细胞膜及其表面

第五章细胞膜及其表面细胞膜也称质膜。质膜和各种细胞器的膜结构统称生物膜。第一节细胞膜的分子结构和特性教学要求：1.掌握：膜脂的类型：膜蛋白的类型及其功能：膜结构模型；膜的特性。2.熟悉：膜脂的结构。3.了解：膜结构模型、膜特性的研究背景；一、膜的化学组成细胞膜的化学组成：脂质分子、蛋白质分子、糖类分子、还有少量的水、无机盐和金属离子。蛋白质和脂质分子的比例：常因细胞种类的不同而异，变化范围在1∶4～4∶1之间。多数细胞：膜脂约占50%，膜蛋白质约占40%～50%，膜糖类约占1%～10%。功能复杂的膜中蛋白质的比例大（一）、膜脂磷脂（phospholipid）胆固醇（cholesterol）糖脂（glocolipid）亲水脂分子（amphipahicmolecules）1.磷脂磷脂酰胆碱分子结构鞘磷脂磷脂酰乙醇胺磷脂酰丝氨酸磷脂酰胆碱2.胆固醇3.糖脂Figure10-5.Across-sectionalviewofasyntheticlipidbilayer,calledablackmembrane.Thisplanarbilayerisformedacrossasmallholeinapartitionseparatingtwoaqueouscompartments.Blackmembranesareusedtomeasurethepermeabilitypropertiesofsyntheticmembranes.膜脂分子的排列特性脂质体（二）膜蛋白是细胞膜的重要组成成分，同时也是细胞膜功能的主要承担者膜蛋白种类繁多，功能各异，有：运输蛋白、酶蛋白、信号转导、免疫反应、受体、连接蛋白参与细胞的运动冰冻裂解法证明许多细胞膜中均存在蛋白颗粒。1.内在蛋白又称镶嵌蛋白（mosaicprotien）或整合蛋白（integralprotien）是兼性分子，亲水区域暴露于膜两侧的水溶液中，疏水区则位于脂质双层内部，并与脂质分子的疏水尾相互作用不易分离，只有用去垢剂溶解和纯化才能得到生物学功能极为复杂,与细胞的支持、物质运输、能量转化、信息传递、神经传导以及免疫反应等功能有着密切关系。①,②integralprotein；③,④peripheralprotein；⑤,⑥lipid-anchoredprotein2.膜周边蛋白（peripheralprotein）分布于细胞膜的内外表面，主要分布于细胞膜的内表面一般用高浓度的盐溶液可将许多膜外周蛋白从膜上洗脱与细胞的胞吞作用、细胞变形运动以及细胞分裂时细胞膜的缢缩有关（三）膜糖1.糖脂：glycolipid2.糖蛋白：（glycoprotien）在细胞膜上，寡聚糖链只伸向细胞的外表面；在细胞内膜系统中，糖残基都存在于膜腔面。组成寡糖链的单糖数量、种类、结合方式、排列顺序以及有无分支等不同，出现了无数种组合方式。几乎涉及细胞所有的生物学现象。二、膜的分子结构片层结构模型单位膜模型液态镶嵌模型晶格镶嵌模型（一）片层结构模型1935年Davson和Danielli提出：脂质分子构成细胞膜的脂质双层；球形蛋白分子结合于脂质双层的内外两侧。（二）单位膜模型1959年J.D.Robertson单位膜（7.5nm）该模型认为：所有生物膜都是蛋白质—脂质双层—蛋白质式的三层结构，厚度约为7.5nm。电镜下观察到的亮带为脂质双分子层，厚约3.5nm；脂双层两侧的两条致密暗带为蛋白质层，各厚2nm。优点：单位膜模型指出了所有生物膜形态结构上的共性，并对膜的属性作出了一定解释。不足之处：把所有的生物膜看成静态的单一结构，忽视了膜的流动性。（三）液态镶嵌模型S.J.Singer和G.Nicolson1972年膜的冰冻蚀刻示意图膜的液态镶嵌模型（1）认为生物膜是流动的。膜中的脂质分子和蛋白质分子均可在膜平面上进行侧向移动。（2）认为膜蛋白的分布是不对称性的。在膜的内部或膜的内外表面以各种形式结合着功能各异的蛋白质。