第三章细胞质膜与细胞表面教案

1、第四章 细胞膜与细胞表面第一节 细胞膜与细胞表面的特化结构Cell membrane:指围绕在细胞最外层，由脂类和蛋白质组成的薄膜是所有细胞共有的包被（原生质，细胞质）的一层膜。又有原生质膜（Plasmalemma）之称，通常简称质膜（Plasma membrane）。Internal membrane:细胞质中围绕各种细胞器的膜，称为细胞内膜。Biomembrane:质膜和内膜在起源、结构和化学组成的等方面具有相似性，总称为生物膜。一、细胞膜的结构模型1、质膜的化学性质（1）E. Overton ，1895 ，推测细胞膜由连续的脂类物质组成凡是溶于脂肪的物质很容易透过植物的细胞膜，而不溶于脂

2、肪的物质不易透过细胞膜（根毛实验）（2）lamgmuir，1917，设计了脂类单分子膜技术，也称脂平衡技术（详见韩p90）方法：将溶有脂类的有机溶剂倒入有水的浅槽中，使脂分子铺展。然后用板条使脂分子排成紧密的脂单层。水面上浮有的灵敏的平衡装置，可测出脂分子单层所占的面积，再根据脂分子数，计算单个脂分子所占的面积。（3） E. Gorter & F. Grendel， 1925，推测细胞膜由双层脂分子组成。利用了lamgmuir的方法，测出了红细胞膜（血影）的面积恰是红细胞表面积的2倍。用有机溶剂提取了人类红细胞质膜的脂类成分，将其铺展在水面，测出膜脂展开的面积二倍于细胞表面积（红细胞直径7m，

3、推测出其表面积为100m2）两个错误假定的偶然补偿：丙酮没有提取完所有的脂膜；对红细胞表面积的测定根据的是干样品，实际所测的值少于真实的湿样品。（4）1933年，Collander和Barlund提出膜上有亲水通道一些小分子，如甲醇、水，其穿入细胞的能力大于根据其脂溶性应有的穿膜能力，提出膜上有贯穿脂双层的小孔，便于亲水性分子通过。（5）1932，Cole；1934，Shapiro提出膜中有蛋白的存在海胆卵细胞质膜质膜的表面张力比油水界面的张力低得多，进一步提纯后张力增加。推测膜中含有蛋白质，从而认为质膜由双层脂类分子及其内外表面附着的蛋白质构成的。2、膜的结构模型：（1）双分子片层模型（bi

4、molecular leaflet model） Danielli & Davson，1935“蛋白质-脂类-蛋白质”的三明治模型两层磷脂，外面是球形的蛋白1959年在上述基础上提出了修正模型，认为膜上还具有贯穿脂双层的蛋白质通道，供亲水物质通过。（2）单位膜模型（The unit membrane model） 1959， J. D. Robertson（英国伦敦大学） ，用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，显示暗-明-暗三层结构，厚约7.5nm：膜中央为脂双层，厚约3.5nm；膜两侧为展开的蛋白质分子层，各厚约2nm。不足之处：膜静止；无法解释膜的厚度；无法解释膜蛋白的分离为何有难有易u

5、nit membrane：电镜下所看到的暗-明-暗三层式的膜结构。注：人工的脂双层即使不附有蛋白也是暗-明-暗三层结构。电镜下的暗线是蛋白和脂类的亲水端经锇酸染色后的反映。（3）流动镶嵌模型（fluid mosaic model）S. J. Singer & G. Nicolson， 1972根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果。强调膜的流动性和膜蛋白分布的不对称性。（流动性、镶嵌性、不对称性和蛋白质极性）（4）其它模型：晶格镶嵌模型（蛋白液晶膜模型）、板块镶嵌模型、脂筏模型（Lipid rafts model）：并无本质区别，只是对流动镶嵌模型的进一步补充说明脂筏（lipid raft）

6、和膜窖（caveolae）脂筏是膜脂双层内含有特殊脂质和蛋白质的微区.主要由鞘脂,胆固醇及蛋白质组成，不仅存在于质膜上，而且还存在于高尔基体膜。脂筏的组分和结构特点有利于蛋白质之间相互作用和构向转化,可以参与信号转导和蛋白质转运脂筏上富含胆固醇和鞘磷脂，大小约70nm左右，是一种动态结构，位于质膜的外小页。由于鞘磷脂具有较长的饱和脂肪酸链，分子间的作用力较强，所以这些区域结构致密，介于无序液体与液晶之间，称为有序液体（Liquid-ordered）。在低温下这些区域能抵抗非离子去垢剂的抽提，所以又称为抗去垢剂膜（detergent-resistant membranes，DRMs）。脂筏就像一

7、个蛋白质停泊的平台，与膜的信号转导、蛋白质分选均有密切的关系。从脂筏的角度来看，膜蛋白可以分为三类：存在于脂筏中的蛋白质；包括糖磷脂酰肌醇锚定蛋白（GPI anchored protein），某些跨膜蛋白，Hedgehog蛋白，双乙酰化蛋白（doubly acylated protein）如：非受体酪氨酸激酶Src、G蛋白的G亚基、血管内皮细胞的一氧化氮合酶（NOS）；存在于脂筏之外无序液相的蛋白质；介于两者之间的蛋白质，如某些蛋白在没有接受到配体时，对脂筏的亲和力低，当结合配体，发生寡聚化时就会转移到脂筏中。脂筏中的胆固醇就像胶水一样，它对具有饱和脂肪酸链的鞘磷脂亲和力很高，而对不饱和脂肪酸

