第三章 細(xì)胞質(zhì)膜與細(xì)胞外基質(zhì)

第三章細(xì)胞質(zhì)膜與細(xì)胞外基質(zhì)

一細(xì)胞質(zhì)膜二細(xì)胞外被與細(xì)胞外基質(zhì)三細(xì)胞連接一細(xì)胞質(zhì)膜（一）細(xì)胞膜的化學(xué)組成（二）細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)模型（三）細(xì)胞膜的功能（四）紅細(xì)胞膜骨架（一）細(xì)胞膜的化學(xué)組成細(xì)胞膜常常被脂類(lèi)溶劑（如苯和四氯化碳）和蛋白酶（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，推測(cè)細(xì)胞膜的化學(xué)組成主要是脂類(lèi)和蛋白質(zhì)。1膜脂：主要包括磷脂和膽固醇。2膜蛋白：包括整合蛋白、外周蛋白和脂錨定蛋白。3膜糖:主要包括糖脂和糖蛋白。1膜脂（1）組成細(xì)胞膜的膜脂主要包括磷脂和膽固醇二類(lèi)。

①磷脂：構(gòu)成了膜脂的基本成分，約占整個(gè)膜脂的50％以上?？煞譃?/p>

甘油磷脂（包括磷脂酰膽堿－卵磷脂，磷脂酰絲氨酸，磷脂酰乙醇胺和磷脂酰肌醇等）和鞘磷脂。

②膽固醇：整個(gè)分子分3部分：羥基團(tuán)組成的親水的（hydrophilic）極性頭部、疏水的（hydrophobic）非極性的類(lèi)固醇環(huán)結(jié)構(gòu)和一個(gè)非極性的碳?xì)湮膊?。膽固醇的分子較其他膜脂要小，雙親性較低。（2）膜脂在細(xì)胞膜中的4種熱運(yùn)動(dòng)方式（3）脂質(zhì)體2膜蛋白（1）類(lèi)型：分為整合蛋白、外周蛋白以及脂錨定蛋白。（2）膜蛋白與膜脂的結(jié)合方式。（3）去垢劑：離子型去垢劑SDS(十二烷基磺酸鈉)，非離子型去垢劑（TritonX-100）。3膜糖膜糖分為糖脂和糖蛋白。（1）糖脂：含糖而不含磷酸的脂類(lèi)，糖脂也是兩性分子，其結(jié)構(gòu)與鞘磷脂相似，它們大多是鞘氨醇的衍生物。（2）糖蛋白：即寡糖鏈與膜蛋白直接相連，糖蛋白是細(xì)胞膜中最為豐富的蛋白質(zhì)，真核細(xì)胞質(zhì)膜上的蛋白質(zhì)幾乎都是糖蛋白。凝集素：凝集素（lectin）是一類(lèi)從植物種子和動(dòng)物組織中提取的糖蛋白或結(jié)合糖的蛋白。

（二）細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)模型

1脂肪柵的膜結(jié)構(gòu)設(shè)想：19世紀(jì)90年代，Overton發(fā)現(xiàn)脂溶性物質(zhì)易透過(guò)細(xì)胞（以植物的根毛做實(shí)驗(yàn)），認(rèn)為在細(xì)胞的外被中有脂的存在。

2脂雙層結(jié)構(gòu)：1925年，荷蘭的Gorter和Grendel根據(jù)對(duì)紅細(xì)胞的研究（發(fā)現(xiàn)用提取的脂鋪展后測(cè)得的面積同實(shí)際測(cè)量的紅細(xì)胞的表面積之比約為（1.8～2.2）:1），提出該模型。

3三明治模型：1935年，Danielli和Davson根據(jù)在油滴中加入蛋白質(zhì)，可使油滴的表面張力降至與活細(xì)胞表面張力相當(dāng)?shù)乃降仁聦?shí)提出細(xì)胞膜的“雙分子片層”結(jié)構(gòu)模型。

