細胞生物學04質膜及表面結構

第四章質膜及其表面結構PlasmaMembraneanditsSurfaceStructures質膜（plasmamembrane）包在細胞外面所以又稱細胞膜。圍繞各種細胞器的膜，稱為細胞內膜。質膜和內膜在起源、結構和化學組成的等方面具有相似性，故總稱為生物膜（biomembrane）。生物膜是細胞進行生命活動的重要物質基礎。質膜表面寡糖鏈形成細胞外被（cellcoat）或糖萼。質膜下的表層溶膠中具有細胞骨架成分組成的網(wǎng)絡結構，除對質膜有支持作用外，還與維持質膜的功能有關，所以這部分細胞骨架又稱為膜骨架。細胞外被、質膜和表層胞質溶膠構成細胞表面。本章內容提要第一節(jié)質膜的化學組成第二節(jié)質膜的結構第三節(jié)細胞表面的分化一、研究歷史二、流動鑲嵌模型三、細胞膜的功能一、細胞外被二、膜骨架 三、質膜的特化結構質膜膜脂磷脂甘油磷脂鞘磷脂糖脂膽固醇膜蛋白整合蛋白外周蛋白脂錨定蛋白第一節(jié) 質膜的化學組成質膜主要由膜脂和膜蛋白組成，另外還有少量糖，主要以糖脂和糖蛋白的形式存在。膜脂是膜的基本骨架，膜蛋白是膜功能的主要體現(xiàn)者。動物細胞膜通常含有等量的脂類和蛋白質。第一節(jié) 質膜的化學組成一、膜脂膜脂主要包括磷脂、糖脂和膽固醇三種類型。（一）、磷脂是構成膜脂的基本成分，約占整個膜脂的50％以上。磷脂分子的主要特征是：具有一個極性頭和兩個非極性的尾（脂肪酸鏈），線粒體內膜上的心磷脂具有4個非極性局部。脂肪酸碳鏈為偶數(shù)，多數(shù)碳鏈由16，18或20個碳原子組成。常含有不飽和脂肪酸（如油酸）。第一節(jié) 質膜的化學組成卵磷脂一、膜脂第一節(jié) 質膜的化學組成1、甘油磷脂以甘油為骨架的磷脂類，在骨架上結合兩個脂肪酸鏈一個磷酸基團，膽堿、乙醇胺、絲氨酸或肌醇等分子籍磷酸基團連接到脂分子上。主要類型有：磷脂酰膽堿phosphatidylcholine，PC，舊稱卵磷脂磷脂酰絲氨酸phosphatidylserine，PS磷脂酰乙醇胺phosphatidylethanolamine，PE，舊稱腦磷脂磷脂酰肌醇phosphatidylinositol，PI雙磷脂酰甘油Diphosphatidylglycerol,DPG，舊稱心磷脂一、膜脂第一節(jié) 質膜的化學組成1、甘油磷脂一、膜脂第一節(jié) 質膜的化學組成1、甘油磷脂一、膜脂第一節(jié) 質膜的化學組成雙磷脂酰甘油，心磷脂2、鞘磷脂鞘磷脂（sphingomyelin，SM）是含鞘氨醇或二氫鞘氨醇的磷脂，其分子不含甘油，是一分子脂肪酸以酰胺鍵與鞘氨醇的氨基相連。在腦和神經(jīng)細胞膜中特別豐富。以鞘胺醇（sphingoine）為骨架，與一條脂肪酸鏈組成疏水尾部，親水頭部也含膽堿與磷酸結合。原核細胞、植物中沒有鞘磷脂。酰胺鍵

