翻轉運動：膜脂分子從脂雙層的一層翻轉到另一層。是在翻轉酶（flippase）的催化下完成。旋轉異構：脂肪酸鏈圍繞C-C鍵旋轉，導致異構化運動。膜脂的運動方式脂質體（liposome）

脂質體是根據磷脂分子可在水相中形成穩定的脂雙層膜的趨勢而制備的人工膜。(a)水溶液中的磷脂分子團；(b)球形脂質體；(c)平面脂質體膜；(d）用于疾病治療的脂質體的示意圖脂質體的應用研究膜脂與膜蛋白及其生物學性質；脂質體中裹入DNA可用于基因轉移；在臨床治療中,脂質體作為藥物或酶等載體膜脂的功能：1）支撐，膜脂是細胞膜結構的骨架；2）維持構象并為膜蛋白行使功能提供環境；3）是部分酶行使功能所必需的。（二）膜蛋白基本類型

內在（整合）膜蛋白(intrinsic/integralmembraneproteins)。

水不溶性蛋白，形成跨膜螺旋，與膜結合緊密，需用去垢劑使膜崩解后才可分離。①②

外在(外周)膜蛋白(extrinsic/peripheralmembraneproteins)： 水溶性蛋白,靠離子鍵或其它弱鍵與膜表面的蛋白質分子或脂分子極性頭部非共價結合，易分離。③④⑤⑥去垢劑去垢劑是一端親水、另一端疏水的兩性小分子,是分離與研究膜蛋白的常用試劑。離子型去垢劑(SDS)非離子型去垢劑（TritonX-100）. 去污劑的非極性末端結合蛋白的非極性殘基，極性端溶解到溶液中，蛋白不被破壞。三、生物膜的特性與功能生物膜的特性

膜的流動性：膜脂的流動膜蛋白的流動

膜的不對稱性：膜脂的不對稱膜蛋白的不對稱生物膜的功能

膜脂的流動性膜脂的流動性的產生————膜脂分子的側向運動.膜脂流動性的影響因素1脂分子本身性質（脂肪酸鏈越短,不飽和程度越高,膜脂的流動性越大）。2溫度（溫度高，流動性大）3膽固醇（雙重調節作用，穩定脂雙層）膜蛋白的流動性膜蛋白流動性的產生————自發熱運動膜蛋白的流動實驗證據

熒光抗體免疫標記實驗成斑現象(patching)或成帽現象(capping)

光脫色恢復技術

熒光抗體免疫標記實驗成斑和成帽現象：在某些細胞中，當熒光抗體時間繼續延長，已經均勻分布在細胞表面的標記熒光會重新分布，聚集在細胞表面的某些部位，即成斑現象；或聚集在細胞的一端，即成帽現象。光脫色恢復技術（FRAP）膜蛋白的流動性膜蛋白流動性的產生————自發熱運動膜蛋白的流動實驗證據 熒光抗體免疫標記實驗成斑現象(patching)或成帽現象(capping)光脫色恢復技術

膜蛋白流動性的影響因素細胞骨架；膜蛋白與膜脂分子的相互作用；溫度物質運輸信息傳遞各種生化反應發育不同時期膜的流動性不同膜的流動性與生命活動：質膜的流動性是保證其正常功能的必要條件膜的不對稱性細胞質膜各部分的名稱細胞膜：細胞外表面ES，質膜原生質表面PS（細胞外小頁斷裂面EF，原生質小頁斷裂面PF）膜的不對稱性細胞質膜各部分的名稱膜脂與糖脂的不對稱性

