細胞質(zhì)膜與細胞外基質(zhì)x

1、陳雅茜陳雅茜 一、一、細胞質(zhì)膜細胞質(zhì)膜 二、細胞外被與細胞外基質(zhì) 細胞質(zhì)膜又稱細胞膜細胞質(zhì)膜又稱細胞膜（一）細胞膜的化學組成（二）細胞膜的結(jié)構(gòu)模型（三）細胞膜的基本特征與功能l細胞膜常常被脂類溶劑（如苯和四氯化碳）、蛋白酶細胞膜常常被脂類溶劑（如苯和四氯化碳）、蛋白酶（卵磷脂酶）以及蛋白質(zhì)作用試劑（如多羥基苯酚）處（卵磷脂酶）以及蛋白質(zhì)作用試劑（如多羥基苯酚）處理后破壞或溶解，理后破壞或溶解，推測細胞膜的化學組成主要是脂類和推測細胞膜的化學組成主要是脂類和蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)。l質(zhì)膜除了主要含有膜脂和膜蛋白成分外，另外還有質(zhì)膜除了主要含有膜脂和膜蛋白成分外，另外還有少少量糖量糖，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，脂類約占脂類約占50，蛋白質(zhì)約占，蛋白質(zhì)約占40，糖類約占，糖類約占210。（1）組成細胞膜的膜脂主要包括磷脂和膽固醇二類。 磷脂：構(gòu)成了膜脂的磷脂：構(gòu)成了膜脂的基本成分，約占整個膜基本成分，約占整個膜脂的脂的50以上?？煞譃橐陨稀？煞譃楦视土字视土字ò字＃ò字Ｄ憠A卵磷脂，磷脂酰膽堿卵磷脂，磷脂酰絲氨酸，磷脂酰乙醇胺絲氨酸，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。 膽固醇：整個分子膽固醇：整個分子分分3部分：羥基團組部分：羥基團組成的親水的極性頭部、成的親水的極性頭部、疏水的非極性的類固疏水的非極性

3、的類固醇環(huán)結(jié)構(gòu)和一個非極醇環(huán)結(jié)構(gòu)和一個非極性的碳氫尾部。性的碳氫尾部。膽固膽固醇醇的分子較其他膜脂的分子較其他膜脂要小，雙親性較低。要小，雙親性較低。（2）膜脂在細胞膜中的4種熱運動方式 脂分子的側(cè)向運動； 脂分子的自旋運動； 脂分子的尾部擺動； 脂分子的翻轉(zhuǎn)運動。（3）脂質(zhì)體l脂質(zhì)體（liposome）是根據(jù)磷脂分子可在水相中形成穩(wěn)定的脂雙膜的趨勢而制備的一種人工膜。l單層脂分子鋪展在水面上時，其極性親水頭部插入水相，而非極性尾部面向空氣界面，攪動后形成極性端向外而非極性端在內(nèi)部的脂分子團或雙層脂分子的球形脂質(zhì)體，直徑251000nm不等。l脂質(zhì)體不但是研究膜脂與膜蛋白及其生物學性質(zhì)的好材料

4、，而且可利用能與細胞膜融合的特點，將基因或藥物送入細胞內(nèi)部進行轉(zhuǎn)基因或疾病治療。l(a)水溶液中的磷脂分子團；l(b)平面脂質(zhì)體膜；l(c)球形脂質(zhì)體；l(d）用于靶向藥物治療的脂質(zhì)體的示意圖。（1）類型類型l是膜功能的主要體現(xiàn)者。據(jù)估計核基因組編碼的蛋白質(zhì)中30%左右的為膜蛋白。根據(jù)膜蛋白與脂分子的結(jié)合方式，可分為：整合蛋白（integral protein）外周蛋白（peripheral protein）脂錨定蛋白（lipid-anchored protein）l整合蛋白整合蛋白又稱內(nèi)在膜蛋白，可能全為跨膜蛋白又稱內(nèi)在膜蛋白，可能全為跨膜蛋白（tansmembrane proteins），