缺点：忽视了蛋白质分子对脂质分子流动性的控制作用，忽视了膜的各部分流动性的不均匀性等问题。液态镶嵌模型的主要特点是：1975年，Wallach提出了晶格镶嵌模型：脂质双层可逆地进行着有序（晶态）和无序（液态）的相变；膜蛋白分子对磷脂分子的流动性具有限制作用（界面脂、晶格）；脂质的流动性是局部的。优点：比较合理地解释了生物膜既有流动性，又有相对完整性和稳定性的原因。对液态镶嵌模型的补充:(四）脂伐是质膜上富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域，结构致密，是蛋白质的停泊平台，与膜的信号转导、蛋白质的分选有关。1977年Jain和White又提出了板块模型（blockymodel）三、膜的理化特性细胞膜的不对称性细胞膜的流动性（一）细胞膜的不对称性1.膜蛋白的不对称性分布（绝对性）外周蛋白的不对称分布内在蛋白的不对称分布糖蛋白EFPF小鼠肝细胞膜冰冻蚀刻糖脂全部分布在细胞膜的外侧单层组成膜两个单层的膜脂种类不同2.脂质双层的不对称性膜脂、膜蛋白以及膜表面的糖脂和糖蛋白在细胞膜上的不对称分布，导致膜功能的不对称以及物质运输和信号传递的方向性，从而保证了细胞代谢功能的正常进行。（二）膜的流动性细胞膜的流动性（fluidity）是指膜蛋白和膜脂分子的运动性1.膜脂分子的运动侧向扩散旋转运动自身摆动翻转运动2.膜蛋白分子的运动侧向扩散旋转扩散1970年，Edidin等人用细胞融合间接荧光抗体免疫标记实验证明了膜蛋白的侧向扩散。光脱色恢复技术（fluorescencerecoveryafterphotobleaching,FRAP）细胞融合间接免疫荧光法光致漂白荧光恢复法3.影响细胞膜流动性的因素脂肪酸链的长度与不饱和度的影响胆固醇的影响卵磷脂和鞘磷脂比值的影响蛋白质的影响温度的影响第二节细胞表面及其特化结构教学要求：1.掌握：细胞外被的概念；桥粒、封闭、间隙连接的结构分布和功能；细胞外基质的主要物质类型和功能。2.了解：细胞表面的特式结构概念：包围在细胞质外层的一个复合结构体系和多功能体系，是细胞与外环境物质相互作用，并产生各种复杂功能的部位。包括细胞的质膜、质膜外的细胞外被以及质膜内的胞质溶胶层。功能复杂：对细胞起支持和保护，与整个细胞的行为、生理活动、相互识别、黏着、物质运输、信息转导、细胞运动、生长分化、衰老以及病理过程都有密切关系。细胞表面一、细胞外被和胞质溶胶层（一）细胞外被概念：细胞外被（cellcoat）或糖萼，是动物细胞膜外的一层绒毛状的多糖物质，厚5～20nm，由细胞膜糖蛋白、蛋白聚糖和糖脂的糖链向外伸展、交织而成。糖链通常不超过15个单糖残基，称低聚糖链。特点：寡聚糖链末端常连接带负电荷的唾液酸，使寡糖链彼此排斥，僵直分布；糖链交织成网状结构，细胞得到支持和保护；糖链上的亲水集团和负电荷能吸引大量的水分子和Na+、Ca2+等阳离子，为细胞生命活动提供稳定的微环境。功能：寡糖链蕴藏着巨大的信息，是细胞识别、信号传递、免疫应答和粘着的分子基础。（二）胞质溶胶概念：质膜下面一层厚0.1-0.2μm的较粘滞无结构的液体物质。特点：含较高浓度的蛋白质，分布着较多的微丝和微管。功能：赋予细胞强的抗张强度，维持细胞的极性、形态和调节膜蛋白的分布，与细胞运动密切相关。二、细胞表面的特殊结构微绒毛褶皱圆泡细胞内褶纤毛和鞭毛微绒毛皱褶（ruffle）细胞表面的扁形突起，也称为片足（lamellipodia）。在巨噬细胞的表面上，普遍存在着皱褶结构，与吞噬颗粒物质有关。内褶内褶（infolding）是质膜由细胞表面内陷形成的结构，以相反的方式扩大了细胞的表面积。这种结构常见于液体和离子交换活动比较旺盛的细胞。纤毛和鞭毛纤毛（cilia）和鞭毛（flagella）是细胞表面伸出的条状运动装置。二者在发生和结构上并没有什么差别。纤毛和鞭毛都来源于中心粒。