4單位膜模型：1959年，電鏡觀察超薄切片得了清晰的細(xì)胞膜照片，顯示暗-明-暗三層結(jié)構(gòu)。

5流動(dòng)鑲嵌模型：20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的冰凍蝕刻技術(shù)，首次揭示了膜中有蛋白質(zhì)顆粒存在。1972年，Singer和Nicolson總結(jié)了當(dāng)時(shí)有關(guān)膜的研究成果，提出了流動(dòng)鑲嵌模型

（fluidmosaicmodel）,認(rèn)為膜是一種動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，強(qiáng)調(diào)膜的流動(dòng)性和不對(duì)稱(chēng)性。

5流動(dòng)鑲嵌模型膜的流動(dòng)性和不對(duì)稱(chēng)性是生物膜的兩個(gè)基本特征。

1）膜的流動(dòng)性：

膜的流動(dòng)性主要是由膜脂雙層的狀態(tài)變化引起的。在生理?xiàng)l件下，膜脂多呈液晶態(tài)，溫度下降至某點(diǎn)，則變?yōu)榫B(tài)。

①膜脂的流動(dòng)：主要指脂分子的側(cè)向運(yùn)動(dòng)，影響因素有：溫度（隨溫度降低由擬液態(tài)向晶體膠態(tài)轉(zhuǎn)變）、膜組成（膽固醇的多少）及脂肪酸鏈的長(zhǎng)短及不飽和程度、離子強(qiáng)度等。

②膜蛋白的運(yùn)動(dòng)：可分為側(cè)向擴(kuò)散和旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散2種。

可用熒光漂白恢復(fù)技術(shù)（fluorescencerecoveryafterphotobleaching，F(xiàn)RAP）和細(xì)胞融合技術(shù)檢測(cè)膜的流動(dòng)性。

熒光漂白恢復(fù)技術(shù)（又稱(chēng)光脫色恢復(fù)技術(shù)）――用熒光標(biāo)記的抗體與細(xì)胞膜上的抗原反應(yīng)，使細(xì)胞膜帶有熒光，用紫外線照射，使一側(cè)細(xì)胞的熒光淬滅（淬滅效應(yīng)是指分子吸收了光子能量而躍遷到激發(fā)態(tài)時(shí)，能量不是以熒光而是通過(guò)碰撞弛豫到達(dá)其他能級(jí)。特別是在高溫高氣壓下，粒子濃度大，平均自由程短，這種效應(yīng)更加明顯，嚴(yán)重時(shí)會(huì)收不到熒光光譜。陽(yáng)光或是強(qiáng)的燈光都會(huì)使熒光染料發(fā)生急劇的淬滅），放置一段時(shí)間后會(huì)發(fā)現(xiàn)熒光物質(zhì)又均勻分布在細(xì)胞表面。（2）膜的不對(duì)稱(chēng)性：

膜不對(duì)稱(chēng)性主要是指其組成成分分布及在排列方向上的不對(duì)稱(chēng)。

①膜脂的不對(duì)稱(chēng)性：脂分子在脂雙層中呈不均勻分布，質(zhì)膜的內(nèi)外兩側(cè)分布的磷脂的含量比例也不同。

②膜蛋白的不對(duì)稱(chēng)性：膜蛋白的不對(duì)稱(chēng)性是指每種膜蛋白分子在細(xì)胞膜上都具有明確的方向性和分布的區(qū)域性。各種膜蛋白在膜上都有特定的分布區(qū)域。某些膜蛋白只有在特定膜脂存在時(shí)才能發(fā)揮其功能，如：蛋白激酶C結(jié)合膜的內(nèi)側(cè)，需要磷脂酰絲氨酸的存在下才能發(fā)揮作用；線粒體內(nèi)膜的細(xì)胞色素氧化酶，需要心磷脂存在才具活性。

③復(fù)合糖的不對(duì)稱(chēng)性：無(wú)論在何種情況下，糖脂和糖蛋白只分布于細(xì)胞膜的外表面，這些成分可能是細(xì)胞表面受體，并且與細(xì)胞的抗原性有關(guān)。