8、链的亲和力低，用甲基-环糊精（methyl-cyclodextrin）去除胆固醇，抗去垢剂的蛋白就变得易于提取。膜中的鞘磷脂主要位于外小页，而且大部分都参与形成脂筏。据估计脂筏的面积可能占膜表面积的一半以上。脂筏的大小是可以调节的，小的独立脂筏可能在保持信号蛋白呈关闭状态方面具有重要作用，当必要时，这些小的脂筏聚集成大一个大的平台，在那里信号分子（如受体）将和它们的配件相遇，启动信号传递途径。如致敏原（allergen）能够将过敏患者体内肥大细胞或嗜碱性细胞表面的IgE抗体及其受体桥联起来，形成较大的脂筏，受体被脂筏中的Lyn（一种非受体酪氨酸激酶）磷酸化，启动下游的信号转导，最终引发过敏反应

9、。细胞表面的膜窖（caveolae）具有和脂筏一样的膜脂组成，不含笼形蛋白（clathrin），含有膜窖蛋白caveolin（一种小分子量的蛋白，21KD）。大量存在于脂肪细胞、上皮细胞和平滑肌细胞。这种结构细胞的内吞有关，另外膜窖中还富含某些信号分子，说明它与细胞的信号转导有关。膜窖现已被确认为一种细胞器。1955年，日本学者首次用电镜确认它的存在。近期研究认为膜窖是一种能进行区室化信号转导的膜系统，在细胞表面形成了一个特殊的分割空间。小结：生物膜结构（“Central dogma ” of membrane biology 膜生物学的中心法则）*磷脂双分子层是组成生物膜的基本结构成分,尚未

10、发现膜结构中起组织作用的蛋白；*蛋白分子以不同方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面, 膜蛋白是赋予生物膜功能的主要决定者；（强调膜蛋白的含量与功能的关系）*生物膜是磷脂双分子层嵌有蛋白质的二维流体。二、质膜的化学组成质膜主要由膜脂和膜蛋白组成，另外还有少量糖，主要以糖脂和糖蛋白的形式存在。几乎全都是脂类（50%）和蛋白质（40%），仅含少量糖类（210%糖脂和糖蛋白）和微量核酸（细菌质膜、核膜、mit、chl内膜），结合方式及存在意义尚不清楚。动物细胞膜通常含有等量的脂类和蛋白质。膜脂是膜的基本骨架，膜蛋白是膜功能的主要体现者。注：某些膜蛋白只有在特定膜脂存在时才能发挥其功能。如：蛋白激酶C结

11、合于膜的内侧，需要磷脂酰丝氨酸的存在下才能发挥作用；线粒体内膜的细胞色素氧化酶，需要心磷脂存在才具活性。（一）、膜脂类型：磷脂、糖脂和胆固醇功能：膜的基本骨架；影响膜的生物学功能1、磷脂约占整个膜脂的50以上。分甘油磷脂和鞘磷脂。磷脂分子的主要特征：具有一个极性头和两个（心磷脂具4个）非极性的尾；脂肪酸碳链为偶数（多为16，18或20个碳）；常含有不饱和脂肪酸（如油酸）。（1）甘油磷脂以甘油为骨架的磷脂类，在骨架上结合两个脂肪酸链和一个磷酸基团，胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇等分子籍磷酸基团连接到脂分子上主要类型：PC：磷脂酰胆碱（phosphatidyl choline，旧称卵磷脂）PS：磷脂酰

12、丝氨酸（phosphatidyl serine）PE：磷脂酰乙醇胺（phosphatidyl ethanolamine，旧称脑磷脂）PI：磷脂酰肌醇（phosphatidyl inositol）DPG：双磷脂酰甘油（旧称心磷脂）等。（2）鞘磷脂鞘磷脂（Sphngomydins，SM），亦称神经醇磷脂，以鞘胺醇（Sphingoine）为骨架，与一条脂肪酸链组成疏水尾部，亲水头部也含胆碱与磷酸结合。在脑和神经细胞膜中特别丰富，原核细胞和植物中没有鞘磷脂。2、糖脂糖脂是含糖而不含磷酸的脂类，普遍存在于原核和真核细胞的质膜上，其含量约占膜脂总量的5以下，在神经细胞膜上糖脂含量较高，约占5-10。糖脂也

13、是两性分子，是鞘氨醇的衍生物，由一个或多个糖残基代替了磷脂酰胆碱而与鞘氨醇的羟基结合。半乳糖脑苷脂，最简单的糖脂。只有一个半乳糖残基作为极性头部，在髓鞘的多层膜中含量丰富；神经节苷脂，变化最多、最复杂的糖脂，是神经元质膜中具有特征性的成分。其头部包含一个或几个唾液酸和糖的残基。儿童所患的家族性白痴病（Tay-sachs disease）就是因为在其细胞内缺乏氨基己糖脂酶，不能将神经节苷脂GM2 加工成为GM3，结果大量的GM2累积在神经细胞中，导致中枢神经系统退化。神经节苷脂本身就是一类膜上的受体，已知破伤风毒素、霍乱毒素、干扰素、促甲状腺素、绒毛膜促性腺激素和5-羟色胺等的受体就是不同的神经

14、节苷脂。3、胆固醇胆固醇仅存在真核细胞膜上，含量一般不超过膜脂的1/3，植物细胞膜中含量较少，其功能：提高脂双层的力学稳定性，调节脂双层流动性，降低水溶性物质的通透性。4、脂质体liposome：根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双层膜的趋势而制备的人工膜。直径251000nm不等（图4-4，略）应用：研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质；转基因；药物或酶的载体（二）膜蛋白（膜功能的主要体现者）（1）类型整合蛋白；外周蛋白；脂锚定蛋白（根据所在位置分）integral protein：跨膜蛋白，疏水部分位于脂双层内部，亲水部分位于脂双层外部。与膜的结合非常紧密，需去垢剂分离。形成亲水通道的整合蛋白跨

