第三章 細胞質(zhì)膜與細胞外基質(zhì)

第三章細胞質(zhì)膜與細胞外基質(zhì)

一細胞質(zhì)膜二細胞外被與細胞外基質(zhì)三細胞連接一細胞質(zhì)膜（一）細胞膜的化學(xué)組成（二）細胞膜的結(jié)構(gòu)模型（三）細胞膜的功能（四）紅細胞膜骨架（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）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，推測細胞膜的化學(xué)組成主要是脂類和蛋白質(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?/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：整個分子分3部分：羥基團組成的親水的（hydrophilic）極性頭部、疏水的（hydrophobic）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（3）脂質(zhì)體2膜蛋白（1）類型：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，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，糖蛋白是細胞膜中最為豐富的蛋白質(zhì)，真核細胞質(zhì)膜上的蛋白質(zhì)幾乎都是糖蛋白。凝集素：凝集素（lectin）是一類從植物種子和動物組織中提取的糖蛋白或結(jié)合糖的蛋白。

（二）細胞膜的結(jié)構(gòu)模型

1脂肪柵的膜結(jié)構(gòu)設(shè)想：19世紀90年代，Overton發(fā)現(xiàn)脂溶性物質(zhì)易透過細胞（以植物的根毛做實驗），認為在細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)對紅細胞的研究（發(fā)現(xiàn)用提取的脂鋪展后測得的面積同實際測量的紅細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胞表面張力相當(dāng)?shù)乃降仁聦嵦岢黾毎さ摹半p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胞膜照片，顯示暗-明-暗三層結(jié)構(gòu)。

5流動鑲嵌模型：20世紀60年代發(fā)展起來的冰凍蝕刻技術(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)時有關(guān)膜的研究成果，提出了流動鑲嵌模型

（fluidmosaicmodel）,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。

5流動鑲嵌模型膜的流動性和不對稱性是生物膜的兩個基本特征。

1）膜的流動性：

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

①膜脂的流動：主要指脂分子的側(cè)向運動，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）及脂肪酸鏈的長短及不飽和程度、離子強度等。

②膜蛋白的運動：可分為側(cè)向擴散和旋轉(zhuǎn)擴散2種。

可用熒光漂白恢復(fù)技術(shù)（fluorescencerecoveryafterphotobleaching，F(xiàn)RAP）和細胞融合技術(shù)檢測膜的流動性。

熒光漂白恢復(fù)技術(shù)（又稱光脫色恢復(fù)技術(shù)）――用熒光標記的抗體與細胞膜上的抗原反應(yīng)，使細胞膜帶有熒光，用紫外線照射，使一側(cè)細胞的熒光淬滅（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，能量不是以熒光而是通過碰撞弛豫到達其他能級。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，嚴重時會收不到熒光光譜。陽光或是強的燈光都會使熒光染料發(fā)生急劇的淬滅），放置一段時間后會發(fā)現(xiàn)熒光物質(zhì)又均勻分布在細胞表面。（2）膜的不對稱性：

膜不對稱性主要是指其組成成分分布及在排列方向上的不對稱。

①膜脂的不對稱性：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膜蛋白的不對稱性：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)合糖的不對稱性：無論在何種情況下，糖脂和糖蛋白只分布于細胞膜的外表面，這些成分可能是細胞表面受體，并且與細胞的抗原性有關(guān)。

冷凍斷裂技術(shù)可用來證明膜的不對稱性。（三）細胞膜的功能細胞質(zhì)膜的主要功能概括如下：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)。（四）紅細胞膜骨架

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

①血影蛋白：由結(jié)構(gòu)相似的α鏈、β鏈組成一個異二聚體，兩個二聚體頭與頭相接連形成一四聚體。

②肌動蛋白：肌動蛋白纖維上有多個血影蛋白結(jié)合位點，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。每個單體含929個氨基酸，穿膜12次。當(dāng)紅細胞通過肺時，帶3蛋白把HCO3-換成Cl-，而排出CO2。

⑤血型糖蛋白A：單次穿膜糖蛋白，約有131個氨基酸，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蛋白相連，形成血影蛋白網(wǎng)絡(luò)。