冷凍斷裂技術(shù)可用來(lái)證明膜的不對(duì)稱(chēng)性。（三）細(xì)胞膜的功能細(xì)胞質(zhì)膜的主要功能概括如下：1為細(xì)胞的生命活動(dòng)提供相對(duì)穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境；2選擇性的物質(zhì)運(yùn)輸，包括代謝底物的輸入與代謝產(chǎn)物的排出；3提供細(xì)胞識(shí)別位點(diǎn)，并完成細(xì)胞內(nèi)外信息的跨膜傳遞；4為多種酶提供結(jié)合位點(diǎn)，使酶促反應(yīng)高效而有序地進(jìn)行；5介導(dǎo)細(xì)胞與細(xì)胞、細(xì)胞與基質(zhì)之間的連接；6參與形成具有不同功能的細(xì)胞表面特化結(jié)構(gòu)。（四）紅細(xì)胞膜骨架

1紅細(xì)胞血影：紅細(xì)胞經(jīng)低滲處理，細(xì)胞質(zhì)膜破裂釋放出血紅蛋白和其他胞內(nèi)可溶性蛋白。這時(shí)紅細(xì)胞仍然保持原來(lái)的形狀和大小，這種結(jié)構(gòu)稱(chēng)為血影（ghost）。2紅細(xì)胞質(zhì)膜蛋白：

①血影蛋白：由結(jié)構(gòu)相似的α鏈、β鏈組成一個(gè)異二聚體，兩個(gè)二聚體頭與頭相接連形成一四聚體。

②肌動(dòng)蛋白：肌動(dòng)蛋白纖維上有多個(gè)血影蛋白結(jié)合位點(diǎn)，不但將血影蛋白連結(jié)成網(wǎng)絡(luò)，帶4.1蛋白加固它們的連接。

③錨蛋白：與血影蛋白和帶3蛋白的胞質(zhì)部相連，將血影蛋白網(wǎng)絡(luò)連接到質(zhì)膜上。

④帶3蛋白：陰離子載體，為二聚體。每個(gè)單體含929個(gè)氨基酸，穿膜12次。當(dāng)紅細(xì)胞通過(guò)肺時(shí)，帶3蛋白把HCO3-換成Cl-，而排出CO2。

⑤血型糖蛋白A：?jiǎn)未未┠ぬ堑鞍祝s有131個(gè)氨基酸，N端在膜外側(cè)，結(jié)合16

條寡糖鏈；C-端在胞質(zhì)面，鏈較短，與帶4.1蛋白相連。血型糖蛋白與MN血型有關(guān)，其功能尚不明確。質(zhì)膜內(nèi)表面

血影蛋白四聚體游離端與肌動(dòng)蛋白相連，形成血影蛋白網(wǎng)絡(luò)。

↓（錨蛋白）↓（帶4.1蛋白）（加強(qiáng)連接）膜整合蛋白

帶3蛋白

血型糖蛋白A

（多次跨膜）（單次跨膜）二細(xì)胞外被與細(xì)胞外基質(zhì)（一）細(xì)胞外被：指細(xì)胞膜外表面覆蓋的一層多糖物質(zhì)，其中的糖與細(xì)胞膜中的蛋白分子或脂質(zhì)分子是共價(jià)結(jié)合的，形成糖蛋白和糖脂，是細(xì)胞膜的正常結(jié)構(gòu)組分，它不僅對(duì)膜蛋白起保護(hù)作用，而且在細(xì)胞識(shí)別中起重要作用。（二）細(xì)胞外基質(zhì)：細(xì)胞外基質(zhì)（extracellularmatrix，ECM）是指分布于細(xì)胞外空間，由細(xì)胞分泌的蛋白和多糖所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。為細(xì)胞的生存及活動(dòng)提供適宜的場(chǎng)所，并決定和維持器官和組織的形態(tài)，還通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)影響細(xì)胞的形狀、代謝、功能、遷移、增殖和分化。細(xì)胞種類(lèi)細(xì)胞外結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)纖維水化基質(zhì)組分粘連分子動(dòng)物細(xì)胞細(xì)胞外基質(zhì)膠原、彈性蛋白蛋白聚糖纖粘連蛋白、層粘連蛋白植物細(xì)胞細(xì)胞壁纖維素半纖維素、伸展蛋白果膠（二）動(dòng)物細(xì)胞的細(xì)胞外基質(zhì)1膠原—賦于組織抗張性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(xì)胞粘著1膠原膠原是動(dòng)物體內(nèi)含量最豐富的蛋白質(zhì)。①功能：膠原是細(xì)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(qiáng)度最大，構(gòu)成細(xì)胞外基質(zhì)的骨架結(jié)構(gòu)。②類(lèi)型：發(fā)現(xiàn)有20多種，目前了解最多的是Ⅰ～Ⅳ型膠原。③結(jié)構(gòu)：膠原纖維的基本結(jié)構(gòu)單位是原膠原。原膠原由三條相同或不同的肽鏈形成三股螺旋，一級(jí)結(jié)構(gòu)具有Gly-x-y