15、膜区域的两种组成形式：由多个两性螺旋组成亲水通道；由两性折叠组成亲水通道内在膜蛋白与膜脂结合的方式：a膜蛋白的跨膜结构域与脂双层分子的疏水核心的相互作用。 b跨膜结构域两端携带正电荷的氨基酸残基与磷脂分子带负电的极性头形成离子键，或带负电的氨基酸残基通过Ca2+、Mg2+等阳离子与带负电的磷脂极性头相互作用。 C某些膜蛋白在细胞质基质一侧的半胱氨酸残基上共价结合脂肪酸分子,插入脂双层之间,进一步加强膜蛋白与脂双层的结合力,还有少数蛋白与糖脂共价结合。peripheral protein：靠离子键或其它较弱的键与膜表面的蛋白质分子或脂分子的亲水部分结合，分离方式：改变溶液的离子强度；提高温度（见

16、血影蛋白的提取）有时很难区分整合蛋白和外周蛋白：主要是因为一个蛋白质可以由多个亚基构成，有的亚基为跨膜蛋白，有的则结合在膜的外部。lipid-anchored protein：一类是GPI连接的蛋白，另一类脂锚定蛋白与插入质膜内小叶的长碳氢链结合。糖磷脂酰肌醇(glycophosphatidylinositol，GPI)位于细胞膜的外小叶，用磷脂酶C（能识别含肌醇的磷脂）处理细胞，能释放出结合的蛋白。许多细胞表面的受体、酶、细胞粘附分子和引起羊瘙痒病的PrPC都是这类蛋白。（2）去垢剂（detergent）detergent：是一端亲水、另一端疏水的两性小分子,是分离与研究膜蛋白的常用试剂。如

17、离子型去垢剂SDS和非离子型去垢剂Triton-X100（3）膜蛋白的功能：运输、连接、受体、酶等 （可详细解释）（4）确定膜蛋白在膜中定位的方法胰酶消化法、同位素标记法4-7确定膜蛋白方向性的方法：胰酶消化法三、膜的基本特性：1、流动性（以膜脂的运动为主）（1）运动方式膜脂分子运动方式：侧向扩散：同一平面上相邻的脂分子交换位置（最主要的运动形式）旋转运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。摆动运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。伸缩震荡：脂肪酸链沿着与纵轴进行伸缩震荡运动。翻转运动：膜脂分子从脂双层的一层翻转到另一层。是在翻转酶的催化下完成。（一般少见，但在内质网上该运动

18、形式常见）旋转异构：脂肪酸链围绕C-C键旋转，导致异构化运动。膜蛋白的分子运动主要有侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。旋转扩散指膜蛋白围绕与膜平面垂直的轴进行旋转运动，膜蛋白的侧向运动受细胞骨架的限制，破坏微丝的药物如细胞松弛素B能促进膜蛋白的侧向运动。（2）影响膜流动性的因素胆固醇：胆固醇的含量增加会降低膜的流动性。（双刃剑）脂肪酸链的饱和度：脂肪酸链所含双键越多越不饱和，使膜流动性增加。脂肪酸链的链长：长链脂肪酸相变温度高，膜流动性降低。卵磷脂/鞘磷脂：该比例高则膜流动性增加，是因为鞘磷脂粘度高于卵磷脂。其他因素：膜蛋白和膜脂的结合方式、温度、酸碱度、离子强度等。（3）膜流动性证明实验：细胞

19、融合实验、成斑成帽实验、凝集实验、光脱色恢复实验（讲述重点）细胞融合实验1970年Larry Frye等人将人和和鼠的细胞膜用不同荧光抗体标记后，让两种细胞融合，杂种细胞一半发红色荧光、另一半发绿色荧光，放置一段时间后发现两种荧光抗体均匀分布。凝集实验（利用了抗体多价结合的能力）光脱色恢复技术(fluorescence recovery after photobleaching, FRAP)研究膜蛋白或膜脂流动性的基本实验技术之一。根据荧光恢复的速度可推算出膜蛋白或膜脂扩散速度。（4）膜流动性的生理意义质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。例如跨膜物质运输、细胞信息传递、细胞识别、细胞免疫、

20、细胞分化以及激素的作用等等都与膜的流动性密切相关。当膜的流动性低于一定的阈值时，许多酶的活动和跨膜运输将停止；反之如果流动性过高，又会造成膜的溶解。2、膜的不对称性含义：质膜的内外两层的组分和功能有明显的差异，称为膜的不对称性。意义：膜蛋白的不对称性是生物膜完成复杂的在时间与空间上有序的各种生理功能的保证。（1）细胞质膜各部分的名称（图4-13略） ES，质膜的细胞外表面（extrocytopasmic surface）； PS，质膜的原生质表面（protoplasmic surface）；EF（extrocytopasmic face），质膜的细胞外小页断裂面；PF（protoplasmic

21、 face），原生质小页断裂面。（2）膜的不对称性的含义膜脂的不对称性指脂分子在脂双层中呈不均匀分布（图4-14略）膜蛋白的不对称性指每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有明确的方向性和分布的区域性无论在任何情况下，糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外表面，这些成分可能是细胞表面受体，并且与细胞的抗原性有关。（3）不对称性的证明实验：冰冻蚀刻实验、放射性标记实验、脂酶处理实验小结：质膜的功能屏障；物质运输；能量转换；信息传递；细胞识别；细胞连接等（图4-15）四、骨架与细胞表面的特化结构细胞表面的特化结构如：膜骨架、鞭毛和纤毛、微绒毛及细胞的变形足等等，分别与细胞形态的维持、细胞运动、细胞的物质交换等功能有

22、关。1、细胞表面特化结构微绒毛（microvilli,）是细胞表面伸出的细长指状突起，内芯由肌动蛋白丝束组成，它的存在扩大了细胞的表面积，有利于细胞同外环境的物质交换。不论微绒毛的长度还是数量，都与细胞的代谢强度有着相应的关系。例如肿瘤细胞，对葡萄糖和氨基酸的需求量都很大，因而大都带有大量的微绒毛。皱褶（ruffle）或片足（lamllipodia）：在细胞表面还有一种扁形突起，在形态上不同于微绒毛，它宽而扁，宽度不等，厚度与微绒毛直径相等，约0.1m，高达几微米。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（infolding）：质膜由细胞表面内陷形成的结构，同样具有扩大了