糖脂僅存在于質膜的ES面，是完成其生理功能的結構基礎膜蛋白與糖蛋白的不對稱性

（1）膜蛋白的不對稱性是指每種膜蛋白分子在細胞膜上都具有明確的方向性；（2）糖蛋白糖殘基均分布在質膜的ES面；（3）膜蛋白的不對稱性是生物膜完成復雜的在時間與空間上有序的各種生理功能的保證。PE:磷脂酰乙醇胺Cl:膽固醇PI:磷脂酰肌醇SM：鞘磷脂PC:磷脂酰膽堿PS:磷脂酰絲氨酸細胞膜的功能為細胞的生命活動提供相對穩定的內環境；選擇性的物質運輸,包括代謝底物的輸入與代謝產物的排除,其中伴隨著能量的傳遞；提供細胞識別位點,并完成細胞內外信息跨膜傳遞；為多種酶提供結合位點,使酶促反應高效而有序地進行；介導細胞與細胞、細胞與基質之間的連接；質膜參與形成具有不同功能的細胞表面特化結構。細胞膜上——細胞膜與膜骨架細胞膜之間——多種細胞連接細胞膜外——細胞外被和細胞外基質第二節細胞連接封閉連接(occludingjunctions)錨定連接(anchoringjunctions)通訊連接(communicatingjunctions)

封閉連接:

緊密連接錨定連接

橋粒，半橋粒；粘著帶，粘著斑通訊連接

間隙連接；胞間連絲；化學突觸一、封閉連接（occludingjunctions）封閉連接將相鄰的質膜緊密連接在一起阻止溶液中的分子沿細胞間隙滲入體內。主要形式：緊密連接（tightjunction）

主要存在于脊椎動物的上皮細胞。緊密連接的主要作用是封閉相鄰細胞間的接縫，防止溶液中的分子沿細胞間隙滲入體內，從而保證了機體內環境的相對穩定。緊密連接具有封閉（阻止可溶性物質的擴散）、隔離（將上表皮細胞的游離端與基底面細胞膜上的膜蛋白相互隔離）以保持上皮細胞極性的功能。緊密連接

嵴線：數量決定封閉程度構成嵴線的兩種蛋白： occludin和claudin二、錨定連接分布：錨定連接在組織內分布很廣泛,在上皮組織,心肌和子宮頸等組織中含量尤為豐富分類：與中間纖維相連的錨定連接——橋粒、半橋粒與肌動蛋白纖維相連的錨定連接——粘著帶、粘著斑蛋白組成：細胞內附著蛋白(attachmentproteins)：將特定的細胞骨架成分(中間纖維或微絲)同連接復合體結合在一起跨膜連接的糖蛋白：其細胞內的部分與附著蛋白相連,細胞外的部分與相鄰細胞的跨膜連接糖蛋白相互作用或與胞外基質相互作用。橋粒（desmosome）是相鄰細胞間形成的紐扣式結構。通過質膜下的致密斑向內連接中間纖維，向外連接鈣粘素。間隙30nm。主要分布在承受拉力的組織中，如皮膚、口腔、血管和心肌中。半橋粒（hemidesmosome）位于上皮細胞基面與基膜之間，它與橋粒的不同之處在于：①只在質膜內側形成橋粒斑結構，其另一側為基膜；②穿膜連接蛋白為整合素而不是鈣粘素。橋粒與半橋粒橋粒:鉚接相鄰細胞，提供細胞內中間纖維的錨定位點，形成整體網絡，起支持和抵抗外界壓力與張力的作用。半橋粒：與橋粒形態類似,但功能和化學組成不同。它通過細胞質膜上的膜蛋白整合素將上皮細胞固著在基底膜上,在半橋粒中，中間纖維不是穿過而是終止于半橋粒的致密斑內。粘著帶與粘著斑

粘著帶（adhesionbelt）呈帶狀環繞細胞，一般位于上皮細胞頂側面的緊密連接下方。在粘合帶處相鄰細胞的間隙約15～20nm。粘著帶處的質膜下方有與質膜平行排列的肌動蛋白束，鈣粘蛋白通過附著蛋白與肌動蛋白束相結合。（中間連接或者帶狀橋粒）

粘著斑（adhesionplaque）位于細胞與細胞外基質間，通過整合素（integrin）把細胞中的肌動蛋白束和基質連接起來。連接處的質膜呈盤狀，稱為粘著斑。粘著帶：

相鄰細胞間形成一個連續的帶狀結構,也稱帶狀橋粒(beltesmosome)粘著斑:細胞通過肌動蛋白纖維和整合素與細胞外基質之間的連接方式。三、通訊連接間隙連接：分布廣泛，幾乎所有的動物組織中都 存在間隙連接。胞間連絲：高等植物細胞之間通過胞間連絲相互 連接,完成細胞間的通訊聯絡?；瘜W突觸：存在于可興奮細胞之間的細胞連接方 式,它通過釋放神經遞質來傳導神經 沖動。

