第四章 細(xì)胞膜與細(xì)胞表面

第四章細(xì)胞質(zhì)膜與細(xì)胞表面

細(xì)胞質(zhì)膜與細(xì)胞表面特化結(jié)構(gòu)

細(xì)胞連接

細(xì)胞外被與細(xì)胞外基質(zhì)

細(xì)胞膜(cellmembrane)又稱質(zhì)膜（plasmamembrane），是指圍繞在細(xì)胞最外層，由脂質(zhì)和蛋白質(zhì)組成的生物膜。細(xì)胞膜只是真核細(xì)胞生物膜的一部分，真核細(xì)胞的生物膜（biomembrane）包括細(xì)胞的內(nèi)膜系統(tǒng)（細(xì)胞器膜和核膜）和細(xì)胞膜（cellmembrane）。第一節(jié)細(xì)胞膜與細(xì)胞表面的特化結(jié)構(gòu)

細(xì)胞膜的化學(xué)組成

細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)模型及特點(diǎn)

骨架與細(xì)胞表面的特化結(jié)構(gòu)細(xì)胞膜主要由脂質(zhì)和蛋白質(zhì)組成。一、膜脂膜脂主要包括磷脂、糖脂和膽固醇三種類型。（一）磷脂是構(gòu)成膜脂的基本成分，約占整個膜脂的50％以上。磷脂為雙型性分子（amphipathicmolecules）或雙親媒性分子或兼性分子。細(xì)胞膜的化學(xué)組成磷脂的結(jié)構(gòu)親水的頭部疏水尾部心磷脂

磷脂分子的結(jié)構(gòu)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）；b.脂肪酸碳鏈為偶數(shù)；c.含有飽和脂肪酸和不飽和脂肪酸(順式)。類型：分為甘油磷脂和鞘磷脂。（二）糖脂存在于原核和真核細(xì)胞的質(zhì)膜上，其含量約占膜脂總量的5％以下，在神經(jīng)細(xì)胞膜上糖脂含量較高，約占5-10％。糖脂也是兩性分子，結(jié)構(gòu)與磷脂相似，由一個或多個糖殘基代替磷脂酰膽堿而與鞘氨醇的羥基結(jié)合。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(fù)雜的糖脂是神經(jīng)節(jié)苷脂。兒童所患的家族性白癡?。═ay-sachsdisease）和神經(jīng)節(jié)苷脂有關(guān)。神經(jīng)節(jié)苷脂本身還是一類膜上的受體，破傷風(fēng)毒素、霍亂毒素、干擾素等的受體就是不同的神經(jīng)節(jié)苷脂。

人紅細(xì)胞表面的ABO血型糖脂半乳糖腦苷脂，2.GM1神經(jīng)節(jié)苷脂，3.唾液酸

（三）膽固醇只存在于真核細(xì)胞膜上，含量一般不超過膜脂的1/3，植物細(xì)胞膜中含量較少。它是一種雙性分子。功能是提高脂雙層的力學(xué)穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)脂雙層流動性，降低水溶性物質(zhì)的通透性。

（四）脂質(zhì)體脂質(zhì)體（liposome）是根據(jù)磷脂分子在水相中形成穩(wěn)定的脂雙層膜的趨勢而制備的一種人工膜。脂質(zhì)體可用于細(xì)胞膜的研究；轉(zhuǎn)基因；疾病的診斷及治療。

膜脂的功能：1）支撐，膜脂是細(xì)胞的骨架；2）維持構(gòu)象并為膜蛋白行使功能提供環(huán)境；3）是部分酶行駛功能所必需的。二、膜蛋白膜蛋白是膜功能的主要體現(xiàn)者。核基因組編碼的蛋白質(zhì)中30%左右的為膜蛋白。根據(jù)與膜脂的結(jié)合方式以及在膜中的位置的不同，膜蛋白分為內(nèi)在（integralprotein）、外周蛋白（peripheralprotein）和脂錨定蛋白（lipid-anchoredprotein）。①、②整合蛋白；③、④脂錨定蛋白；⑤、⑥外周蛋白蛋白與膜的結(jié)合方式內(nèi)在蛋白又稱為整合蛋白，以不同程度嵌入脂雙層的內(nèi)部，有的為全跨膜蛋白（tansmembraneproteins）。膜蛋白為兩性分子。它與膜結(jié)合非常緊密，只有用去垢劑（detergent）才能從膜上洗滌下來，常用SDS和Triton-X100。

