細(xì)胞生物學(xué)課件：第四章-質(zhì)膜與細(xì)胞表面+細(xì)胞連接

第四章質(zhì)膜與細(xì)胞表面細(xì)胞外圍結(jié)構(gòu)分兩層：內(nèi)層：細(xì)胞膜（質(zhì)膜）外層：細(xì)胞表面植物細(xì)胞—細(xì)胞壁動(dòng)物細(xì)胞—細(xì)胞外被、細(xì)胞外基質(zhì)質(zhì)膜的基本結(jié)構(gòu)質(zhì)膜的理化屬性細(xì)胞外被細(xì)胞表面的特化結(jié)構(gòu)細(xì)胞連接第一節(jié)質(zhì)膜的基本結(jié)構(gòu)

質(zhì)膜與細(xì)胞內(nèi)的各種膜在結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成和活動(dòng)屬性方面有一定的共性總稱為生物膜。生物膜是細(xì)胞進(jìn)行生命活動(dòng)的重要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，能量轉(zhuǎn)換、物質(zhì)運(yùn)輸、信息傳遞等都與膜的作用密切相關(guān)，隨著對(duì)膜的研究的深入，逐漸形成了一門學(xué)科-膜生物學(xué)（membranebiology）。一、質(zhì)膜結(jié)構(gòu)的研究歷史及其結(jié)構(gòu)模式

1.Overton(1895)發(fā)現(xiàn)凡是溶于脂肪的物質(zhì)很容易透過(guò)植物的細(xì)胞膜，而不溶于脂肪的物質(zhì)不易透過(guò)細(xì)胞膜，因此推測(cè)細(xì)胞膜由連續(xù)的脂類物質(zhì)組成。2.E.Gorter&F.Grendel1925用有機(jī)溶劑提取了人類紅細(xì)胞質(zhì)膜的脂類成分，將其鋪展在水面，測(cè)出膜脂展開(kāi)的面積二倍于細(xì)胞表面積，因而推測(cè)細(xì)胞膜由雙層脂分子組成。

3.J.Danielli&H.Davson1935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(cè)膜中含有蛋白質(zhì)，從而提出了”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)外表面附著的球形蛋白質(zhì)構(gòu)成------雙分子片層模型為了解釋質(zhì)膜對(duì)水的通透性高這一事實(shí)，1959年在上述基礎(chǔ)上提出了修正模型，認(rèn)為膜上存在貫穿脂雙層的蛋白質(zhì)通道，供親水物質(zhì)通過(guò)。

4.J.D.Robertson1959結(jié)合超薄切片技術(shù)在電鏡下獲得了清晰的細(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的展開(kāi)的蛋白質(zhì)構(gòu)成。（球形蛋白分子必然要大于2nm）。2nm3.5nm2nm紅細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)

單位膜模型：電鏡下的質(zhì)膜呈三層式結(jié)構(gòu)，兩側(cè)為暗線(蛋白質(zhì)與磷脂分子極性頭），中央為明線（磷脂分子非極性尾）。單位膜模型的不足之處在于把膜的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)描寫(xiě)成靜止不變的。重要性在于將膜的分子結(jié)構(gòu)同膜的電鏡圖像聯(lián)系起來(lái)，對(duì)膜的一些屬性做出了合理的解釋。

單位膜：指在電鏡下呈現(xiàn)暗—明—暗三層式結(jié)構(gòu)，由脂、蛋白組成的任何一層生物膜。5、質(zhì)膜的流動(dòng)鑲嵌模型（fluidmosaicmodel）：S.J.Singer&G.Nicolson1972年根據(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(dòng)鑲嵌模型”。強(qiáng)調(diào)膜的流動(dòng)性和膜蛋白分布的不對(duì)稱性。(Nobel,1972)膜主要成分----脂類和蛋白質(zhì)脂類分子成雙分子層排列，構(gòu)成膜的網(wǎng)架，是膜的基質(zhì)；蛋白有兩種，插入膜中（整合蛋白），或附著于細(xì)胞表面（邊周蛋白），表現(xiàn)出分布的不對(duì)稱性；膜不是靜止的，而是處于流動(dòng)變化之中。二、幾個(gè)反映質(zhì)膜流動(dòng)性的試驗(yàn)1.細(xì)胞融合實(shí)驗(yàn)2.淋巴細(xì)胞的成斑（patching）和成帽（capping）反應(yīng)3.凝集素的凝集作用。利用細(xì)胞融合技術(shù)觀察蛋白質(zhì)運(yùn)動(dòng)(1970年LarryFrye等人將人和和鼠的細(xì)胞膜用不同熒光抗體標(biāo)記后，讓兩種細(xì)胞融合，雜種細(xì)胞一半發(fā)紅色熒光、另一半發(fā)綠色熒光，放置一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)兩種熒光抗體均勻分布。)成斑和成帽現(xiàn)象