1.間隙連接

間隙連接結構間隙連接的蛋白成分間隙連接的功能及其調節機制間隙連接結構間隙連接處相鄰細胞質膜間的間隙為2～3nm。連接子(connexon)是間隙連接的基本單位。每個連接子由6個connexin分子組成。連接子中心形成一個直徑約1.5nm的孔道。連接單位由兩個連接子對接構成。間隙連接的蛋白成分

已分離20余種構成連接子的蛋白,屬同一蛋白家族,其分子量26—60KD不等；連接子蛋白具有4個α-螺旋的跨膜區，是該蛋白家族最保守的區域。連接子蛋白的一級結構都比較保守,并有相似的抗原性。不同類型細胞表達不同的連接子蛋白，間隙連接的孔徑與調控機制有所不同。間隙連接的功能間隙連接在代謝偶聯中的作用 間隙連接允許小分子代謝物和信號分子通過,是細胞間代謝偶聯的基礎 協調細胞群體的生物學功能.

間隙連接在神經沖動信息傳遞過程中的作用 電突觸(electronicjunction)快速實現細胞間信號通訊

間隙連接在早期胚胎發育和細胞分化過程中的作用 胚胎發育中細胞間的偶聯提供信號物質的通路,從而為某一特定細胞提供它的“位置信息”，并根據其位置影響其分化。 腫瘤細胞之間間隙的連接明顯減少或消失，間隙聯接類似

“腫瘤抑制因子”。

間隙連接的調節機制 分子量大小，自由Ca2+的濃度、胞質中的pH值、兩側電壓梯度、細胞外化學信號2.胞間連絲胞間連絲結構

相鄰細胞質膜共同構成的直徑20-40nm的管狀結構胞間連絲的功能

實現細胞間由信號介導的物質有擇性的轉運；

實現細胞間的電傳導；

在發育過程中，胞間連絲結構的改變可以調節植物細胞間的物質運輸。胞間連絲的通透性可調控相鄰細胞質膜共同構成的直徑20-40nm的管狀結構3.化學突觸存在于可興奮細胞之間的細胞連接方式,通過釋放神經遞質來傳導神經沖動。幾類細胞連接的比較同種類型細胞間的彼此粘連是許多組織結構的基本特征。細胞與細胞間的粘連是由特定的細胞粘連分子所介導的。四、細胞表面的粘著因子細胞表面的粘著因子細胞粘著因子（celladhesionmolecule，CAM）是參與細胞與細胞之間及細胞與細胞外基質之間相互作用的分子。CAM均為跨膜糖蛋白，分子結構由三部分組成：①胞外區，肽鏈的N端部分，帶有糖鏈，負責與配體的識別；②跨膜區，多為一次跨膜；③胞質區，肽鏈的C端部分，一般較小，或與質膜下的骨架成分直接相連，或與胞內的化學信號分子相連，以活化信號轉導途徑。

可大致分為五類：鈣粘素、選擇素、免疫球蛋白超家族、整合素及質膜蛋白聚糖。主要類型

鈣粘素（Cadherins）：同親性依賴Ca2+的細胞粘連糖蛋白；對胚胎發育中的細胞識別、遷移和組織分化以及成體組織器官構成具有主要作用；介導橋粒和粘著帶。選擇素（Selectin）：異親性依賴于Ca2+的能與特異糖基識別并相結合的糖蛋白；主要參與血細胞與脈管內皮細胞之間的暫時粘著。鈣粘素結構模型選擇素結構模型整合素（Integrins）：由（16）和（8）兩個亞基形成的異源二聚體糖蛋白在細胞內外信號轉導中起重要作用介導半橋粒和粘著斑依賴于Ca2+和Mg2+免疫球蛋白超家族的CAM(Ig-Superfamily，IgSF)：具有與免疫球蛋白類似的結構域的CAM超家族。介導同親性細胞粘著或異親性細胞粘著粘著作用不依賴Ca2+N-CAMs在神經組織細胞間的粘著中起主要作用。