23、细胞表面积的作用。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（cilia）和鞭毛（flagella）：细胞表面伸出的条状运动装置。均由9+2微管构成有的细胞靠纤毛（如草履虫）或鞭毛（如精子和眼虫）在液体中穿行；有的细胞，如动物的某些上皮细胞，虽具有纤毛，但细胞本体不动，纤毛的摆动可推动物质越过细胞表面，进行物质运送，如气管和输卵管上皮细胞的表面纤毛。膜骨架（membrane associated cytoskeleton）：指质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构，参与维持细胞质膜的形状并协助质膜完成多种生理机能。2、红细胞的膜骨架血影（ghost）：红细胞经低渗处理，细胞破裂

24、释放出内容物，留下一个保持原形的空壳。血影主要成分：血影蛋白、锚蛋白、带4.1蛋白、短肌动蛋白和血型糖蛋白。血影蛋白和肌动蛋白是外周蛋白，去除后血影的形状变得不规则，膜蛋白的流动性增加；血型糖蛋白和带3蛋白为整合蛋白，经TritonX-100处理，此二带消失但血影仍维持原来的形状。血影蛋白（spectrin）：由结构相似的链、链组成一个异二聚体，两个二聚体头与头相接连形成一四聚体，是外周蛋白。锚蛋白（ankyrin）：与血影蛋白和带3蛋白的胞质部相连，将血影蛋白网络连接到质膜上。带三蛋白：是阴离子载体，通过交换Cl，使HCO3进入红细胞。为二聚体。每个单体含929个氨基酸，穿膜12次。血型糖蛋

25、白：单次穿膜糖蛋白，与带4.1蛋白相连。肌动蛋白纤维：血影蛋白四聚体游离端与短肌动蛋白纤维（约1315单体）相连，形成血影蛋白网络。带4.1蛋白加固这种连接讲课要点：明确红细胞膜骨架的结构组成第二节 细胞连接(cell junction)细胞连接（cell junction）：相邻细胞间或细胞与细胞外基质间由细胞的局部区域特化形成的具有精细的形态特征和特定功能的结构。只有在电镜下才能观察到。由细胞的局部区域特化形成的结构，是多细胞有机体中相邻细胞间或细胞与细胞外基质间通过质膜相互联系、协同作用的重要组织形式。（图4-17略）封闭连接(occluding junctions)：紧密连接(tigh

26、t junction)锚定连接(anchoring junctions)与中间纤维相关的锚定连接：桥粒(desmosome)、半桥粒(hemidesm osome);与肌动蛋白纤维相关的锚定连接：粘合带(adhesion belt)；粘合斑(focal adhesion)通讯连接(communicating junctions)：间隙连接(gap junction)；化学突触(chemical synapse)；胞间连丝(plasmodesmata)。一、封闭连接(occluding junctions)紧密连接（tight junction ）：相邻上皮细胞质膜间的一种连接结构，此处两个细胞

27、的质膜整合蛋白彼此结合，形成密封条索，封闭细胞间隙。1、紧密连接的结构（图4-18略） 紧密连接嵴线中的两类蛋白：封闭蛋白（occludin），跨膜四次的膜蛋白（60KD）；claudin蛋白家族（现已发现15种以上）嵴线数目与封闭程度相关（小肠上皮的紧密连接对Na+的渗漏程度比膀胱上皮大1万倍。）2、紧密连接的功能（1）形成渗漏屏障，起重要的封闭作用（防止小分子物质通过）；（脑血和睾血屏障）（2）隔离作用（限制蛋白的流动，维持细胞的极性）使游离端与基底面质膜上的膜蛋白限制在一定的区域，行使各自不同的膜功能；（小肠上皮细胞的对葡萄糖的主动运输）（3）支持功能二、锚定连接anchoring ju

28、nctions：通过细胞的骨架系统将相邻细胞或将细胞与基质相连成一个坚挺、有序的细胞群体，从而增强对机械张力的抵抗作用。位置：广泛,上皮组织,心肌和子宫颈分类：桥粒和半桥粒（与中间纤维相连）；粘合带与粘合斑（与肌动蛋白纤维相连）。功能：增强对机械张力的抵抗作用连接蛋白：跨膜蛋白；细胞内附着蛋白1、桥粒和半桥粒（与中间纤维有关）（1）桥粒desmosome：指相邻细胞间由特殊的跨膜蛋白形成的“钮扣”样结构，通过中间纤维将相邻细胞连成一个坚挺、有序的细胞群体。（图4-20略）例：上皮癌细胞的桥粒减少，钙粘素减少或消失，癌细胞易于脱落并转移。结构：纽扣式（30nm的间隙）相邻的细胞骨架：中间纤维黏着

29、因子：钙粘素功能：铆接相邻细胞，提供细胞内中间纤维的锚定位点，形成整体网络，起支持和抵抗外界压力与张力的作用。闰 盘（2）半桥粒（hemidesmosome）结构：桥粒的一半（位于表皮基细胞与基膜接触的一面）（图4-21略）相邻的细胞骨架：中间纤维黏着因子：整合素功能：铆接细胞与细胞外基质，将上皮细胞固着在基底膜上。2、粘着带与粘着斑（与肌动蛋白丝有关）（1）粘合带（adhesion belt）呈带状环绕细胞，一般位于上皮细胞顶侧面的紧密连接下方。在粘合带处相邻细胞的间隙约1520nm。粘着带 介于紧密连接与桥粒之间，亦称为中间连接。是相邻细胞间有较宽（1520nm）间隙的一种联结方式。结构：