重復(fù)序列。④合成：在粗糙內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成帶有信號(hào)肽的前原膠原，切除信號(hào)肽并化學(xué)修飾（包括糖基化）由高爾基體分泌到細(xì)胞外，在兩種專(zhuān)一性不同的蛋白水解酶作用下，分別切去N端前肽及C端前肽，成為原膠原。原膠原進(jìn)而聚合成膠原纖維。

2彈性蛋白

彈性蛋白是彈性纖維的主要成分。為高度疏水的非糖基化蛋白，沒(méi)有Gly-x-y序列，但富含甘氨酸和脯氨酸，很少含有羥脯氨酸，不含羥賴(lài)氨酸。構(gòu)象呈無(wú)規(guī)則卷曲狀，通過(guò)Lys殘基相互交聯(lián)。3氨基聚糖與蛋白聚糖①氨基聚糖：由重復(fù)二糖單位構(gòu)成的無(wú)分枝長(zhǎng)鏈多糖。其二糖單位通常是氨基已糖（氨基葡萄糖或氨基半乳糖）和糖醛酸。如透明質(zhì)酸、硫酸軟骨、素硫酸角質(zhì)素以及肝素等。②蛋白聚糖：蛋白聚糖是氨基聚糖（除透明質(zhì)酸外）與核心蛋白質(zhì)的絲氨酸殘基共價(jià)連結(jié)形成的巨分子。透明質(zhì)酸（hyaluronic