三、细胞的连接细胞连接（celljunction）：是多细胞生物各种组织的相邻细胞，通过细胞膜局部的特化区域形成的细胞装配结构。功能：加强细胞间的机械联系和组织牢固性；沟通细胞间信息传递和物质交流；将相关细胞连接成协调活动的有机整体。类型：紧密连接、锚定连接、通讯连接。（一）紧密连接（tightjunction）概述：亦称封闭连接（occludingjunction），广泛存在于各种有腔脏器管腔面上皮细胞游离缘的侧表面，如小肠上皮细胞。结构：封闭索（sealingstrand）是紧密连接的基本结构——紧密结合的膜蛋白颗粒组成嵴，相邻细胞膜上的嵴对应排列，就像拉链头对头地连接成封闭索。封闭索交织成网状，将相邻细胞紧密连接在一起。功能：连接相邻细胞外；封闭上皮细胞间隙，保证组织内环境的相对稳定；将上皮细胞游离面和基底面不同功能的转运蛋白限制在各自的范围，保证物质转运的方向性。TightJunctioninEpitheliaofRabbitTightJunctionsSealoffbodycavitiesRestrictdiffusionofmembranecomponentsTightJunction（二）锚定连接anchoringjunction锚定连接由骨架纤维介导，可分为粘着连接和桥粒连接。1.粘着连接（adheringjunction）（1）粘着带（adhesionbelt）：位于上皮细胞顶端的外侧面、紧密连接的下方。通过一种依赖Ca2+的粘合机制使相邻细胞的跨膜糖蛋白相互粘着；微丝束平行环绕细胞膜并与跨膜糖蛋白相连；相邻细胞膜在粘着带处有15～20nm的间隙。功能：增强组织的机械性能；在脊椎动物形态发生过程中起重要作用。AdhesionBelt是细胞与胞外基质的一种连接方式。粘着斑是膜下微丝束的终末，通过粘着斑连接蛋白与跨膜糖蛋白连接。跨膜糖蛋白是细胞外基质中纤粘连蛋白的受体，介导细胞与细胞外基质粘着。粘着斑的形成与解离对细胞的铺展和迁移有重要意义，如成纤维细胞在培养过程中的贴壁、铺展等。（2）粘着斑（adhesionplaque）2.桥粒连接desmosomejunction（1）点状桥粒（spotdesmosome）：似铆钉，相邻细胞膜相互平行，有宽约30nm的间隙。结构：盘状胞质斑（cytoplasmicplaque），厚约15～20nm；中间纤维被更细的纤维系牢在胞质斑上；跨膜连接糖蛋白附着于胞质斑上，将两个细胞连接在一起。功能：抵抗外来的张力、压力及撕裂力。与疾病：天疱疮是一种桥粒结构缺陷疾病，上皮层细胞松开，组织液漏入表皮，导致水疱形成。（2）半桥粒（hemidesmosome）：只有点状桥粒的一半，通过与胞质斑相连的跨膜连接糖蛋白将上皮组织与基底膜连接在一起。Desmosome（三）通讯连接包括间隙连接、化学突触、胞间连丝。1.间隙连接相邻细胞膜间深处，存在着2～3nm的间隙。连接子间隙连接单位Gapjunction间隙连接介导的细胞通讯代谢偶联：间隙连接允许离子、葡萄糖、氨基酸、核苷酸和维生素等代谢物从一个细胞迅速到达另一个细胞，使细胞产生代谢偶联，借以实现细胞间通讯，进而协调细胞群的各种代谢活动。如在胚胎早期发育和细胞的分化。电偶联：连接子有离子通道作用，间隙连接区的电阻远低于膜的其它部位，便于离子通过迅速进入相邻细胞，使相邻细胞膜去极化，产生兴奋。如心肌细胞的同步收缩和舒张。间隙连接的通透性调节：实验证明，间隙连接的通透性受细胞内Ca2+水平、pH值、电压梯度和细胞外信号的调节。2.化学突触化学突触（chemicalsynapse）是存在于神经元和神经元之间、神经元和效应器细胞之间的细胞连接方式。由突触前膜、突触间隙和突触后膜构成，通过释放神经递质传导神经冲动。四、细胞外基质ECM(extracellularmatrix)是细胞外大分子构成的网络。包括：胶原、非胶原糖蛋白、氨基聚糖与蛋白聚糖、弹性蛋白等。ECM在结缔组织中含量较高。ECM的成分及组装形式由所产生