（二）、糖脂

這是一類含糖類殘基的復合脂質化學結構各不相同的脂類化合物，是含糖而不含磷酸的脂類，含量約占脂總量的5％以下，在神經(jīng)細胞膜上糖脂含量較高，約占5-10％。糖脂也是兩性分子，其結構與鞘磷脂很相似，只是由一個或多個糖殘基代替了磷脂酰膽堿而與鞘氨醇的羥基結合。糖脂亦分為兩大類：糖基酰甘油和糖鞘脂。glycolipids糖脂Glycolipids糖脂（三）、膽固醇主要存在真核細胞膜上，含量一般不超過膜脂的1/3，植物細胞膜中含量較少，其功能是提高雙脂層的力學穩(wěn)定性，調節(jié)雙脂層流動性，降低水溶性物質的通透性。（四）、脂質體（liposome）脂質體（liposome）是一種人工膜。在水中磷脂分子親水頭部插入水中，疏水尾部伸向空氣，攪動后形成雙層脂分子的球形脂質體，人工脂質體可用于：轉基因制備的藥物:利用脂質體可以和細胞膜融合的特點，將藥物送入細胞內部研究生物膜的特性二、膜蛋白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中30%左右的為膜蛋白。根據(jù)膜蛋白與脂分子的結合方式，可分為：整合蛋白（integralprotein）外周蛋白（peripheralprotein）脂錨定蛋白（lipid-anchoredprotein）整合蛋白:為跨膜蛋白（tansmembraneproteins），是兩性分子。與膜的結合非常緊密，只有用去垢劑才能從膜上洗滌下來，如離子型去垢劑SDS，非離子型去垢劑TritonX-100。SDSTritonX-100外周蛋白:靠離子鍵或其它較弱的鍵與膜表面的蛋白質分子或脂分子的親水部分結合，因此只要改變溶液的離子強度甚至提高溫度就可以從膜上分離下來，有時很難區(qū)分整合蛋白和外周蛋白，主要是因為一個蛋白質可以由多個亞基構成，有的亞基為跨膜蛋白，有的則結合在膜的外部。脂錨定蛋白（lipid-anchoredprotein）可以分為兩類：糖磷脂酰肌醇(glycophosphatidylinositol，GPI)連接的蛋白

GPI位于細胞膜的外小葉，用磷脂酶C（能識別含肌醇的磷脂）處理細胞，能釋放出結合的蛋白。許多細胞表面的受體、酶、細胞粘附分子和引起羊瘙癢病的PrPC都是這類蛋白。另一類脂錨定蛋白與插入質膜內小葉的長碳氫鏈結合。①,②integralprotein；③,④peripheralprotein；⑤,⑥lipid-anchoredprotein第二節(jié)質膜的結構一、質膜結構的研究歷史E.Overton1895發(fā)現(xiàn)凡是溶于脂肪的物質很容易透過植物的細胞膜，而不溶于脂肪的物質不易透過細胞膜，因此推測細胞膜由連續(xù)的脂類物質組成。E.Gorter&F.Grendel1925用有機溶劑提取了人的紅細胞質膜的脂類成分，將其鋪展在水面，測出膜脂展開的面積二倍于細胞表面積，因而推測細胞膜由雙層脂分子組成。3、J.Danielli&H.Davson1935發(fā)現(xiàn)質膜的表面張力比油－水界面的張力低得多，推測膜中含有蛋白質。從而提出了”蛋白質-脂類-蛋白質”的三明治模型。認為質膜由雙層脂類分子及其內外表面附著的蛋白質構成的。1959年在上述基礎上提出了修正模型，認為膜上還具有貫穿脂雙層的蛋白質通道，供親水物質通過4、J.D.Robertson1959用超薄切片技術獲得了清晰的細胞膜照片，顯示暗-明-暗三層結構，它由厚約3.5nm的雙層脂分子和內外表面各厚約2nm的蛋白質構成，總厚約7.5nm。5、S.J.Singer&G.Nicolson1972根據(jù)免疫熒光技術、冰凍蝕刻技術的研究結果，提出了“流動鑲嵌模型”。二、質膜的流動鑲嵌模型根據(jù)Fluid-mosaicmodel：細胞膜由流動的雙脂層和嵌在其中的蛋白質組成。磷脂分子以疏水性尾部相對，極性頭部朝向水相組成生物膜骨架；蛋白質或嵌在雙脂層表面，或嵌在其內部，或橫跨整個雙脂層，表現(xiàn)出分布的不對稱性。（一）、質膜的流動性由膜脂和蛋白質的分子運動兩個方面組成。1、膜脂分子的運動側向擴散運動：同一平面上相鄰的脂分子交換位置。旋轉運動：圍繞與膜平面垂直的軸進行快速旋轉。擺動運動：圍繞與膜平面垂直的軸進行左右擺動。伸縮震蕩運動：脂肪酸鏈進行伸縮震蕩運動。翻轉運動：膜脂分子從脂雙層的一層翻轉到另一層。旋轉異構化運動：脂肪酸鏈圍繞C-C鍵旋轉。膜脂分子的運動旋轉異構化運動翻轉運動伸縮震蕩運動擺動運動旋轉運動側向擴散運動2、影響膜脂流動性的因素膽固醇：膽固醇的含量增加會降低膜的流動性。脂肪酸鏈的飽和度：脂肪酸鏈所含雙鍵越多越不飽和，使膜流動性增加。脂肪酸鏈的鏈長：長鏈脂肪酸相變溫度高，膜流動性降低。卵磷脂/鞘磷脂：該比例高則膜流動性增加，是因為鞘磷脂粘度高于卵磷脂。其他因素：溫度、酸堿度、離子強度等。3、膜蛋白的分子運動主要有側向擴散和旋轉擴散兩種運動方式。膜蛋白的側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能促進膜蛋白的側向運動。4、膜流動性的生理意義質膜的流動性是保證其正常功能的必要條件。當膜的流動性低于一定的閾值時，許多酶的活動和跨膜運輸將停止，反之如果流動性過高，又會造成膜的溶解。利用細胞融合技術觀察蛋白質運動