膜的特征鑲嵌性:膜的基本結(jié)構(gòu)是由脂雙分子層鑲嵌以蛋白質(zhì)構(gòu)成；流動(dòng)性:脂類分子和蛋白質(zhì)分子在膜中的位置是不斷變化的；不對(duì)稱性:膜兩側(cè)分子性質(zhì)和結(jié)構(gòu)不同（同一種脂分子在脂雙層中呈不均勻分布；糖脂和糖蛋白的寡糖鏈只分布于細(xì)胞膜的外表面；每種膜蛋白分子在細(xì)胞膜上都具有特定的方向性和分布的區(qū)域性）；蛋白質(zhì)極性:膜整合蛋白多肽鏈的極性區(qū)露出膜表面，非極性區(qū)埋在脂雙層內(nèi)部，故蛋白質(zhì)分子既與水溶性分子結(jié)合，也可與脂溶性分子親和。三、生物膜的化學(xué)組成蛋白質(zhì)—20~70%；脂類—30~70%；碳水化合物—10%質(zhì)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。一、膜脂（一）膜脂成分磷脂:是構(gòu)成膜脂的基本成分，約占整個(gè)膜脂的50％以上。甘油磷脂、鞘磷脂；特征：親水頭部、疏水尾部糖脂:含糖類殘基的復(fù)合脂類,含量約占脂總量的5％以下。膽固醇:只存在于動(dòng)物細(xì)胞質(zhì)膜中,含量一般不超過(guò)膜脂的1/3，其功能是提高雙脂層的力學(xué)穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)雙脂層流動(dòng)性，降低水溶性物質(zhì)的通透性。在缺少膽固醇培養(yǎng)基中，不能合成膽固醇的突變細(xì)胞株很快發(fā)生自溶。第二節(jié)質(zhì)膜的理化屬性（二）膜脂的特性1.膜脂的雙分子性脂分子具有親水性頭部和疏水性尾部，在水相中可自然形成雙分子層。2.膜脂的流動(dòng)性相變溫度：膜脂隨溫度的不同而有所變化，或處于液相，或處于固相，處于固相的膜脂隨著溫度的緩慢提高，脂雙層可由晶態(tài)熔融為流動(dòng)性較大的液態(tài)，發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度即為相變溫度。（1）膜脂分子的運(yùn)動(dòng)A.側(cè)向擴(kuò)散：同一平面上相鄰的脂分子交換位置。B.旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：膜脂分子圍繞與膜平面垂直的軸進(jìn)行快速旋轉(zhuǎn)。C.擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)：膜脂分子圍繞與膜平面垂直的軸進(jìn)行左右擺動(dòng)。D.伸縮震蕩：脂肪酸鏈沿著縱軸進(jìn)行伸縮震蕩運(yùn)動(dòng)。E.翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：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，運(yùn)動(dòng)速度較慢。F.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(yùn)動(dòng)。（2）影響膜脂分子流動(dòng)性的因素A.脂肪酸鏈的不飽和度：脂肪酸鏈所含雙鍵越多越不飽和，使膜流動(dòng)性增加。B.

脂肪酸鏈的鏈長(zhǎng)：長(zhǎng)鏈脂肪酸相變溫度高，膜流動(dòng)性差。C.

膽固醇/磷脂：在相變溫度以上，膽固醇含量的增加可提高膜脂的有序性，從而降低膜脂的流動(dòng)性。D.

卵磷脂/鞘磷脂：該比例高則膜流動(dòng)性增加，是因?yàn)榍柿字扯雀哂诼蚜字蚜字闹舅岵伙柡统潭雀?，鞘磷脂的脂肪酸飽和程度高）。E.

