細胞質(zhì)膜與細胞外基質(zhì)x

細胞膜與細胞外基質(zhì)陳雅茜

一、細胞質(zhì)膜

二、細胞外被與細胞外基質(zhì)

一、細胞質(zhì)膜

細胞質(zhì)膜又稱細胞膜（一）細胞膜的化學(xué)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（一）細胞膜的化學(xué)組成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）處理后破壞或溶解，推測細胞膜的化學(xué)組成主要是脂類和蛋白質(zhì)。質(zhì)膜除了主要含有膜脂和膜蛋白成分外，另外還有少量糖，主要以糖脂和糖蛋白的形式存在。一般而言，脂類約占50％，蛋白質(zhì)約占40％，糖類約占2％～10％。1膜脂（1）組成細胞膜的膜脂主要包括磷脂和膽固醇二類。

①磷脂：構(gòu)成了膜脂的基本成分，約占整個膜脂的50％以上?？煞譃楦视土字ò字Ｄ憠A－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：整個分子分3部分：羥基團組成的親水的極性頭部、疏水的非極性的類固醇環(huán)結(jié)構(gòu)和一個非極性的碳氫尾部。膽固醇的分子較其他膜脂要小，雙親性較低。（2）膜脂在細胞膜中的4種熱運動方式①脂分子的側(cè)向運動；②脂分子的自旋運動；③脂分子的尾部擺動；④脂分子的翻轉(zhuǎn)運動。（3）脂質(zhì)體脂質(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。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25~1000nm不等。脂質(zhì)體不但是研究膜脂與膜蛋白及其生物學(xué)性質(zhì)的好材料，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。(a)水溶液中的磷脂分子團；(b)平面脂質(zhì)體膜；(c)球形脂質(zhì)體；(d）用于靶向藥物治療的脂質(zhì)體的示意圖。2膜蛋白（1）類型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（integralprotein）外周蛋白（peripheralprotein）脂錨定蛋白（lipid-anchoredprotein）整合蛋白又稱內(nèi)在膜蛋白，可能全為跨膜蛋白（tansmembraneproteins），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。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。外周蛋白為水溶性，靠（非共價鍵）離子鍵或其它較弱的鍵與膜表面的蛋白質(zhì)分子或脂分子的親水部分結(jié)合，因此只要改變?nèi)芤旱碾x子強度甚至提高溫度就可以從膜上分離下來。脂錨定蛋白又稱脂連接蛋白，通過共價鍵與脂分子或通過一個糖分子間接與脂分子結(jié)合。這類蛋白多為膜受體、酶及一些細胞粘著分子。（2）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）去垢劑整合蛋白為跨膜蛋白（tansmembraneproteins），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。離子型去垢劑SDS(十二烷基磺酸鈉)非離子型去垢劑（TritonX-100）脂肪柵的膜結(jié)構(gòu)設(shè)想：1895年Overton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，推測細胞膜由連續(xù)的脂類物質(zhì)組成。脂雙層結(jié)構(gòu)：1925年，Gorter&Grendel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：1935年，Danielli&Davson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“蛋白質(zhì)-脂質(zhì)-蛋白質(zhì)”的三明治式的結(jié)構(gòu)模型；1959年在上述基礎(chǔ)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。（二）細胞膜的結(jié)構(gòu)模型單位膜模型：1959年，Robertson用超薄切片技術(shù)獲得了清晰的細胞膜照片，顯示暗-明-暗三層結(jié)構(gòu)，它由厚約3.5nm的雙層脂分子和內(nèi)外表面各厚約2nm的蛋白質(zhì)構(gòu)成，總厚約7.5nm。流動鑲嵌模型：1972年，Singer&Nicolson根據(jù)免疫熒光技術(shù)、冰凍蝕刻技術(shù)的研究結(jié)果，提出了“流動鑲嵌模型”，認為膜是一種動態(tài)結(jié)構(gòu)，強調(diào)膜的流動性和不對稱性。脂筏模型(lipidraftsmodel)：K.Simonsetal1997提出脂筏模型，即在生物膜上膽固醇富集而形成有序脂相,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(dǎo)、蛋白質(zhì)分選均有密切的關(guān)系。公認生物膜結(jié)構(gòu)應(yīng)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。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，極性頭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，或橫跨整個雙脂層，表現(xiàn)出分布的不對稱性。（三）細胞膜的基本特征與功能1細胞膜的基本特征（1）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。Ⅰ膜脂的流動性膜脂的流動性主要由脂分子本身的性質(zhì)決定的,脂肪酸鏈越短,不飽和程度越高,膜脂的流動性越大。溫度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)膜脂的相變溫度以維持膜脂的流動性。在動物細胞中，膽固醇對膜的流動性起重要的雙向調(diào)節(jié)作用。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。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)。3.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。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)酶（flippase）的催化下完成。6.旋轉(zhuǎn)異構(gòu)：脂肪酸鏈圍繞C-C鍵旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致異構(gòu)化運動。

Ⅱ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。可用光脫色恢復(fù)技術(shù)（fluorescencerecoveryafterphotobleaching，F(xiàn)RAP）和細胞融合技術(shù)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)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B能促進膜蛋白的側(cè)向運動。

圖1利用細胞融合技術(shù)觀察蛋白質(zhì)運動1970年LarryFrye等人將人和和鼠的細胞膜用不同熒光抗體標(biāo)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，放置一段時間后發(fā)現(xiàn)兩種熒光抗體均勻分布。（2）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。膜脂的不對稱性：同一種脂分子在脂雙層中呈不均勻分布，如：PC（磷脂酰膽堿）和SM（鞘磷脂）主要分布在外小葉，PE（磷脂酰乙醇胺）和PS（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，80%的PC降解，PE和PS分別只有20%和10%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)域—脂伐。膜蛋白的不對稱性：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胞膜外表面。復(fù)合糖的不對稱性：糖脂和糖蛋白只分布于細胞膜的外表面。

圖2膜各個斷面的名稱ES，質(zhì)膜的細胞外表面（extrocytopasmicsurface）；PS，質(zhì)膜的原生質(zhì)表面（protoplasmicsurface）；EF（extrocytopasmicface），質(zhì)膜的細胞外小頁斷裂面；PF（protoplasmicface），原生質(zhì)小頁斷裂面。2細胞膜的基本功能（1）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)物的排出；（3）提供細胞識別位點，并完成細胞內(nèi)外信息的跨膜傳遞；（4）為多種酶提供結(jié)合位點，使酶促反應(yīng)高效而有序地進行；（5）介導(dǎo)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)。二、細胞外被與細胞外基質(zhì)（一）細胞外被

指細胞膜外表面覆蓋的一層多糖物質(zhì)，其中的糖與細胞膜中的蛋白分子或脂質(zhì)分子是共價結(jié)合的，形成糖蛋白和糖脂，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，而且在細胞識別中起重要作用。（二）細胞外基質(zhì)（extracellularmatrix，ECM）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(luò)結(jié)構(gòu)。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態(tài)，還通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)影響細胞的形狀、代謝、功能、遷移、增殖和分化。細胞種類細胞外結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)纖維水化