內(nèi)在蛋白的跨膜結(jié)構(gòu)域形成親水通道有兩種形式，一是由多個α螺旋組成親水通道；而是由β折疊組成親水通道。

（一）內(nèi)在蛋白（integralproteins）

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)域兩端帶正電荷的aa殘基與磷脂分子帶負(fù)電的極性頭形成離子鍵，或帶負(fù)電的氨基酸殘基通過Ca2+、Mg2+等陽離子與帶負(fù)電的磷脂極性頭相互作用。

膜蛋白在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)一側(cè)的半胱氨酸殘基上共價結(jié)合脂肪酸分子,插入脂雙層之間,還有少數(shù)蛋白與糖脂共價結(jié)合。內(nèi)在蛋白與脂膜的結(jié)合方式：（二）外周蛋白（peripheralprotein）外周蛋白又稱為外在蛋白（extrinsicprotein），為水溶性的，分布在細(xì)胞膜的表面，靠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(qiáng)度甚至提高溫度就可以從膜上分離下來。脂錨定蛋白通過磷脂或脂肪酸錨定，共價結(jié)合。分兩類，一類是糖磷脂酰肌醇(GPI)連接的蛋白，GPI位于細(xì)胞膜的外小葉，用磷脂酶C處理能釋放出結(jié)合的蛋白。許多細(xì)胞表面的受體、酶、細(xì)胞粘附分子和引起羊瘙癢病的PrPC就是這類蛋白。另一類脂錨定蛋白與插入質(zhì)膜內(nèi)小葉的長碳?xì)滏溄Y(jié)合。（三）脂錨定蛋白（lipid-anchoredprotein）細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)模型及特點(diǎn)一、細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的研究歷史1.

E.Overton1895推測細(xì)胞膜由連續(xù)的脂類物質(zhì)組成。2.

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

J.Danielli&H.Davson1935提出了”蛋白質(zhì)-脂類-蛋白質(zhì)”的三明治模型。認(rèn)為質(zhì)膜由雙層脂類分子及其內(nèi)外表面附著的蛋白質(zhì)構(gòu)成的。1959年提出了修正模型，認(rèn)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。4.

J.D.Robertson1959用超薄切片技術(shù)獲得了清晰的細(xì)胞膜照片，顯示暗-明-暗三層結(jié)構(gòu)，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(nèi)外表面各厚約2nm的蛋白質(zhì)構(gòu)成。5.

S.J.Singer&G.Nicolson1972

根據(jù)免疫熒光技術(shù)、冰凍蝕刻技術(shù)的研究結(jié)果，在”單位膜”模型的基礎(chǔ)上提出”流動鑲嵌模型”。二、質(zhì)膜的流動鑲嵌模型的特點(diǎn)組成成分：主要組成成分為脂類和蛋白質(zhì)，還含有少量的糖類。不對稱性：蛋白質(zhì)或嵌在脂雙層表面，或嵌在其內(nèi)部，或橫跨整個脂雙層，表現(xiàn)出分布的不對稱性。流動性：膜蛋白和膜脂可作各向運(yùn)動。膜脂的分子運(yùn)動1側(cè)向擴(kuò)散運(yùn)動2旋轉(zhuǎn)運(yùn)動3擺動運(yùn)動4伸縮震蕩運(yùn)動5翻轉(zhuǎn)運(yùn)動6旋轉(zhuǎn)異構(gòu)化運(yùn)動2.影響膜流動的因素主要有側(cè)向擴(kuò)散和旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散兩種運(yùn)動方式。旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散指膜蛋白圍繞與膜平面垂直的軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。膜蛋白的側(cè)向運(yùn)動受細(xì)胞骨架的限制，破壞微絲的藥物如細(xì)胞松弛素B能促進(jìn)膜蛋白的側(cè)向運(yùn)動。可用熒光標(biāo)記技術(shù)和光脫色恢復(fù)技術(shù)檢測膜蛋白的流動性。3．膜蛋白的流動細(xì)胞融合技術(shù)觀察蛋白質(zhì)運(yùn)動光脫色恢復(fù)技術(shù)（FRAP）質(zhì)膜的流動性是保證其正常功能的必要條件。例如跨膜物質(zhì)運(yùn)輸、細(xì)胞信息傳遞、細(xì)胞識別、細(xì)胞免疫、細(xì)胞分化以及激素的作用等等都與膜的流動性密切相關(guān)。當(dāng)膜的流動性低于一定的閾值時，許多酶的活動和跨膜運(yùn)輸將停止，反之如果流動性過高，又會造成膜的溶解。4．膜流動性的意義（三）、細(xì)胞膜的功能