其他因素：膜蛋白和膜脂的結(jié)合方式、溫度、酸堿度、離子強(qiáng)度等。3.膜脂的不對(duì)稱分布（1）脂雙層兩層的脂質(zhì)成分不對(duì)稱

如人的紅細(xì)胞質(zhì)膜，脂雙層的外單層幾乎全部由磷脂酰膽堿和鞘磷脂所組成，而內(nèi)單層主要由磷脂酰乙醇胺和磷脂酰絲氨酸所組成。（2）倒翻酶和促翻酶對(duì)脂分子分布的作用

如質(zhì)膜中含有一種翻轉(zhuǎn)酶可把帶有游離氨基的磷脂從脂雙層的外層翻運(yùn)到細(xì)胞質(zhì)溶質(zhì)層，從而造成質(zhì)膜脂雙層分子高度不對(duì)稱。（3）質(zhì)膜的外表面普遍有糖脂

糖脂和糖蛋白的寡糖鏈只分布于細(xì)胞膜的外表面，在細(xì)胞與周圍環(huán)境相互關(guān)系中發(fā)揮作用。（4）脂筏的存在

脂筏：主要指由鞘脂質(zhì)、膽固醇和糖苷脂組成，由于鞘脂質(zhì)的飽和脂尾比較長(zhǎng)，因此由鞘脂質(zhì)和膽固醇組成的脂筏比周圍的脂雙層要厚。

脂筏功能多樣化，與激活和啟動(dòng)信號(hào)傳遞級(jí)聯(lián)反應(yīng)和細(xì)胞內(nèi)吞等活動(dòng)有關(guān)。(5)膜脂不對(duì)稱性的生物學(xué)作用

如磷脂酰絲氨酸由胞質(zhì)層翻轉(zhuǎn)到質(zhì)外層，為巨噬細(xì)胞所識(shí)別，成為被吞噬的信號(hào)；質(zhì)膜脂雙層的不對(duì)稱性發(fā)生紊亂造成一些疾病等。二、膜蛋白（一）膜蛋白的存在形式

根據(jù)蛋白與質(zhì)膜的結(jié)合關(guān)系，將膜蛋白劃分為三類1.整合蛋白（內(nèi)在蛋白）：均為雙性分子，非極性區(qū)插入脂雙層分子間，極性區(qū)朝向膜的表面，通過(guò)很強(qiáng)的疏水或親水作用力同膜脂牢固結(jié)合，不易分離開(kāi)來(lái)。

2.周邊蛋白:依靠電荷或氫鍵的相互作用，與整合蛋白或膜脂的極性頭結(jié)合，從而附著在膜表面的蛋白質(zhì)。此類蛋白由于不是共價(jià)鍵結(jié)合，故容易抽提出來(lái)。

3.脂錨定蛋白：通過(guò)與脂錨形成共價(jià)鍵結(jié)合到膜上的蛋白。①和②蛋白以α螺旋1次或多次穿膜；③蛋白通過(guò)脂錨共價(jià)結(jié)合到膜上；④周邊蛋白與脂類通過(guò)寡糖鏈同外脂單層中的磷脂酰肌醇結(jié)合；⑤和⑥周邊蛋白以非共價(jià)鍵與其它膜蛋白結(jié)合。（二）膜蛋白的種類根據(jù)功能的不同，可將構(gòu)成膜的蛋白質(zhì)分為以下幾類：1.膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（ABC蛋白質(zhì)家族、ATP泵、通道蛋白、載體蛋白等）

2.受體蛋白

3.酶

4、粘合與連接相關(guān)蛋白

有些蛋白的界限并不嚴(yán)格，有的膜蛋白兼有多種功能。（三）膜蛋白的運(yùn)動(dòng)性運(yùn)動(dòng)方式主要為:側(cè)向擴(kuò)散（側(cè)向移動(dòng)）、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（圍繞與膜平面垂直的軸旋轉(zhuǎn)）。影響因素：

1.周圍膜脂的性質(zhì)和相態(tài)：質(zhì)膜不同的區(qū)域，膜脂的相態(tài)不同，處于不同區(qū)域的蛋白的運(yùn)動(dòng)性就不同。

2.質(zhì)膜相關(guān)結(jié)構(gòu)的作用：膜蛋白并不是隨脂質(zhì)隨機(jī)漂流，還與膜相關(guān)的結(jié)構(gòu)有關(guān)。