30、呈带状环绕细胞，一般位于上皮细胞顶侧面的紧密连接下方。相邻细胞的间隙约1520nm。（图4-22略）相邻的细胞骨架：粘合带处的质膜下方有与质膜平行排列的肌动蛋白束黏着因子：钙粘素功能：连接相邻细胞，形成一个连续的带状结构（2）粘着斑 结构：粘合带的一半（位于表皮基细胞与基膜接触的一面）（图4-23略）相邻的细胞骨架：肌动蛋白束黏着因子：整合素功能：铆接细胞与细胞外基质，将上皮细胞固着在基底膜上。例如：贴壁细胞的贴壁行为，通过粘着斑贴在瓶壁上；粘着斑的形成对细胞的贴壁是必不可少的。三、通讯连接1 间隙连接（gap junction）gap junction：动物细胞间普遍存在的一种细胞连接方式，

31、是在相邻细胞间建立的有孔道的连接结构，允许无机离子和可溶性的小分子物质通过，从而沟通细胞，达到代谢与功能的统一。（图4-24间隙连接略）（1）结构细胞间的间隙：23nm ；由跨膜蛋白形成的连接单位（两个连接子对接）。连接子（connexon）：由6个相同或相似的跨膜蛋白亚单位环绕而成的直径8nm，中心形成一个直径约1.5nm的孔道的结构，是构成间隙连接的基本单位，可以允许分子量小于1.5KD的分子通过。（如无机盐离子、糖、氨基酸、核苷酸和维生素等）（2）功能a参与细胞分化：胚胎发育的早期，细胞间通过间隙连接相互协调发育和分化。小分子物质即可在一定细胞群范围内，以分泌源为中心，建立起递变的扩散浓

32、度梯度，以不同的分子浓度为处于梯度范围内的细胞提供”位置信息”，从而诱导细胞按其在胚胎中所处的局部位置向着一定方向分化。b协调代谢例如，在体外培养条件下，把不能利用外源次黄嘌呤合成核酸的突变型成纤维细胞和野生型成纤维细胞共同培养，则两种细胞都能吸收次黄嘌呤合成核酸。如果破坏细胞间的间隙连接，则突变型细胞不能吸收次黄嘌呤合成核酸。C神经冲动信息的传递（快）平滑肌、心肌、神经末梢间均存在的这种间隙连接，称为电紧张突触，无须依赖神经递质或信息物质即可将一些细胞的电兴奋活动传递到相邻的细胞。心肌细胞能够同时收缩和舒张的原因（3）间隙连接的可调节性降低胞质中的pH值和提高自由Ca2+的浓度都可以使其通透

33、性降低；受两侧电压梯度及细胞外化学信号的调控.2、胞间连丝（plasmodesmata）植物细胞特有的通讯连接。（图4-26略）结构：由穿过细胞壁的质膜围成的细胞质通道，直径约2040nm，通道中有一由膜围成的筒状结构，称为连丝小管（由光面内质网特化而成），管的两端与内质网相连。功能：允许分子量小于800Da的分子通过，在相邻细胞间起通讯作用。胞间连丝还对细胞分化起一定作用。在高等植物中，顶端分生组织的细胞分化与胞间连丝的分布有着相应的关系。随着细胞的生长和延长，侧壁上的胞间连丝逐渐减少，而横壁上的却仍保持很多。植物相邻细胞间的细胞核可经胞间连丝穿壁。分子运输的可调节性：在胞间连丝正常的情况下

34、，有些低分子量的染料分子却不能通过。某些植物病毒能制造特殊的蛋白质，这种蛋白质同胞间连丝结合后，可使胞间连丝的有效孔径扩大，使病毒粒子得以通过胞间连丝在植物体内自由播散和感染。3、化学突触（synapsis）synapsis：存在于可兴奋细胞间的一种连接方式，其作用是通过释放神经递质来传导兴奋。由突触前膜、突触后膜和突触间隙三部分组成。当神经冲动传到突触前膜，突触小泡释放神经递质，为突触后膜的受体接受（配体门通道），引起突触后膜离子通透性改变，膜去极化或超极化。（图4-27、28略）四、细胞表面的粘着因子 细胞粘附分子（cell adhesion molecule，CAM）：存在于细胞的质膜上

35、，参与细胞与细胞之间及细胞与细胞外基质之间相互作用的跨膜糖蛋白分子。可大致分为五类：钙粘素、选择素、免疫球蛋白超家族、整合素及透明质酸粘素。细胞黏着（cell adhension）：在细胞识别的基础上，同类细胞发生聚集形成组织或细胞团的过程。 说明：细胞识别的分子基础是细胞表面寡糖链的单糖残基的排列顺序细胞黏着是松散的细胞间相互作用，细胞连接则形成了细胞表面的特化结构。细胞黏着组织特异性大于种属特异性； 细胞粘附分子由三部分组成： 胞外区，肽链的N端部分，带有糖链，负责与配体的识别； 跨膜区，多为一次跨膜； 胞质区，肽链的C端部分，一般较小，或与质膜下的骨架成分直接相连，或与胞内的化学信号分子

36、相连，以活化信号转导途径。细胞粘附分子的作用机制有三种模式：两相邻细胞表面的同种CAM分子间的相互识别与结合（亲同性粘附）；两相邻细胞表面的不同种CAM分子间的相互识别与结合（亲异性粘附）；两相邻细胞表面的相同CAM分子借细胞外的连接分子相互识别与结合。多数细胞粘附分子的作用依赖于二价阳离子，如Ca2，Mg2。1、钙粘素钙粘素（cadherin）：同亲性依赖Ca2的细胞粘连糖蛋白，介导细胞粘着、细胞连接和从ECM到细胞质传递信号，对胚胎发育中的细胞识别、迁移和组织分化以及成体组织器官构成具有主要作用。钙粘素是将细胞组成组织，并维持生物体内组织有序性的关键因素。(图4-29略)钙粘素的作用： a