5、為兩性分子，疏水），為兩性分子，疏水部分位于脂雙層內(nèi)部，親水部分位于脂雙層外部。部分位于脂雙層內(nèi)部，親水部分位于脂雙層外部。由于存在疏水結(jié)構(gòu)域，整合蛋白與膜的結(jié)合非常緊由于存在疏水結(jié)構(gòu)域，整合蛋白與膜的結(jié)合非常緊密。密。l外周蛋白外周蛋白為水溶性，靠為水溶性，靠（非共價鍵）離子鍵或（非共價鍵）離子鍵或其它較弱的鍵與膜表面其它較弱的鍵與膜表面的蛋白質(zhì)分子或脂分子的蛋白質(zhì)分子或脂分子的親水部分結(jié)合，因此的親水部分結(jié)合，因此只要改變?nèi)芤旱碾x子強只要改變?nèi)芤旱碾x子強度甚至提高溫度就可以度甚至提高溫度就可以從膜上分離下來。從膜上分離下來。l脂錨定蛋白脂錨定蛋白又稱又稱脂連接脂連接蛋白蛋白，通過共價鍵與脂

6、，通過共價鍵與脂分子或通過一個糖分子分子或通過一個糖分子間接與脂分子結(jié)合。這間接與脂分子結(jié)合。這類蛋白多為膜受體、酶類蛋白多為膜受體、酶及一些細胞粘著分子。及一些細胞粘著分子。（2 2）膜蛋白與膜脂的結(jié)合方式膜蛋白與膜脂的結(jié)合方式 膜蛋白的跨膜結(jié)構(gòu)域與脂雙層分子的疏水核心的相互作用。 跨膜結(jié)構(gòu)域兩端攜帶正電荷的氨基酸殘基與磷脂分子帶負電的極性頭形成離子鍵，或帶負電的氨基酸殘基通過Ca2+、Mg2+等陽離子與帶負電的磷脂極性頭相互作用。 某些膜蛋白在細胞質(zhì)基質(zhì)一側(cè)的半胱氨酸殘基共價結(jié)合脂肪酸分子,插入脂雙層之間,進一步加強膜蛋白與脂雙層的結(jié)合力,還有少數(shù)蛋白與糖脂共價結(jié)合。（3）去垢劑去垢劑l整

7、合蛋白為跨膜蛋白（tansmembrane proteins），是兩性分子。與膜的結(jié)合非常緊密，只有用去垢劑才能從膜上洗滌下來。l離子型去垢劑離子型去垢劑SDS (十二烷基磺酸鈉十二烷基磺酸鈉)l非離子型去垢劑（非離子型去垢劑（Triton X -100）脂肪柵的膜結(jié)構(gòu)設想：脂肪柵的膜結(jié)構(gòu)設想： 1895 1895年年 Overton Overton發(fā)現(xiàn)溶于脂肪的物質(zhì)易發(fā)現(xiàn)溶于脂肪的物質(zhì)易透過植物的細胞膜，不溶于脂肪的物質(zhì)不易透過細胞膜，推透過植物的細胞膜，不溶于脂肪的物質(zhì)不易透過細胞膜，推測細胞膜由連續(xù)的脂類物質(zhì)組成。測細胞膜由連續(xù)的脂類物質(zhì)組成。脂雙層結(jié)構(gòu)：脂雙層結(jié)構(gòu)：1 1925925年

8、，年，Gorter & Grendel Gorter & Grendel 用有機溶劑提取了人用有機溶劑提取了人的紅細胞質(zhì)膜的脂類成分鋪展在水面，測出膜脂展開的面積的紅細胞質(zhì)膜的脂類成分鋪展在水面，測出膜脂展開的面積二倍于細胞表面積，推測細胞膜由雙層脂分子組成。二倍于細胞表面積，推測細胞膜由雙層脂分子組成。三明治模型：三明治模型：19351935年，年，Danielli & Davson Danielli & Davson 發(fā)現(xiàn)質(zhì)膜的表面張發(fā)現(xiàn)質(zhì)膜的表面張力比油水界面的張力低得多，推測膜中含有蛋白質(zhì)。提出了力比油水界面的張力低得多，推測膜中含有蛋白質(zhì)。提出了“蛋白