3.細(xì)胞骨架的作用：細(xì)胞中的細(xì)胞骨架對(duì)膜蛋白的運(yùn)動(dòng)性具有動(dòng)態(tài)控制作用。微管可固定膜蛋白的位置，微絲可引起膜蛋白的運(yùn)動(dòng)，發(fā)生成帽反應(yīng)。膜內(nèi)表面的微絲分布都與膜蛋白的分布在位置上有著密切的對(duì)應(yīng)關(guān)系。三、膜流動(dòng)性的生理意義質(zhì)膜的流動(dòng)性由膜脂的流動(dòng)性和膜蛋白的運(yùn)動(dòng)性兩個(gè)方面組成。質(zhì)膜的流動(dòng)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(shí)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(dòng)性密切相關(guān)。當(dāng)膜的流動(dòng)性低于一定的閾值時(shí)，許多酶的活動(dòng)和跨膜運(yùn)輸將停止，反之如果流動(dòng)性過(guò)高，又會(huì)造成膜的溶解。第三節(jié)細(xì)胞外被一、細(xì)胞外被的形態(tài)和組成動(dòng)物細(xì)胞表面存在一層富含糖類物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，稱為cellcoat或糖萼（glycocalyx)，厚約10-20nm。構(gòu)成質(zhì)膜的糖蛋白和糖脂伸出的寡糖鏈組成；具一定獨(dú)立性，去掉后不會(huì)直接損傷質(zhì)膜。寡糖鏈——9種單糖基組成：D—

葡萄糖；D—

半乳糖；D—

甘露糖；L—

巖澡糖；L—

阿拉伯糖；D—

木糖；N—

乙?！狣—

葡萄糖胺；N—

乙?！狣—

半乳糖胺；N—

乙酰神經(jīng)氨酸（唾液酸）糖脂的含量很少，一般不超過(guò)膜脂的5%，組成糖脂的寡糖鏈的單糖殘基通常在8個(gè)以下，最近端的一個(gè)多為葡萄糖。

糖蛋白的寡糖鏈一般由十幾個(gè)單糖組成，最多不超過(guò)25個(gè)，糖蛋白中糖含量變化很大，少的在1%以下，多的可超過(guò)60%，寡糖鏈以其還原端與其蛋白質(zhì)部分的氨基酸共價(jià)結(jié)合。糖鏈構(gòu)成細(xì)胞外被質(zhì)膜的許多重要生理功能和細(xì)胞外被有關(guān)。（一）細(xì)胞識(shí)別“物以類聚”寡糖鏈由質(zhì)膜糖蛋白和糖脂伸出，每種細(xì)胞寡糖鏈的單糖殘基具有一定的排列順序，編成了細(xì)胞表面的密碼，它是細(xì)胞的”指紋”，為細(xì)胞的識(shí)別形成了分子基礎(chǔ)。同時(shí)細(xì)胞表面尚有寡糖的專一受體，對(duì)具有一定序列的寡糖鏈具有識(shí)別作用。因此，細(xì)胞識(shí)別實(shí)質(zhì)上是分子識(shí)別。（二）血型抗原：血型實(shí)質(zhì)上是不同的紅細(xì)胞表面抗原決定的，人有20幾種血型，最基本的血型是ABO血型。紅細(xì)胞質(zhì)膜上的糖鞘脂是ABO血型系統(tǒng)的血型抗原，血型免疫活性特異性的分子基礎(chǔ)是糖鏈的糖基組成。A、B、O三種血型抗原的糖鏈結(jié)構(gòu)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；AB型兩種糖基都有，O型血?jiǎng)t缺少這兩種糖基。（三）具有酶活性：細(xì)胞外被中有的糖蛋白具有酶活性（小腸上皮細(xì)胞的游離端，表面上的糖萼與消化有關(guān)）第四節(jié)

細(xì)胞表面的特化結(jié)構(gòu)一、微絨毛(Microvilli)廣泛存在于動(dòng)物各種細(xì)胞游離表面。功能：擴(kuò)大表面積，其類似結(jié)構(gòu)：微棘和絲足糖萼與微絨毛

二、褶皺(Ruffle)-細(xì)胞表面的扁形突起，與吞飲有關(guān)，在活動(dòng)細(xì)胞的邊緣比較顯著。巨噬細(xì)胞表面的皺褶，與吞噬顆粒物質(zhì)有關(guān)

三、圓泡(Bleb)——細(xì)胞表面泡狀突起，多出現(xiàn)在M和G1期，微絨毛、圓泡在細(xì)胞周期中的變化：M晚期、G1期——S期————G2——M期圓泡多表面平滑微絨毛逐漸增多四、內(nèi)褶(Infolding)：質(zhì)膜由細(xì)胞表面內(nèi)陷形成的結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大了細(xì)胞的表面積。常見(jiàn)于液體和離子交換活動(dòng)比較旺盛的細(xì)胞。五、纖毛和鞭毛（Cilia,Flagella）：細(xì)胞表面伸出的條狀運(yùn)動(dòng)裝置（講細(xì)胞骨架時(shí)講）第二十章第四節(jié)細(xì)胞連接多細(xì)胞生物的組織中，細(xì)胞與細(xì)胞間和細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)間往往形成一些結(jié)構(gòu)關(guān)系，這些結(jié)構(gòu)稱為細(xì)胞連接（celljunction）。按功能分：封閉連接（occludingjunction）