↓（錨蛋白）↓（帶4.1蛋白）（加強連接）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)：細胞外基質(zhì)（extracellularmatrix，ECM）是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)纖維水化基質(zhì)組分粘連分子動物細胞細胞外基質(zhì)膠原、彈性蛋白蛋白聚糖纖粘連蛋白、層粘連蛋白植物細胞細胞壁纖維素半纖維素、伸展蛋白果膠（二）動物細胞的細胞外基質(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－－使細胞粘著1膠原膠原是動物體內(nèi)含量最豐富的蛋白質(zhì)。①功能：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)成細胞外基質(zhì)的骨架結(jié)構(gòu)。②類型：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)上合成帶有信號肽的前原膠原，切除信號肽并化學(xué)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，分別切去N端前肽及C端前肽，成為原膠原。原膠原進而聚合成膠原纖維。

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，不含羥賴氨酸。構(gòu)象呈無規(guī)則卷曲狀，通過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)成的無分枝長鏈多糖。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，是增殖細胞和遷移細胞胞外基質(zhì)的主要成分，尤其在胚胎組織中。在結(jié)締組織中它起強化、彈性和潤滑作用，同時也是蛋白聚糖的主要結(jié)構(gòu)組分。②HA整個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電荷的親水性基團（如COO-），可結(jié)合大量水分子和陽離子，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胞外基質(zhì)與細胞聯(lián)系起來的橋梁作用。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（基膜是上皮細胞下方一層柔軟的特化的細胞外基質(zhì)，也存在于肌肉、脂肪和許旺細胞的周圍。它不僅起保護和過濾作用，還決定細胞的極性）。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)細胞粘著。三細胞連接（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胞間，相鄰細胞之間的質(zhì)膜緊密結(jié)合，沒有縫隙。緊密連接由跨膜的細胞粘附分子構(gòu)成。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(nèi)。2間壁連接：存在于無脊椎動物上皮細胞的緊密連接，連接的細胞內(nèi)骨架成分為肌動蛋白纖維。（二）錨定連接錨定連接將相鄰細胞的骨架系統(tǒng)或?qū)⒓毎c基質(zhì)相連形成一個堅挺、有序的細胞群體。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）橋粒在兩個細胞之間形成鈕扣式的結(jié)構(gòu)將相鄰細胞鉚接在一起，細胞質(zhì)內(nèi)的中間纖維通過橋粒的盤狀致密斑相互連接形成貫穿于整個組織的整體網(wǎng)絡(luò)，相鄰兩細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）半橋粒與橋粒類似，在形態(tài)上相當(dāng)于半個橋粒。但功能和化學(xué)組成不同。它通過細胞膜上的膜蛋白即整聯(lián)蛋白將上皮細胞固著在基底膜上，中間纖維不是穿過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)繞細胞，一般位于上皮細胞頂側(cè)面的緊密連接下方。粘著帶處的相鄰細胞膜的相互作用依賴于Ca2+，間隙中的粘著分子為E-鈣粘素。（2）粘著斑（adhesionplaque）位于細胞與細胞外基質(zhì)間，通過整合素（integrin）把細胞中的肌動蛋白束和基質(zhì)連接起來。連接處的質(zhì)膜呈盤狀，稱為粘合斑。體外培養(yǎng)的成纖維細胞通過粘著斑貼附在瓶壁上。（三）通訊連接

1間隙連接—動物細胞之間的通訊連接2胞間連絲—植物細胞特有的通訊連接3化學(xué)突觸—神經(jīng)細胞之間的通訊連接1間隙連接構(gòu)成間隙連接的基本單位稱連接子，由6個相同或相似的跨膜蛋白亞單位環(huán)繞而成，直徑8nm，中心形成一個直徑約1.5nm的孔道，相鄰細胞膜上的兩個連接子對接便形成一個間隙連接單位。間隙連接的功能及其調(diào)節(jié)機制（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。（2）間隙連接能在神經(jīng)細胞間形成電偶聯(lián)。（3）間