37、介导细胞连接：粘合带、桥粒b参与细胞分化：钙粘素对于胚胎细胞的早期分化及成体组织（尤其是上皮及神经组织）的构筑有重要作用。在发育过程中通过调控钙粘素表达的种类与数量可决定胚胎细胞间的相互作用（粘合、分离、迁移、再粘合），从而通过细胞的微环境，影响细胞的分化，参与器官形成过程。c抑制细胞迁移，很多种癌组织中细胞表面的E钙粘素减少或消失，以致癌细胞易从瘤块脱落，成为侵袭与转移的前提。因而有人将E钙粘素视为转移抑制分子。2、选择素选择素（selectin），属亲异性CAM，其作用依赖于Ca2。已知选择素有三种：L白细胞选择素、E内皮选择素及P血小板选择素（图4-30略）主要参与白细胞与脉管内皮细胞（

38、表达P选择素）之间的识别与粘合。Q：白细胞为何能集中到炎症部位？P选择素贮存于血小板的颗粒及内皮细胞的Weibel-Palade小体。炎症时活化的内皮细胞表面首先出现P选择素，随后出现E选择素。它们对于召集白细胞到达炎症部位具有重要作用。E选择素存在于活化的血管内皮细胞表面。炎症组织释放的白细胞介素I（IL-1）及肿瘤坏死因子（TNF）等细胞因子可活化脉管内皮细胞，刺激E选择素的合成。L选择素广泛存在于各种白细胞的表面，参与炎症部位白细胞的出脉管过程。白细胞表面L选择素分子上的sLeA与活化的内皮细胞表面的P选择素及E选择素之间的识别与结合，可召集血液中快速流动的白细胞在炎症部位的脉管内皮上减

39、速滚动（即通过粘附、分离、再粘附，如此循环往复），最后穿过血管进入炎症部位。3、免疫球蛋白超家族免疫球蛋白超家族（Ig-superfamily，Ig-SF）包括分子结构中含有免疫球蛋白（Ig）样结构域的所有分子，一般不依赖于Ca2。有的属于亲同性CAM，如各种神经细胞粘附分子（N-CAM）及血小板-内皮细胞粘附分子（Pe-CAM）；有的属于亲异性CAM，如细胞间粘附分子（I-CAM）及脉管细胞粘附分子（V-CAM）等。（图4-31略）N-CAM有20余种异型分子，它们在神经发育及神经细胞间相互作用上有重要作用。I-CAM及V-CAM在活化的血管内皮细胞表达。炎症时，活化的内皮细胞表面的I-CA

40、M可与白细胞表面的L2及巨噬细胞表面的M2相结合；V-CAM则可与白细胞的41整合素相结合。它们继上述选择素介导的白细胞与内皮细胞的粘合作用之后使在内皮上滚动的白细胞固着于炎症部位的脉管内皮，并发生铺展，进而分泌水解酶而穿出脉管壁。4、整合素整合素（integrin）：依赖于Ca2的由和异二聚体所组成的亲异性细胞粘附分子，介导细胞间及细胞与细胞外基质间的相互作用，与细胞黏着和信号转道有关。几乎所有动植物细胞均表达整合素。5、透明质酸粘素透明质酸粘素（hyaladhefin）包括可结合透明质酸糖链的一类分子，具有相似的氨基酸序列和空间构象。CD44族是其中的一个成员，分子量范围为85 KD250

41、KD，介导细胞与细胞间及细胞与细胞外基质间的相互作用，同样是由胞外，跨膜及胞质三个部分构成的糖蛋白，糖链为硫酸软骨素及硫酸乙酰肝素。CD44肽链的N端可结合透明质酸，故CD44也被视为透明质酸的受体。CD44的功能包括： 与透明质酸、纤粘连蛋白及胶原结合，介导细胞与细胞外基质之间的粘附；参与细胞对透明质酸的摄取及降解；参与淋巴细胞归巢；参与T细胞的活化；促进细胞迁移。CD44在很多种肿瘤细胞的表达比相应正常组织为高，并与肿瘤细胞的成瘤性、侵袭性及淋巴结转移性有关。第三节 细胞外被与细胞外基质细胞外被（Cell coat）：又称糖萼（glacocalyx），指由细胞产生的、细胞膜外表面覆盖的粘多

42、糖类物质，具有对膜蛋白的保护和细胞识别的重要作用。细胞外被与质膜：“毛”与“皮”细胞外基质（extracellular matrix，ECM）：分布于动物细胞外空间，由细胞分泌的蛋白和多糖构成的网络结构，是支持细胞的框架，还能通过维持细胞外环境来影响细胞迁移、增殖、形态变化、分化、保护、组建等。（图4-33略）上皮组织、肌组织及脑与脊髓中的ECM含量较少，而结缔组织中ECM含量较高。细胞外基质的组分及组装形式由所产生的细胞决定，并与组织的特殊功能需要相适应。例如，角膜的细胞外基质为透明柔软的片层，肌腱的则坚韧如绳索。细胞外基质不仅静态的发挥支持、连接、保水、保护等物理作用，而且动态的对细胞产生

43、全方位影响。包括：胶原、氨基聚糖和蛋白聚糖、层粘连蛋白和纤粘连蛋白、弹性蛋白表4-1真核细胞细胞外结构纤粘连蛋白层粘连蛋白 果胶质 蛋白聚糖 半纤维素伸展蛋白 胶原弹性蛋白 纤维素 细胞外基质细胞壁 动物 细 胞植 物细 胞粘连分子 水化基质 组分 结构纤维 细胞外 结构 生物种类 一、胶原（collagen）属糖蛋白类物质，为纤维状蛋白多聚体，含量最高（约占人体蛋白质总量的30以上。），可由成纤维细胞、软骨细胞、成骨细胞及某些上皮细胞合成并分泌到细胞外。具刚性，抗张强度大，构成细胞外基质的骨架体系。原胶原共价交联后成为具有抗张强度的不溶性胶原。胚胎及新生儿的胶原因缺乏分子间的交联而易于抽提。