9、質(zhì)蛋白質(zhì)- -脂質(zhì)脂質(zhì)- -蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)”的三明治式的結(jié)構(gòu)模型；的三明治式的結(jié)構(gòu)模型；19591959年在上述年在上述基礎上提出了修正模型，認為膜上還具有貫穿脂雙層的蛋白質(zhì)通基礎上提出了修正模型，認為膜上還具有貫穿脂雙層的蛋白質(zhì)通道，供親水物質(zhì)通過。道，供親水物質(zhì)通過。單位膜模型：單位膜模型：19591959年，年，Robertson Robertson 用超薄切片技術獲得了用超薄切片技術獲得了清晰的細胞膜照片，顯示暗清晰的細胞膜照片，顯示暗- -明明- -暗三層結(jié)構(gòu)，它由厚約暗三層結(jié)構(gòu)，它由厚約3.5nm3.5nm的雙層脂分子和內(nèi)外表面各厚約的雙層脂分子和內(nèi)外表面各厚約2nm2nm的蛋白質(zhì)構(gòu)

10、成，的蛋白質(zhì)構(gòu)成，總厚約總厚約7.5nm7.5nm。流動鑲嵌模型：流動鑲嵌模型：19721972年，年，Singer & Nicolson Singer & Nicolson 根據(jù)免根據(jù)免疫熒光技術、冰凍蝕刻技術的研究結(jié)果，提出了疫熒光技術、冰凍蝕刻技術的研究結(jié)果，提出了“流動流動鑲嵌模型鑲嵌模型” ” ，認為膜是一種動態(tài)結(jié)構(gòu)，強調(diào)，認為膜是一種動態(tài)結(jié)構(gòu)，強調(diào)膜的流動性膜的流動性和不對稱性和不對稱性。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，即在生物膜上膽固醇富

11、集而形成有序脂相即在生物膜上膽固醇富集而形成有序脂相, ,如同脂筏如同脂筏一樣載著各種蛋白。脂筏是質(zhì)膜上富含膽固醇和鞘磷脂的微一樣載著各種蛋白。脂筏是質(zhì)膜上富含膽固醇和鞘磷脂的微結(jié)構(gòu)域。脂筏就像一個蛋白質(zhì)停泊的平臺，與膜的信號轉(zhuǎn)導、結(jié)構(gòu)域。脂筏就像一個蛋白質(zhì)停泊的平臺，與膜的信號轉(zhuǎn)導、蛋白質(zhì)分選均有密切的關系。蛋白質(zhì)分選均有密切的關系。公認生物膜結(jié)構(gòu)應具有的特點公認生物膜結(jié)構(gòu)應具有的特點 細胞膜由流動雙脂層和嵌在其中蛋白質(zhì)組成。細胞膜由流動雙脂層和嵌在其中蛋白質(zhì)組成。 具有極性頭部和非極性尾部的磷脂分子在水相中自具有極性頭部和非極性尾部的磷脂分子在水相中自發(fā)形成生物膜的性質(zhì)。以疏水性尾部相對，

12、極性頭發(fā)形成生物膜的性質(zhì)。以疏水性尾部相對，極性頭部朝向水相組成生物膜骨架。部朝向水相組成生物膜骨架。 蛋白質(zhì)或嵌在雙脂層表面，或嵌在其內(nèi)部，或橫跨蛋白質(zhì)或嵌在雙脂層表面，或嵌在其內(nèi)部，或橫跨整個雙脂層，表現(xiàn)出分布的不對稱性。整個雙脂層，表現(xiàn)出分布的不對稱性。 1 細胞膜的基本特征細胞膜的基本特征（1）膜的流動性）膜的流動性質(zhì)膜的流動性由膜脂和蛋白質(zhì)的分子運動兩個方面組成。質(zhì)膜的流動性由膜脂和蛋白質(zhì)的分子運動兩個方面組成。 膜脂的流動性膜脂的流動性膜脂的流動性主要由膜脂的流動性主要由脂分子本身的性質(zhì)決定的脂分子本身的性質(zhì)決定的,脂肪酸鏈越短脂肪酸鏈越短,不不飽和程度越高飽和程度越高,膜脂的流動