為細(xì)胞的生命活動提供相對穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境;

選擇性的物質(zhì)運(yùn)輸,包括代謝底物的輸入與代謝產(chǎn)物的排除,其中伴隨著能量的傳遞;

提供細(xì)胞識別位點(diǎn),并完成細(xì)胞內(nèi)外信息跨膜傳遞;

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;

介導(dǎo)細(xì)胞與細(xì)胞、細(xì)胞與基質(zhì)之間的連接;

質(zhì)膜參與形成具有不同功能的細(xì)胞表面特化結(jié)構(gòu)。細(xì)胞表面的特化結(jié)構(gòu)是為適應(yīng)某種環(huán)境而形成的特殊表面結(jié)構(gòu)，如：膜骨架、鞭毛和纖毛、微絨毛及細(xì)胞的變形足等，分別與細(xì)胞形態(tài)的維持、細(xì)胞運(yùn)動、細(xì)胞的物質(zhì)交換等功能有關(guān)。

骨架與細(xì)胞表面的特化結(jié)構(gòu)膜骨架指細(xì)胞膜下與膜蛋白相連的由纖維蛋白組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)(meshwork)，它參與維持質(zhì)膜的形狀并協(xié)助質(zhì)膜完成多種生理功能。它的特點(diǎn)是粘質(zhì)性高，有較強(qiáng)的抗拉能力。一、膜骨架二、紅細(xì)胞（一）紅細(xì)胞的生物學(xué)特性哺乳動物成熟的紅細(xì)胞沒有細(xì)胞核和內(nèi)膜系統(tǒng)，細(xì)胞膜既有良好的彈性又有較高的強(qiáng)度，并且細(xì)胞膜和膜骨架的蛋白比較容易純化、分析。紅細(xì)胞經(jīng)過低滲處理，質(zhì)膜破裂，內(nèi)容物釋放，留下一個保持原形的殼，稱為血影。因此，是研究膜骨架的理想材料。（二）紅細(xì)胞質(zhì)膜蛋白及膜骨架血影SDS聚丙烯酰胺凝膠電泳分析：血影蛋白主要成分包括：血影蛋白、錨蛋白、帶3蛋白、帶4.1蛋白、帶4.1蛋白、肌動蛋白和血型糖蛋白。改變處理的離子強(qiáng)度：血影蛋白和肌動蛋白條帶消失，血影的形狀改變，膜的流動性增強(qiáng)。用Triton—100處理：帶3蛋白和一些血型糖蛋白消失，血影的形狀基本不變。用非離子去垢劑處理：所有的脂質(zhì)和血型糖蛋白及大部分帶3蛋白消失，血影的形狀基本不變。膜骨架蛋白主要成分包括：血影蛋白、肌動蛋白、錨蛋白和帶4.1蛋白等。第二節(jié)細(xì)胞連接(celljunction)概念：是指細(xì)胞間或細(xì)胞與細(xì)胞基質(zhì)之間的聯(lián)系結(jié)構(gòu)。類型：根據(jù)行使功能的不同進(jìn)行分類：封閉連接（occludingjunctions）錨定連接（anchoringjunctions）通訊連接（communicatingjunctions）一、封閉連接（occludingjunctions）封閉連接將相鄰的質(zhì)膜緊密連接在一起阻止溶液中的分子沿細(xì)胞間隙滲入體內(nèi)。分為緊密連接和封閉連接。（一）緊密連接（tightjunction）又稱封閉小帶（zonulaoccludens），是封閉連接的主要形式，存在于脊椎動物的上皮細(xì)胞。連接區(qū)域由蛋白質(zhì)形成的嵴線，嵴線主要由兩種跨膜蛋白claudin和occludin和外周蛋白ZO組成。緊密連接具有封閉（阻止可溶性物質(zhì)的擴(kuò)散）、隔離（將上表皮細(xì)胞的游離端與基底面細(xì)胞膜上的膜蛋白相互隔離）和支持功能。