44、随年龄增长，交联日益增多，皮肤、血管及各种组织变得僵硬，成为老化的一个重要特征。1、常见的胶原类型及其在组织中的分布 胶原是细胞外基质中最主要的水不溶性纤维蛋白；型胶原含量最丰富,形成类似的纤维结构；但并非所有胶原都形成纤维；型胶原纤维束, 主要分布于皮肤、肌腱、韧带及骨中,具有很强的抗张强度;型胶原主要存在于软骨中;型胶原形成微细的原纤维网,广泛分布于伸展性的组织,如疏松结缔组织;型胶原形成二维网格样结构,是基膜的主要成分及支架。2、胶原及其分子结构胶原纤维的基本结构单位是原胶原；原胶原是由三条肽链盘绕成的三股螺旋结构；原胶原肽链具有Gly-x-y重复序列，对胶原纤维的高级结构的形成是重要的

45、； 在胶原纤维内部,原胶原蛋白分子呈1/4交替平行排列,形成周期性横纹。3、胶原的合成与加工前体a肽链在粗面内质网合成，并形成前原胶原；前原胶原是原胶原的前体和分泌形式，在粗面内质网合成、加工与组装，经高尔基体分泌；前原胶原在细胞外由两种专一性不同的蛋白水解酶作用,分别切去N-末端前肽及C-末端前肽,成为原胶原；原胶原进而聚合装配成胶原原纤维和胶原纤维。为何膳食中缺乏维生素C可导致坏血病？前链在粗面内质网上合成，并在形成三股螺旋之前于脯氨酸及赖氨酸残基上进行羟基化修饰，脯氨酸残基的羟化反应是在与膜结合的脯氨酰-4羟化酶及脯氨酰-3羟化酶的催化下进行的。维生素C是这两种酶所必需的辅助因子。维生素

46、C缺乏导致胶原的羟化反应不能充分进行，不能形成正常的胶原原纤维，结果非羟化的前链在细胞内被降解。因而，膳食中缺乏维生素C可导致血管、肌腱、皮肤变脆，易出血，称为坏血病。4、胶原的功能胶原在胞外基质中含量最高,刚性及抗张力强度最大,构成细胞外基质的骨架结构,细胞外基质中的其它组分通过与胶原结合形成结构与功能的复合体在不同组织中，胶原组装成不同的纤维形式,以适应特定功能的需要；胶原可被胶原酶特异降解，而参入胞外基质信号传递的调控网络中。二、纤粘连蛋白(fibronectin，FN)FN是一种大型的糖蛋白（220-250KD），存在于所有脊椎动物，分子含糖4.59.5，糖链结构依组织细胞来源及分化状

47、态而异。FN以可溶形式存在于血浆（03mg/ml）及各种体液中；以不溶形式存在于细胞外基质及细胞表面。前者总称血浆FN；后者总称细胞FN，可将细胞连接到细胞外基质上。1、结构：各种FN均由相似的亚单位（220KD左右）组成。血浆FN（450KD）是由二条相似的肽链在C端借二硫键联成的V字形二聚体。细胞FN为多聚体。在人体中目前已鉴定的FN亚单位就有20种以上。它们都是由同一基因编码的产物。转录后由于拼接上的不同而形成多种异型分子。FN肽链中的RGD序列为细胞表面的各种FN受体识别与结合的最小结构单位。RGD序列：指某些细胞外基质蛋白中所含有的-Arg-Gly-Asp-三肽序列，是细胞表面某些整

48、合素受体识别与结合的部位。（图4-35略）细胞表面及细胞外基质中的FN分子间通过二硫键相互交联，组装成纤维。与胶原不同，FN不能自发组装成纤维，而是通过细胞表面受体指导下进行的，只存在于某些细胞（如成纤维细胞）表面。转化细胞及肿瘤细胞表面的FN纤维减少或缺失系因细胞表面的FN受体异常所致。2、功能（1）介导细胞粘着（将细胞与细胞外基质相连） （2）影响细胞的迁移（血凝块形成、创伤修复） 癌细胞的扩散介导细胞粘着，进而调节细胞的形状和细胞骨架的组织,促进细胞铺展；在胚胎发生过程中,纤粘连蛋白对于许多类型细胞的迁移和分化是必须的；在创伤修复中,纤粘连蛋白促进巨噬细胞和其它免疫细胞迁移到受损部位；在

49、血凝块形成中,纤粘连蛋白促进血小板附着于血管受损部位。三、层粘连蛋白（laminin，LN）一种大型的糖蛋白（820KD），含糖量很高（占15-28），具有50条左右N连接的糖链，是迄今所知糖链结构最复杂的糖蛋白。现已发现7种LN分子，8种亚单位。与FN不同的是，这8种亚单位分别由8个结构基因编码。1、结构：由一条重链和两条轻链构成；至少存在两个不同的受体结合部位：a与型胶原的结合部位；b与细胞质膜上的整合素结合的RGD序列。2、功能（1）细胞通过层粘连蛋白锚定于基膜上；动物胚胎及成体组织的基膜的主要结构组分之一，与型胶原一起构成基膜，是胚胎发育中出现最早的细胞外基质成分。基膜（basal m

50、embrane）：上皮细胞下方一层柔软的特化的细胞外基质，也存在于肌肉、脂肪和许旺细胞周围。它不仅仅起保护和过滤作用，还决定细胞的极性，影响细胞的代谢、存活、迁移、增殖和分化。基膜中除LN和型胶原外，还具有entactin、perlecan、decorin等多种蛋白，其中LN与entactin (also called nidogen)形成1:1紧密结合的复合物，通过nidogen与型胶原结合。（图4-37略）（2）层粘连蛋白在胚胎发育及组织分化中具有重要作用；（3）层粘连蛋白也与肿瘤细胞的转移有关四、氨基聚糖与蛋白聚糖1、氨基聚糖（glycosaminoglycan，GAG）GAG是由重复二