13、性越大。膜脂的流動性越大。溫度溫度對膜脂的運動有明顯的影對膜脂的運動有明顯的影響。在細菌和動物細胞中常通過增加不飽和脂肪酸的含量來調(diào)節(jié)響。在細菌和動物細胞中常通過增加不飽和脂肪酸的含量來調(diào)節(jié)膜脂的相變溫度以維持膜脂的流動性。在動物細胞中，膜脂的相變溫度以維持膜脂的流動性。在動物細胞中，膽固醇膽固醇對對膜的流動性起重要的雙向調(diào)節(jié)作用。膜的流動性起重要的雙向調(diào)節(jié)作用。膜脂分子的運動膜脂分子的運動1. 側(cè)向擴散：同一平面上相鄰的脂分子交換位置。側(cè)向擴散：同一平面上相鄰的脂分子交換位置。2. 旋轉(zhuǎn)運動：膜脂分子圍繞與膜平面垂直的軸進行快速旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)運動：膜脂分子圍繞與膜平面垂直的軸進行快速旋轉(zhuǎn)。3.

14、擺動運動：膜脂分子圍繞與膜平面垂直的軸進行左右擺動。擺動運動：膜脂分子圍繞與膜平面垂直的軸進行左右擺動。4. 伸縮震蕩：脂肪酸鏈沿著與縱軸進行伸縮震蕩運動。伸縮震蕩：脂肪酸鏈沿著與縱軸進行伸縮震蕩運動。5. 翻轉(zhuǎn)運動：膜脂分子從脂雙層的一層翻轉(zhuǎn)到另一層。是在翻轉(zhuǎn)運動：膜脂分子從脂雙層的一層翻轉(zhuǎn)到另一層。是在翻轉(zhuǎn)酶（翻轉(zhuǎn)酶（flippase）的催化下完成。）的催化下完成。6. 旋轉(zhuǎn)異構(gòu)：脂肪酸鏈圍繞旋轉(zhuǎn)異構(gòu)：脂肪酸鏈圍繞C-C鍵旋轉(zhuǎn)，導致異構(gòu)化運動。鍵旋轉(zhuǎn)，導致異構(gòu)化運動。 膜蛋白的分子運動膜蛋白的分子運動 主要有側(cè)向擴散和旋轉(zhuǎn)擴散兩種運動方式?？捎霉庵饕袀?cè)向擴散和旋轉(zhuǎn)擴散兩種運動方式。可用光

15、脫色恢復技術（脫色恢復技術（fluorescence recovery after photobleaching，F(xiàn)RAP）和細胞融合技術檢測側(cè)向擴）和細胞融合技術檢測側(cè)向擴散。旋轉(zhuǎn)擴散指膜蛋白圍繞與膜平面垂直的軸進行旋轉(zhuǎn)散。旋轉(zhuǎn)擴散指膜蛋白圍繞與膜平面垂直的軸進行旋轉(zhuǎn)運動，膜蛋白的側(cè)向運動受細胞骨架的限制，破壞微絲運動，膜蛋白的側(cè)向運動受細胞骨架的限制，破壞微絲的藥物如細胞松弛素的藥物如細胞松弛素B能促進膜蛋白的側(cè)向運動。能促進膜蛋白的側(cè)向運動。 圖圖 1 利用細胞融合技術觀察蛋白質(zhì)運動利用細胞融合技術觀察蛋白質(zhì)運動 1970年年Larry Frye等人將人和和鼠的細胞膜用不同熒光抗體標記后