1970年LarryFrye等人將人和和鼠的細胞膜用不同熒光抗體標記后，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（二）膜的不對稱性質膜內外兩層的組分和功能的差異，稱為膜的不對稱性。樣品經(jīng)冰凍斷裂處理后，細胞膜可從脂雙層中央斷開，各斷面命名為：ES，細胞外表面（extrocytoplasmicsurface）；EF，細胞外小頁斷面（extrocytoplasmicface）；PS，原生質表面（protoplasmicsurface）；PF，原生質內小頁斷面（protoplasmicface）。1、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：卵磷脂和鞘磷脂主要分布在外小葉，腦磷脂和PS分布在內小葉。用磷脂酶處理完整的人類紅細胞，80%的PC卵磷脂降解，PE腦磷脂和PS磷脂酰絲氨酸分別只有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構域——脂筏。

2．復合糖的不對稱性：糖脂和糖蛋白只分布于細胞膜的外表面。3、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。如各種激素的受體具有極性，細胞色素C位于線粒體內膜側。三、細胞膜的功能為細胞的生命活動提供相對穩(wěn)定的內環(huán)境；選擇性的物質運輸，包括代謝底物的輸入與代謝產(chǎn)物的排出；提供細胞識別位點，并完成細胞內外信息的跨膜傳遞；為多種酶提供結合位點，使酶促反應高效而有序地進行；介導細胞與細胞、細胞與基質之間的連接；參與形成具有不同功能的細胞表面特化結構。第三節(jié)細胞表面的分化細胞表面的特化結構如：膜骨架、鞭毛和纖毛、微絨毛及細胞的變形足等等，分別與細胞形態(tài)的維持、細胞運動、細胞的物質交換等功能有關。一、細胞外被動物細胞表面的一層富含糖類物質的結構，稱為細胞外被或糖萼。用重金屬染料,如釕紅染色后，在電鏡下可顯示厚約10~20nm的結構，邊界不甚明確。作用：保護，細胞通信，并與細胞表面的抗原性有關。紅細胞質膜上的糖鞘脂是AB0血型系統(tǒng)的血型抗原，糖鏈結構基本相同，只是糖鏈末端的糖基有所不同。A型血的糖鏈末端為N-乙酰半乳糖；B型血為半乳糖；O型血則缺少這兩種糖基。Simplifieddiagramofthecellcoat(glycocalyx)二、膜骨架膜骨架是質膜下纖維蛋白組成的網(wǎng)架結構；位于細胞質膜下約0.2μm厚的溶膠層。作用：維持質膜的形狀并協(xié)助質膜完成多種生理功能。成熟的哺乳動物血紅細胞沒有核和內膜系統(tǒng)，是研究膜骨架的理想材料。紅細胞經(jīng)低滲處理，細胞破裂釋放出內容物，留下一個保持原形的空殼，稱為血影（ghost）。三、質膜的特化結構質膜常帶有許多特化的附屬結構。如：微絨毛、皺褶、纖毛、鞭毛等等，這些特化結構在細胞執(zhí)行特定功能方面具有重要作用。由于其結構細微，多數(shù)只能在電鏡下觀察到。（一）、微絨毛microvilli是細胞表面伸出的細長突起，廣泛存在于動物細胞表面。直徑約為0.1μm。內芯由肌動蛋白絲束

組成。肌動蛋白絲之間由許多微絨毛蛋白（villin）和絲束蛋白（fimbrin）組成的橫橋相連。微絨毛處質膜有myosinI(肌球蛋白

)構成的側臂與肌動蛋白絲束相連，從而將肌動蛋白絲束固定。作用：擴大了細胞的表面積，有利于細胞同外環(huán)境的物質交換。如小腸上微絨毛，使細胞表面積擴大了30倍。小鼠腎曲管上皮細胞微絨毛，冰凍蝕刻