51、糖单位构成的无分枝长链多糖。其二糖单位通常由氨基已糖（氨基葡萄糖或氨基半乳糖）和糖醛酸组成，但硫酸角质素中糖醛酸由半乳糖代替。依组成糖基、连接方式、硫酸化程度及位置的不同可分为六种，即：透明质酸、硫酸软骨素、硫酸皮肤素、硫酸乙酰肝素、肝素、硫酸角质素。表4-2氨基聚糖的分子特性及组织分布氨基聚糖二糖单位硫酸基分布组织透明质酸葡萄糖醛酸-N乙酰葡萄糖0结缔组织、皮肤、软骨、玻璃体、滑液硫酸软骨素葡萄糖醛酸-N乙酰半乳糖0.2-2.3软骨、角膜、骨、皮肤、动脉硫酸皮肤素葡萄糖醛酸或艾杜糖醛酸-N-乙酰葡萄糖1.0-2.0皮肤、血管、心、心瓣膜硫酸乙酰肝素葡萄糖醛酸或艾杜糖醛酸-N-乙酰葡萄糖0.2

52、-3.0肺、动脉、细胞表面肝素葡萄糖醛酸或艾杜糖醛酸-N-乙酰葡萄糖2.0-3.0肺、肝、皮肤、肥大细胞硫酸角质素半乳糖-N乙酰葡萄糖0.9-1.8软骨、角膜、椎间盘透明质酸（hyaluronic acid,HA）是一种唯一不发生硫酸化的氨基聚糖，其糖链特别长。（氨基聚糖一般由不到300个单糖基组成，而HA可含10万个糖基）。在溶液中HA分子呈无规则卷曲状态。如果强行伸长，其分子长度可达20m。HA整个分子全部由葡萄糖醛酸及乙酰氨基葡萄糖二糖单位重复排列构成。由于HA分子表面有大量带负电荷的亲水性基团，可结合大量水分子，因而即使浓度很低也能形成粘稠的胶体，占据很大的空间，产生膨压。细胞表面的H

53、A受体为CD44及其同源分子，属于hyaladherin族。所有能结合HA的分子都具相似的结构域。HA虽不与蛋白质共价结合，但可与许多种蛋白聚糖的核心蛋白质及连接蛋白质借非共价键结合而参加蛋白聚糖多聚体的构成，在软骨基质中尤其如此。除HA及肝素外，其他几种氨基聚糖均不游离存在，而与核心蛋白质共价结合构成蛋白聚糖。（图略）2、蛋白聚糖（proteoglycan）蛋白聚糖（proteoglycan）：是氨基聚糖（除透明质酸外）与核心蛋白质（core protein）的共价结合物。（图4-38略）一个核心蛋白质分子上可以连接1至100个以上GAG链。与一个核心蛋白质分子相连的GAG链可以是同种或不同

54、种的。蛋白聚糖的特性与功能显著特点是多态性：不同的核心蛋白, 不同的氨基聚糖；许多蛋白聚糖单体常以非共价键与透明质酸形成多聚体，分子量可达108KD以上，其体积可超过细菌。软骨中的蛋白聚糖是最大巨分子之一, 赋予软骨以凝胶样特性和抗变形能力；蛋白聚糖可视为细胞外的激素富集与储存库，可与多种生长因子结合，完成信号的传导。五、弹性蛋白（elastin）1、结构（图4-39略）高度疏水，非糖基化蛋白，是弹性纤维的主要成分；主要存在于脉管壁及肺。两个明显的特征:构象呈无规则卷曲状态；通过Lys残基相互交连成网状结构。弹性蛋白由二种类型短肽段交替排列构成。一种是疏水短肽赋予分子以弹性；另一种短肽为富丙氨

55、酸及赖氨酸残基的螺旋，负责在相邻分子间形成交联。弹性蛋白的氨基酸组成似胶原，也富于甘氨酸及脯氨酸，但很少含羟脯氨酸，不含羟赖氨酸，没有胶原特有的Gly-X-Y序列，故不形成规则的三股螺旋结构。弹性蛋白分子间的交联比胶原更复杂。通过赖氨酸残基参与的交联形成富于弹性的网状结构（图略）。在弹性蛋白的外围包绕着一层由微原纤维构成的壳。微原纤维是由一些糖蛋白构成的。其中一种较大的糖蛋白是fibrillin，为保持弹性纤维的完整性所必需。在发育中的弹性组织内，糖蛋白微原纤维常先于弹性蛋白出现，似乎是弹性蛋白附着的框架，对于弹性蛋白分子组装成弹性纤维具有组织作用。老年组织中弹性蛋白的生成减少，降解增强，以致

56、组织失去弹性。2、功能：弹性纤维与胶原纤维共同存在，分别赋予组织以弹性及抗张性。总结：细胞外基质的生物学作用（1）结构作用具有连接、支持、保水、抗压及保护等物理学作用（2）影响细胞的存活、生长与死亡正常真核细胞，除成熟血细胞外，大多须粘附于特定的细胞外基质上才能抑制凋亡而存活，称为定着依赖性（anchorage dependence）。例如，上皮细胞及内皮细胞一旦脱离了细胞外基质则会发生程序性死亡。定着依赖性生长（anchorage dependence growth）：体外培养的细胞只有在一定的基质上黏附并铺展才能增殖的现象。细胞只有黏附于一定的基质才能进行蛋白和RNA的合成，只有在铺展状态下才能进行DNA的复制。细胞外基质可通过结合生长因子来增强或抑制其活性。不同的细胞外基质对细胞增殖的影响不同。例如，成纤维细胞在纤粘连蛋白基质上增殖加快，在层粘连蛋白基质上增殖减慢；而上皮细胞对纤粘连蛋白