16、，讓等人將人和和鼠的細胞膜用不同熒光抗體標記后，讓兩種細胞融合，雜種細胞一半發(fā)紅色熒光、另一半發(fā)綠色熒光，放置一段時兩種細胞融合，雜種細胞一半發(fā)紅色熒光、另一半發(fā)綠色熒光，放置一段時間后發(fā)現(xiàn)兩種熒光抗體均勻分布。間后發(fā)現(xiàn)兩種熒光抗體均勻分布。l質(zhì)膜內(nèi)外兩層的組分和功能的差異，稱為膜的不對稱性。質(zhì)膜內(nèi)外兩層的組分和功能的差異，稱為膜的不對稱性。 l膜脂的不對稱性：膜脂的不對稱性：同一種脂分子在脂雙層中呈不均勻分布，同一種脂分子在脂雙層中呈不均勻分布，如：如：PC（磷脂酰膽堿）和（磷脂酰膽堿）和SM（鞘磷脂）主要分布在（鞘磷脂）主要分布在外小外小葉葉，PE（磷脂酰乙醇胺）和（磷脂酰乙醇胺）和PS（

17、磷脂酰絲氨酸）分布在（磷脂酰絲氨酸）分布在內(nèi)小葉。用磷脂酶處理完整的人類紅細胞，內(nèi)小葉。用磷脂酶處理完整的人類紅細胞，80%的的PC降降解，解，PE和和PS分別只有分別只有20%和和10%的被降解。膜脂的不對的被降解。膜脂的不對稱性還表現(xiàn)在膜表面具有膽固醇和鞘磷脂等形成的微結(jié)構(gòu)稱性還表現(xiàn)在膜表面具有膽固醇和鞘磷脂等形成的微結(jié)構(gòu)域域脂伐。脂伐。 l膜蛋白的不對稱性：膜蛋白的不對稱性：每種膜蛋白分子在細胞膜上都具有特每種膜蛋白分子在細胞膜上都具有特定的方向性和分布的區(qū)域性，如各種激素的受體分布在細定的方向性和分布的區(qū)域性，如各種激素的受體分布在細胞膜外表面。胞膜外表面。l復合糖的不對稱性：復合糖的

18、不對稱性：糖脂和糖蛋白只分布于細胞膜的外表糖脂和糖蛋白只分布于細胞膜的外表面。面。 圖 2 膜各個斷面的名稱ES，質(zhì)膜的細胞外表面（extrocytopasmic surface）；PS，質(zhì)膜的原生質(zhì)表面（protoplasmic surface）；EF（extrocytopasmic face），質(zhì)膜的細胞外小頁斷裂面；PF（protoplasmic face），原生質(zhì)小頁斷裂面。（1）為細胞的生命活動提供相對穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境；）為細胞的生命活動提供相對穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境；（2）選擇性的物質(zhì)運輸，包括代謝底物的輸入與代謝產(chǎn)）選擇性的物質(zhì)運輸，包括代謝底物的輸入與代謝產(chǎn)物的排出；物的排出；（3）提供細胞

19、識別位點，并完成細胞內(nèi)外信息的跨膜傳）提供細胞識別位點，并完成細胞內(nèi)外信息的跨膜傳遞；遞；（4）為多種酶提供結(jié)合位點，使酶促反應高效而有序地）為多種酶提供結(jié)合位點，使酶促反應高效而有序地進行；進行；（5）介導細胞與細胞、細胞與基質(zhì)之間的連接；）介導細胞與細胞、細胞與基質(zhì)之間的連接；（6）參與形成具有不同功能的細胞表面特化結(jié)構(gòu)。）參與形成具有不同功能的細胞表面特化結(jié)構(gòu)。（一）細胞外被 l指細胞膜外表面覆蓋的一層指細胞膜外表面覆蓋的一層多糖物質(zhì)多糖物質(zhì)，其中的，其中的糖與細胞膜中的蛋白分子或脂質(zhì)分子是糖與細胞膜中的蛋白分子或脂質(zhì)分子是共價結(jié)共價結(jié)合合的，形成糖蛋白和糖脂，是細胞膜的正常結(jié)的，形成糖