acid,HA）①是唯一不發(fā)生硫酸化的氨基聚糖，是增殖細(xì)胞和遷移細(xì)胞胞外基質(zhì)的主要成分，尤其在胚胎組織中。在結(jié)締組織中它起強(qiáng)化、彈性和潤(rùn)滑作用，同時(shí)也是蛋白聚糖的主要結(jié)構(gòu)組分。②HA整個(gè)分子全部由葡萄糖醛酸及乙酰氨基葡萄糖二糖單位重復(fù)排列構(gòu)成。由于鏈內(nèi)氫鍵及HA分子表面有大量帶負(fù)電荷的親水性基團(tuán)（如COO-），可結(jié)合大量水分子和陽(yáng)離子，增加了離子濃度和滲透壓，大量水分子被攝入基質(zhì)，占據(jù)很大的空間，傾向于向外膨脹，產(chǎn)生壓力，使結(jié)締組織具有抗壓的能力。4層粘連蛋白和纖粘連蛋白層粘連蛋白和纖粘連蛋白起著將細(xì)胞外基質(zhì)與細(xì)胞聯(lián)系起來(lái)的橋梁作用。①層粘連蛋白（laminin，LN）是一種大型的糖蛋白，與Ⅳ型膠原一起參與構(gòu)成基膜（基膜是上皮細(xì)胞下方一層柔軟的特化的細(xì)胞外基質(zhì)，也存在于肌肉、脂肪和許旺細(xì)胞的周?chē)?。它不僅起保護(hù)和過(guò)濾作用，還決定細(xì)胞的極性）。②纖粘連蛋白（fibronectin，F(xiàn)N）也是一種大型的糖蛋白。血漿纖粘連蛋白是二聚體，細(xì)胞纖粘連蛋白是多聚體。纖粘連蛋白的主要功能是介導(dǎo)細(xì)胞粘著。三細(xì)胞連接（一）封閉連接（二）錨定連接（三）通訊連接（一）封閉連接1緊密連接：存在于上皮頂端兩相鄰細(xì)胞間，相鄰細(xì)胞之間的質(zhì)膜緊密結(jié)合，沒(méi)有縫隙。緊密連接由跨膜的細(xì)胞粘附分子構(gòu)成。緊密連接的主要作用是封閉相鄰細(xì)胞間的接縫，防止溶液中的分子沿細(xì)胞間隙滲入體內(nèi)。2間壁連接：存在于無(wú)脊椎動(dòng)物上皮細(xì)胞的緊密連接，連接的細(xì)胞內(nèi)骨架成分為肌動(dòng)蛋白纖維。（二）錨定連接錨定連接將相鄰細(xì)胞的骨架系統(tǒng)或?qū)⒓?xì)胞與基質(zhì)相連形成一個(gè)堅(jiān)挺、有序的細(xì)胞群體。錨定連接有兩種不同的形式：1與中間纖維相連的錨定連接主要包括橋粒和半橋粒；2與肌動(dòng)蛋白纖維相連的錨定連接主要包括粘著帶和粘著斑。1橋粒和半橋粒（1）橋粒在兩個(gè)細(xì)胞之間形成鈕扣式的結(jié)構(gòu)將相鄰細(xì)胞鉚接在一起，細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的中間纖維通過(guò)橋粒的盤(pán)狀致密斑相互連接形成貫穿于整個(gè)組織的整體網(wǎng)絡(luò)，相鄰兩細(xì)胞的致密斑由跨膜連接糖蛋白（由橋粒蛋白組成）相互連接。（2）半橋粒與橋粒類(lèi)似，在形態(tài)上相當(dāng)于半個(gè)橋粒。但功能和化學(xué)組成不同。它通過(guò)細(xì)胞膜上的膜蛋白即整聯(lián)蛋白將上皮細(xì)胞固著在基底膜上，中間纖維不是穿過(guò)而是終止于半橋粒的致密斑內(nèi)。2粘著帶和粘著斑（1）粘著帶（adhesionbelt）呈帶狀環(huán)繞細(xì)胞，一般位于上皮細(xì)胞頂側(cè)面的緊密連接下方。粘著帶處的相鄰細(xì)胞膜的相互作用依賴(lài)于Ca2+，間隙中的粘著分子為E-鈣粘素。（2）粘著斑（adhesionplaque）位于細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)間，通過(guò)整合素（integrin）把細(xì)胞中的肌動(dòng)蛋白束和基質(zhì)連接起來(lái)。連接處的質(zhì)膜呈盤(pán)狀，稱(chēng)為粘合斑。體外培養(yǎng)的成纖維細(xì)胞通過(guò)粘著斑貼附在瓶壁上。（三）通訊連接

1間隙連接—?jiǎng)游锛?xì)胞之間的通訊連接2胞間連絲—植物細(xì)胞特有的通訊連接3化學(xué)突觸—神經(jīng)細(xì)胞之間的通訊連接1間隙連接構(gòu)成間隙連接的基本單位稱(chēng)連接子，由6個(gè)相同或相似的跨膜蛋白亞單位環(huán)繞而成，直徑8nm，中心形成一個(gè)直徑約1.5nm的孔道，相鄰細(xì)胞膜上的兩個(gè)連接子對(duì)接便形成一個(gè)間隙連接單位。間隙連接的功能及其調(diào)節(jié)機(jī)制（1）在代謝偶聯(lián)中的作用：間隙連接能夠允許小分子物質(zhì)通過(guò)。（2）間隙連接能在神經(jīng)細(xì)胞間形成電偶聯(lián)。（3）間