免疫球蛋白超家族整合素第三節細胞外被與細胞外基質一、基本概念二、動物細胞外基質組成1結構蛋白：膠原(collagen)和彈性蛋白(elastin)2蛋白聚糖和糖胺聚糖3層粘連蛋白和纖粘連蛋白

三、植物細胞壁細胞外被(cellcoat)又稱糖萼(glycocalyx)結構組成：指細胞表面與質膜中的蛋白或脂類分子共價結合的寡糖鏈。（細胞膜的正常結構組分）功能： 對膜蛋白起保護作用在細胞識別中起重要作用細胞外基質(extracellularmatrix)

結構組成：指分布于細胞外空間,由細胞分泌的蛋白和多糖所構成的網絡結構

主要功能：

構成支持細胞的框架，負責組織的構建；

胞外基質三維結構及成份的變化,會改變細胞微環境從而對細胞形態、生長、分裂、分化和凋亡起重要的調控作用。

胞外基質的信號功能名稱 組成功能

細胞外被(cellcoat)又稱糖萼(glycocalyx)糖蛋白、糖脂保護作用、細胞識別細胞外基質（ECM）分泌蛋白、多糖支持作用、信號功能

細胞外被與細胞外基質的比較二、ECM組成成分1、膠原

膠原是胞外基質最基本結構成份之一，動物體內含量最豐富的蛋白（總量的25％以上），細胞外基質中最主要的水不溶性纖維蛋白。主要類型：Ⅰ～Ⅲ型膠原含量最豐富,形成類似的纖維結構；但并非所有膠原都形成纖維；Ⅰ型膠原纖維束,主要分布于皮膚、肌腱、韌帶及骨中Ⅱ型膠原主要存在于軟骨中;Ⅲ型膠原廣泛分布于伸展性的組織,如疏松結締組織;Ⅳ型膠原是基膜的主要成分及支架。膠原的功能：剛性及抗張力強度最大,構成細胞外基質的骨架結構,細胞外基質中的其它組分通過與膠原結合形成結構與功能的復合體在不同組織中，膠原組裝成不同的纖維形式,以適應特定功能的需要；膠原可被膠原酶特異降解，而參入胞外基質信號傳遞的調控網絡中。膠原的合成與加工

細胞核

↓細胞基質

↓粗面內質網（羥化、糖基化）↓高爾基體

↓細胞外（去NC端、聚合、醛化）彈性蛋白是彈性纖維的主要成分，高度疏水的非糖基化蛋白主要存在于脈管壁及肺，彈性纖維與膠原纖維共同存在,分別賦予組織以彈性及抗張性。兩個明顯的特征：構象呈無規則卷曲狀態;通過Lys殘基相互交連成網狀結構。彈性蛋白2糖胺聚糖結構：

由重復的二糖單位構成的長鏈多糖 氨基己糖(氨基葡萄糖或氨基半乳糖) +糖醛酸分類：透明質酸、4-硫酸軟骨素、6-硫酸軟骨素、硫酸皮膚素、硫酸乙酰肝素、肝素和硫酸角質素等。功能（透明質酸）：在結締組織中起強化、彈性和潤滑作用，使組織具有抗壓能力。協助細胞增殖和遷移細胞蛋白聚糖的主要結構組分分布：見于所有結締組織和細胞外基質及許多細胞表面組成：

氨基聚糖 蛋白聚糖單體非共價連接

絲氨酸殘基 蛋白聚糖多聚體 核心蛋白 共價連接 中心組分（透明質酸）多態性：不同的核心蛋白,不同的氨基聚糖軟骨中的蛋白聚糖是最大巨分子之一，賦予軟骨凝膠樣特性和抗變形能力；與多種生長因子結合，介導完成信號轉導。蛋白聚糖3層粘連蛋白(laminin)分布：

層粘連蛋白是高分子非膠原糖蛋白（820KD）,動物胚胎及成體組織的基膜的主要結構組分之一。結構：由一條重鏈和兩條輕鏈構成

層粘連蛋白中至少存在兩個不同的受體結合部位：與Ⅳ型膠原的結合部位；與細胞質膜上的整合素結合的