20、蛋白和糖脂，是細胞膜的正常結(jié)構(gòu)組分，它不僅對膜蛋白起保護作用，而且在構(gòu)組分，它不僅對膜蛋白起保護作用，而且在細胞識別中起重要作用。細胞識別中起重要作用。（二）細胞外基質(zhì)（extracellular matrix，ECM）l指分布于細胞外空間，由細胞分泌的蛋白和多指分布于細胞外空間，由細胞分泌的蛋白和多糖所構(gòu)成的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。糖所構(gòu)成的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。為細胞的生存及活動提為細胞的生存及活動提供適宜的場所，并決定和維持器官和組織的形供適宜的場所，并決定和維持器官和組織的形態(tài)，還通過信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng)影響細胞的形狀、代態(tài)，還通過信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng)影響細胞的形狀、代謝、功能、遷移、增殖和分化。謝、功能、遷移、增殖和分化。細

21、胞種類細胞種類細胞外結(jié)構(gòu)細胞外結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)纖維結(jié)構(gòu)纖維 水化基質(zhì)組水化基質(zhì)組分分 粘連分子粘連分子 動物細胞動物細胞細胞外基質(zhì)細胞外基質(zhì) 膠原、彈性蛋白膠原、彈性蛋白 氨基聚糖、氨基聚糖、 蛋白聚糖蛋白聚糖 纖粘連蛋白、纖粘連蛋白、層粘連蛋白層粘連蛋白 植物細胞植物細胞細胞壁細胞壁 纖維素纖維素半纖維素、半纖維素、 伸展蛋白伸展蛋白 果膠果膠 1 膠原賦于組織強度2 彈性蛋白賦于組織彈性3 氨基聚糖與蛋白聚糖使組織耐壓4 層粘連蛋白和纖粘連蛋白使細胞粘著膠原纖維膠原纖維纖粘連蛋白纖粘連蛋白蛋白聚糖蛋白聚糖層粘連蛋白層粘連蛋白膜整聯(lián)蛋白膜整聯(lián)蛋白膠原是動物體內(nèi)含量最豐富的蛋白質(zhì)。膠原是動物體內(nèi)含量

22、最豐富的蛋白質(zhì)。 功能：膠原是細胞外基質(zhì)中最主要的水不溶性纖維糖膠原是細胞外基質(zhì)中最主要的水不溶性纖維糖蛋白，含量也最高，剛性及抗張力強度最大，構(gòu)成細蛋白，含量也最高，剛性及抗張力強度最大，構(gòu)成細胞外基質(zhì)的骨架結(jié)構(gòu)。胞外基質(zhì)的骨架結(jié)構(gòu)。 類型：發(fā)現(xiàn)有發(fā)現(xiàn)有20多種，目前了解最多的是多種，目前了解最多的是型膠型膠原。原。 結(jié)構(gòu)：膠原纖維的膠原纖維的基本結(jié)構(gòu)單位是原膠原基本結(jié)構(gòu)單位是原膠原。原膠原由。原膠原由三條相同或不同的肽鏈形成三股螺旋，一級結(jié)構(gòu)具有三條相同或不同的肽鏈形成三股螺旋，一級結(jié)構(gòu)具有Gly-x-y重復序列。重復序列。 合成：在在粗糙內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成粗糙內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成帶有信號肽的帶有信號肽

23、的前原膠原，切除信號肽并化學修飾（包括糖基化）由高爾基體分切除信號肽并化學修飾（包括糖基化）由高爾基體分泌到細胞外，在兩種專一性不同的蛋白水解酶作用下，泌到細胞外，在兩種專一性不同的蛋白水解酶作用下，分分 別切去別切去N端前肽及端前肽及C端前肽，成為端前肽，成為原膠原。原膠原進。原膠原進而聚合成而聚合成膠原纖維。 圖圖3 （a）膠原纖維的分子結(jié)構(gòu)與形成過程）膠原纖維的分子結(jié)構(gòu)與形成過程()； （b）膠原纖維的電鏡照片）膠原纖維的電鏡照片 l彈性蛋白是彈性纖維的主要成分。彈性蛋白是彈性纖維的主要成分。彈性纖維主彈性纖維主要存在于脈管壁及肺。彈性纖維與膠原纖維共要存在于脈管壁及肺。彈性纖維與膠原纖維共同存在，分別賦于組織以彈性及抗張性。同存在，分別賦于組織以彈性及抗張性。l為高度疏水的非糖基化蛋白，為高度疏水的非糖基化蛋白，沒有沒有G