緊密連接模式圖二、錨定連接（anchoringjunctions）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)相連形成一個堅(jiān)挺、有序的細(xì)胞群體。中間纖維有關(guān)的：橋粒（desmosome）半橋粒（hemidesmosome）肌動蛋白有關(guān)的：粘著帶（adhesionbelt）

粘著斑（focaladhesion）類型連接蛋白：細(xì)胞內(nèi)附著蛋白（attachmentproteins）

跨膜連接的糖蛋白橋粒（desmosome）是相鄰細(xì)胞間形成的紐扣式結(jié)構(gòu)。通過質(zhì)膜下的致密斑連接中間纖維，中間為鈣粘素。主要分布在承受拉力的組織中，如皮膚、口腔、試管和心肌中。半橋粒（hemidesmosome）位于上皮細(xì)胞基面與基膜之間，它與橋粒的不同之處在于：①只在質(zhì)膜內(nèi)側(cè)形成橋粒斑結(jié)構(gòu)，其另一側(cè)為基膜；②穿膜連接蛋白為整合素而不是鈣粘素；③細(xì)胞內(nèi)的附著蛋白為角蛋白。（二）、橋粒與半橋粒橋粒的結(jié)構(gòu)模型圖

左，連接子電鏡照片；右，間隙連接模型間隙連接的功能及其調(diào)節(jié)機(jī)制

間隙連接在代謝偶聯(lián)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(xì)胞間代謝偶聯(lián)的基礎(chǔ)

代謝偶聯(lián)現(xiàn)象在體外培養(yǎng)細(xì)胞中的證實(shí)

代謝偶聯(lián)作用在協(xié)調(diào)細(xì)胞群體的生物學(xué)功能方面起重要作用.