補充：在消化系統(tǒng)中，食物在口腔和食道內不被吸收。在胃內，食物的吸收也是很少的，。大腸主要吸收水分和鹽類。小腸是吸收的主要部位。人的小腸長約5～6米，它的粘膜具有環(huán)狀皺褶，并擁有大量指狀突起的絨毛，因而使吸收面增大30倍，達10平方米；（二）、皺褶（ruffle）細胞表面的扁形突起，也稱為片足（lamellipodia

）。在巨噬細胞的表面上，普遍存在著皺褶結構，與吞噬顆粒物質有關。注：巨噬細胞是一種位于組織內的白血球，在脊椎動物體內參與非特異性防衛(wèi)（先天性免疫）和特異性防衛(wèi)（細胞免疫）。它們的主要功能是以固定細胞或游離細胞的形式對細胞殘片及病原體進行噬菌作用（即吞噬以及消化），并激活淋巴球或其他免疫細胞，令其對病原體作出反應。Infolding（三）、內褶內褶（infolding）是質膜由細胞表面內陷形成的結構，以相反的方式擴大了細胞的表面積。這種結構常見于液體和離子交換活動比較旺盛的細胞。內褶主要見于腎小管，擴大了細胞基底面部的表面積，有利于水和電解質的迅速運轉。（四）、纖毛和鞭毛纖毛（cilia）和鞭毛（flagella）是細胞表面伸出的條狀運動裝置。二者在發(fā)生和結構上并沒有什么差別。纖毛和鞭毛都來源于中心粒。其詳細結構和功能可參見細胞骨架一章。Humansperm思考題1.生物膜的基本結構特征是什么?這些特征與它的生理功能有什么聯(lián)系?2.何謂內在膜蛋白?內在膜蛋白以什么方式與膜脂相結合?3.從生物膜結構模型的演化談談人們對生物膜結構的認識過程?4.細胞連接有哪幾種類型,各有何功能?第二節(jié) 細胞連接細胞連接的功能分類細胞表面的粘著因子是細胞與細胞間或細胞與細胞外基質的聯(lián)結結構。細胞連接的體積很小，只有在電鏡下才能觀察到。細胞連接的功能分類封閉連接（occludingjunction）錨定連接（anchoringjunction）通訊連接（communicatingjunction）。（一）緊密連接（tightjunction）存在于脊椎動物的上皮細胞間,又稱封閉小帶連接區(qū)域具有蛋白質焊接線，也稱嵴線，由跨膜細胞粘附分子構成。相鄰細胞之間的質膜緊密結合，沒有縫隙主要作用：封閉了細胞與細胞之間的空隙，防止溶液中的分子沿細胞間隙滲入體內，甚至連水分子都不能透過。構成腦血屏障和睪血屏障。1 封閉連接

是存在于無脊椎動物上皮細胞的緊密連接。連接蛋白呈梯子狀排列，形狀非常規(guī)則（二）間壁連接（septatejunctions）1 封閉連接粘合帶處的質膜下方有與質膜平行排列的肌動蛋白束，鈣粘蛋白通過附著蛋白與肌動蛋白束相結合。于是，相鄰細胞中的肌動蛋白絲束通過鈣粘蛋白和附著蛋白編織成了一個廣泛的網(wǎng)絡，把相鄰細胞聯(lián)合在一起。粘合斑（adhesionplaque）位于細胞與細胞外基質間，通過整合素（integrin）把細胞中的肌動蛋白束和基質連接起來。連接處的質膜呈盤狀，稱為粘合斑。（一）粘合帶與粘合斑2 錨定連接粘合帶圖粘合帶結構模型（一）粘合帶與粘合斑錨定連接