錨定連接（anchoringjunction）通訊連接（communicatingjunction）按結(jié)構(gòu)主要分為9種。一、封閉連接代表：緊密連接，脊椎動(dòng)物上皮細(xì)胞間以及表皮細(xì)胞間連接方式；相臨細(xì)胞跨膜蛋白對(duì)應(yīng)相接“焊接”成條狀——嵴線，嵴線縱橫交錯(cuò)，匯合成網(wǎng)狀，達(dá)到封閉、連接目的。功能：1、信號(hào)傳遞。通過(guò)與信號(hào)傳遞蛋白的結(jié)合起到傳遞信號(hào)的作用；2、調(diào)節(jié)胞側(cè)運(yùn)輸。通過(guò)封閉相鄰細(xì)胞間的接縫，防止一些大分子在細(xì)胞間隙中自由穿行，選擇性地讓小的分子和離子通過(guò)胞側(cè)運(yùn)輸穿越上皮或內(nèi)皮層。3、間隔作用。由于鏈索條的存在，阻止膜蛋白的自由擴(kuò)散等，使其定位于質(zhì)膜的一定區(qū)域中，保持各區(qū)成分的穩(wěn)定。緊密連接位于上皮細(xì)胞的上端

隔狀連接：廣泛存在于無(wú)脊椎動(dòng)物組織中的一種上皮細(xì)胞間的密封結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于脊椎動(dòng)物中的緊密連接，連接處質(zhì)膜下方有肌動(dòng)蛋白絲束。二、錨定連接動(dòng)物細(xì)胞連接方式；主要作用：連接細(xì)胞與細(xì)胞或細(xì)胞與基膜特點(diǎn)：通過(guò)骨架系統(tǒng)將細(xì)胞與相鄰細(xì)胞或細(xì)胞與基質(zhì)之間連接起來(lái)。

微管

微絲：主要成分肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架

纖絲

中間絲：又稱10nm絲，中間纖維

粗絲

微梁網(wǎng)架分類：粘合帶、粘合斑：與肌動(dòng)蛋白相連橋粒、半橋粒：與中間纖維相連（一）、粘合帶與粘合斑與肌動(dòng)蛋白相連粘合帶（adhesionbelt）呈帶狀環(huán)繞細(xì)胞，一般位于上皮細(xì)胞頂側(cè)面的緊密連接下方。在粘合帶處，相鄰細(xì)胞的間隙約15～20nm。粘合帶位于緊密連接下方粘合連接間隙兩側(cè)的質(zhì)膜有伸出的跨膜蛋白，相互粘合，將相鄰細(xì)胞的質(zhì)膜連在一起。間隙中的粘合分子稱為鈣粘蛋白（cadherins）。在質(zhì)膜的內(nèi)側(cè)有幾種附著蛋白（連接蛋白）與鈣粘蛋白結(jié)合在一起，這些附著蛋白包括：α-，β-，γ-連鎖蛋白（catenin）、粘著斑蛋白（vinculin）、α-輔肌動(dòng)蛋白（α-actinin）和片珠蛋白（plakoslobin）。粘合帶處的質(zhì)膜下方有與質(zhì)膜平行排列的肌動(dòng)蛋白絲束，鈣粘蛋白通過(guò)附著蛋白與肌動(dòng)蛋白絲束相結(jié)合。于是，相鄰細(xì)胞中的肌動(dòng)蛋白絲束通過(guò)鈣粘蛋白和附著蛋白編織成了一個(gè)廣泛的網(wǎng)絡(luò)，把相鄰細(xì)胞聯(lián)合在一起。粘合帶結(jié)構(gòu)模型

粘合斑（adhesionplaque）位于細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)間。連接處的質(zhì)膜呈盤(pán)狀，稱為粘合斑。通過(guò)整聯(lián)蛋白（integrin）把細(xì)胞中的肌動(dòng)蛋白絲束和基質(zhì)連接起來(lái)。橋粒位于粘合帶下方

（二）橋粒、半橋粒：與中間纖維（絲）相連橋粒（desmosome）存在于承受強(qiáng)拉力的組織中，如皮膚、口腔、食管等處的復(fù)層鱗狀上皮細(xì)胞之間和心肌中。橋粒的結(jié)構(gòu)模型

相鄰細(xì)胞間形成紐扣狀結(jié)構(gòu)，細(xì)胞膜之間的間隙約