間隙連接在早期胚胎發(fā)育和細(xì)胞分化過程中的作用

胚胎發(fā)育中細(xì)胞間的偶聯(lián)提供信號物質(zhì)的通路,從而為某一特定細(xì)胞提供它的“位置信息”，并根據(jù)其位置影響其分化。

腫瘤細(xì)胞之間間隙的連接明顯減少或消失，間隙聯(lián)接類似“腫瘤抑制因子”。

間隙連接在神經(jīng)沖動信息傳遞過程中的作用

電突觸(electronicjunction)快速實(shí)現(xiàn)細(xì)胞間信號通訊

間隙連接調(diào)節(jié)和修飾相互獨(dú)立的神經(jīng)元群的行為胞間連絲結(jié)構(gòu)模型

胞間連絲的功能

實(shí)現(xiàn)細(xì)胞間由信號介導(dǎo)的物質(zhì)有擇性的轉(zhuǎn)運(yùn)；

實(shí)現(xiàn)細(xì)胞間的電傳導(dǎo)；

在發(fā)育過程中，胞間連絲結(jié)構(gòu)的改變可以調(diào)節(jié)植物細(xì)胞間的物質(zhì)運(yùn)輸?；瘜W(xué)突觸的結(jié)構(gòu)（具有小囊泡的一側(cè)為突觸前膜）化學(xué)突觸的結(jié)構(gòu)模型幾類細(xì)胞連接的比較細(xì)胞表面的粘附因子細(xì)胞粘附分子（celladhesionmolecule，CAM）是參與細(xì)胞與細(xì)胞之間及細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)之間相互作用的分子。可大致分為五類：鈣粘素、選擇素、免疫球蛋白超家族、整合素及透明質(zhì)酸粘素。細(xì)胞粘附分子都是跨膜糖蛋白，分子結(jié)構(gòu)由三部分組成：①胞外區(qū)，肽鏈的N端部分，帶有糖鏈，負(fù)責(zé)與配體的識別；②跨膜區(qū)，多為一次跨膜；③胞質(zhì)區(qū)，肽鏈的C端部分，一般較小，或與質(zhì)膜下的骨架成分直接相連，或與胞內(nèi)的化學(xué)信號分子相連，以活化信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。

細(xì)胞粘附分子的作用方式

鈣粘素的作用主要有以下幾個方面：1．介導(dǎo)細(xì)胞連接，在成年脊椎動物，E-鈣粘素是保持上皮細(xì)胞相互粘合的主要CAM，是粘合帶的主要構(gòu)成成分。橋粒中的鈣粘素就是desmoglein及desmocollin。2．參與細(xì)胞分化，鈣粘素對于胚胎細(xì)胞的早期分化及成體組織（尤其是上皮及神經(jīng)組織）的構(gòu)筑有重要作用。在發(fā)育過程中通過調(diào)控鈣粘素表達(dá)的種類與數(shù)量可決定胚胎細(xì)胞間的相互作用（粘合、分離、遷移、再粘合），從而通過細(xì)胞的微環(huán)境，影響細(xì)胞的分化，參與器官形成過程。3．抑制細(xì)胞遷移，很多種癌組織中細(xì)胞表面的E鈣粘素減少或消失，以致癌細(xì)胞易從瘤塊脫落，成為侵襲與轉(zhuǎn)移的前提。因而有人將E鈣粘素視為轉(zhuǎn)移抑制分子。其作用：1．介導(dǎo)細(xì)胞連接，在成年脊椎動物，E-鈣粘素是保持上皮細(xì)胞相互粘合的主要CAM，是粘合帶的主要構(gòu)成成分。2．參與細(xì)胞分化，鈣粘素對于胚胎細(xì)胞的早期分化及成體組織的構(gòu)筑有重要作用。在發(fā)育過程中通過調(diào)控鈣粘素表達(dá)的種類與數(shù)量可決定胚胎細(xì)胞間的相互作用，從而通過細(xì)胞的微環(huán)境，影響細(xì)胞的分化，參與器官形成過程。3．抑制細(xì)胞遷移，很多種癌組織中細(xì)胞表面的E鈣粘素減少或消失，以致癌細(xì)胞易從瘤塊脫落，成為侵襲與轉(zhuǎn)移的前提。因而有人將E鈣粘素視為轉(zhuǎn)移抑制分子。一、鈣粘素鈣粘素（cadherin）屬親同性CAM，其作用依賴于Ca2＋。至今已鑒定出30種以上鈣粘素（表10-2），分布于不同的組織。一、鈣粘素（cadherin）屬親同性CAM，其作用依賴于Ca2＋。至今已鑒定出30種以上鈣粘素，分布于不同的組織。鈣粘素結(jié)構(gòu)模型二、選擇素選擇素（selectin）屬親異性CAM，其作用依賴于Ca2＋。主要參與白細(xì)胞與脈管內(nèi)皮細(xì)胞之間的識別與粘合。已知選擇素有三種：L選擇素、E選擇素及P選擇素。三、免疫球蛋白超家族免疫球蛋白超家族（Ig-superfamily，Ig-SF）包括分子結(jié)構(gòu)中含有免疫球蛋白（Ig）樣結(jié)構(gòu)域的所有分子，一般不依賴于Ca2＋。免疫球蛋白樣結(jié)構(gòu)域系指借二硫鍵維系的兩組反向平行β折疊結(jié)構(gòu)（圖11-19）。三、免疫球蛋白超家族免疫球蛋白超家族（Ig-superfamily，Ig-SF），分子結(jié)構(gòu)中含有免疫球蛋白（Ig）的類似結(jié)構(gòu)域CAM超家族，一般不依賴于