橋粒（desmosome）是相鄰細胞間形成紐扣狀結構分布；存在于承受強拉力的組織中，如皮膚、口腔、食管和心肌中。質膜下方有細胞質附著蛋白質，如片珠蛋白、橋粒斑蛋白等，形成一厚約15～20nm的致密斑。通過膜下的致密斑連接中間纖維橋粒中間為鈣粘素（desmoglein及desmocollin）。因此相鄰細胞中的中間纖維通過細胞質斑和鈣粘素構成了穿胞細胞骨架網(wǎng)絡。（二）橋粒與半橋粒2 錨定連接圖橋粒的結構模型錨定連接圖 橋粒位于粘合帶下方錨定連接半橋粒（hemidesmosome）在結構上類似橋粒，位于上皮細胞基面與基膜之間，與橋粒的不同之處在于：①只在質膜內側形成橋粒斑結構，其另一側為基膜；②穿膜連接蛋白為整合素（integrin）而不是鈣粘素，整合素是細胞外基質的受體蛋白；③細胞內的附著蛋白為角蛋白（keratin）。基膜是一種復合的細胞外結構,是細胞外基質的特異區(qū)。錨定連接）。圖 半橋粒連接上皮細胞基面和基膜錨定連接存在于大多數(shù)動物組織。連接子(connexon)，是構成間隙連接的基本單位，稱由6個相同或相似的跨膜蛋白亞單位環(huán)繞而成通過向細胞內注射分子量不同的染料，證明間隙連接的通道可以允許分子量小于1.5KD的分子通過。這表明細胞內的小分子，如無機鹽離子、糖、氨基酸、核苷酸和維生素等有可能通過間隙連接的孔隙。三、通訊連接（一）間隙連接（gapjunction）

間隙連接的通透性是可調節(jié)的。在實驗條件下，降低細胞PH值，或升高鈣離子濃度均可降低間隙連接的通透性。當細胞破損時，大量鈣離子進入，導致間隙連接關閉，以免正常細胞受到傷害。（一）間隙連接

圖左，連接子電鏡照片 右，間隙連接模型圖 間隙連接電鏡照片間隙連接的功能包括：1．參與細胞分化

胚胎發(fā)育的早期，細胞間通過間隙連接相互協(xié)調發(fā)育和分化。小分子物質即可在一定細胞群范圍內，以分泌源為中心，建立起遞變的擴散濃度梯度，為處于梯度范圍內的細胞提供”位置信息,從而誘導細胞向著一定方向分化。2．協(xié)調代謝在體外培養(yǎng)條件下，把不能利用外源次黃嘌呤合成核酸的突變型成纖維細胞和野生型成纖維細胞共同培養(yǎng)，則兩種細胞都能吸收次黃嘌呤合成核酸。如果破壞細胞間的間隙連接，則突變型細胞不能吸收次黃嘌呤合成核酸。（一）間隙連接3、構成電緊張突觸平滑肌、心肌、神經(jīng)末梢間均存在的這種間隙連接，稱為電緊張突觸。電緊張突觸無須依賴神經(jīng)遞質或信息物質即可將一些細胞的電興奮活動傳遞到相鄰的細胞。（一）間隙連接植物細胞特有的通訊連接。由穿過植物細胞壁的原生質體構成，直徑約20～40nm。中央有光面內質網(wǎng)形成的連絲小管。連絲小管與胞間連絲的質膜內襯之間，填充有一圈細胞質溶質功能與動物細胞間的間隙連接類似，允許分子量小于800Da的分子通過通透性可調節(jié).某些植物病毒能制造特殊的蛋白質,使胞間連絲的有效孔徑擴大，使病毒粒子得以通過胞間連絲在植物體內自由播散和感染。（二）胞間連絲圖胞間連絲結構模型是存在于可興奮細胞間的一種連接方式，其作用是通過釋放神經(jīng)遞質來傳導興奮。由突觸前膜、突觸后膜和突觸間隙三部分組成突觸前神經(jīng)元的突起末梢膨大呈球形，稱突觸小體突觸小體內有許多囊泡，稱突觸小泡(synapticvesicle)，內含神經(jīng)遞質。（三）化學突觸（synapse）

當神經(jīng)沖動傳到突觸前膜，突觸小泡釋放神經(jīng)遞質，為突觸后膜的受體接受（配體門通道），引起突觸后膜離子通透性改變，膜去極化或超極化。（三）化學突觸圖化學突觸的結構模型（三）化學突觸各種連接的比較封閉連接緊密連接上皮組織間壁連接只存在于無脊椎動物中錨定連接連接肌動蛋白粘合帶上皮組織粘合斑上皮細胞基部連接中間纖維橋粒心肌、表皮半橋粒上皮細胞基部通訊連接間隙連接大多數(shù)動物組織中胞間連絲植物細胞間化學突觸神經(jīng)細胞間和神經(jīng)—肌肉間圖11-15幾類細胞連接的比較細胞粘附分子（celladhesionmolecule，CAM）是參與細胞與細胞之間及細胞與細胞外基質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透明質酸粘素細