细胞生物学基础(3章1-3节)13药学班ppt课件

1、第三章第三章 细胞膜与细胞外表细胞膜与细胞外表细胞膜细胞外表构造细胞衔接物质的跨膜运输和信号传送 细胞膜(cell membrane)又称质膜plasma membrane，是指围绕在细胞最外层，由脂质和蛋白质组成的生物膜。细胞膜只是真核细胞生物膜的一部分，真核细胞的生物膜biomembrane包括细胞的内膜系统细胞器膜和核膜和细胞膜cell membrane。第一节第一节 细胞膜细胞膜 细胞膜的化学组成 细胞膜的构造模型及特点 细胞膜的功能细胞膜主要由脂质和蛋白质组成。细胞膜主要由脂质和蛋白质组成。一、膜脂一、膜脂膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇三种类型。膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇三种类型

2、。一磷脂一磷脂 是构成膜脂的根本成分，约占整个膜脂的是构成膜脂的根本成分，约占整个膜脂的5050以上。磷脂为双型性分子以上。磷脂为双型性分子amphipathic amphipathic moleculesmolecules或双亲媒性分子或兼性分子。或双亲媒性分子或兼性分子。细胞膜的化学组成细胞膜的化学组成心磷脂心磷脂 磷脂分子的构造特征：磷脂分子的构造特征： a. 普通有一个极性头磷酸和碱基和两普通有一个极性头磷酸和碱基和两 个非极性的尾脂肪酸链；个非极性的尾脂肪酸链； b. 脂肪酸碳链为偶数；脂肪酸碳链为偶数； c. 含有饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸。含有饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸。 类型：分为

3、甘油磷脂和鞘磷脂。类型：分为甘油磷脂和鞘磷脂。二二 糖脂糖脂存在于原核和真核细胞的质膜上，其含量约存在于原核和真核细胞的质膜上，其含量约占膜脂总量的占膜脂总量的5 5以下，在神经细胞膜上糖脂以下，在神经细胞膜上糖脂含量较高，约占含量较高，约占5-105-10。糖脂也是两性分子，。糖脂也是两性分子，构造与磷脂类似，由一个或多个糖残基替代构造与磷脂类似，由一个或多个糖残基替代磷脂酰胆碱而与鞘氨醇的羟基结合。磷脂酰胆碱而与鞘氨醇的羟基结合。 最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂，它只需一个半乳糖残基作为最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂，它只需一个半乳糖残基作为极性头部；变化最多、最复杂的糖脂是神经节苷脂。儿童所患极

4、性头部；变化最多、最复杂的糖脂是神经节苷脂。儿童所患的家族性白痴病的家族性白痴病Tay-sachs disease和神经节苷脂有关。神和神经节苷脂有关。神经节苷脂本身还是一类膜上的受体，破伤风毒素、霍乱毒素、经节苷脂本身还是一类膜上的受体，破伤风毒素、霍乱毒素、干扰素等的受体就是不同的神经节苷脂。干扰素等的受体就是不同的神经节苷脂。1. 半乳糖脑苷脂，半乳糖脑苷脂，2. GM1神经节苷脂，神经节苷脂，3. 唾液酸唾液酸 三胆固醇三胆固醇只存在于真核细胞膜上，含量普通不超越膜只存在于真核细胞膜上，含量普通不超越膜脂的脂的1/31/3，植物细胞膜中含量较少。它是一种，植物细胞膜中含量较少。它是一种

5、双性分子。功能是提高脂双层的力学稳定性，双性分子。功能是提高脂双层的力学稳定性，调理脂双层流动性，降低水溶性物质的通透性。调理脂双层流动性，降低水溶性物质的通透性。 膜脂的功能：膜脂的功能： 1支撑，膜脂是细胞的骨架；支撑，膜脂是细胞的骨架； 2维持构象并为膜蛋白行使功能提供环境；维持构象并为膜蛋白行使功能提供环境； 3是部分酶行使功能所必需的。是部分酶行使功能所必需的。二、二、 膜蛋白膜蛋白膜蛋白是膜功能的主要表达者。核基因组编码的蛋膜蛋白是膜功能的主要表达者。核基因组编码的蛋白质中白质中30%30%左右的为膜蛋白。根据与膜脂的结合方式左右的为膜蛋白。根据与膜脂的结合方式以及在膜中的位置的不

6、同，膜蛋白分为内在以及在膜中的位置的不同，膜蛋白分为内在integral proteinintegral protein、外周蛋白、外周蛋白peripheral peripheral proteinprotein和脂锚定蛋白和脂锚定蛋白lipid-anchored lipid-anchored proteinprotein。蛋白与膜的结合方式、整合蛋白；、脂锚定蛋白；、外周蛋白一内在蛋白一内在蛋白integral proteins 内在蛋白又称为整合蛋白，以不同程度嵌入脂双层内在蛋白又称为整合蛋白，以不同程度嵌入脂双层的内部，有的为全跨膜蛋白的内部，有的为全跨膜蛋白tansmembrane p

7、roteins。膜蛋白为两性分子。它与膜结合非常严密，只需。膜蛋白为两性分子。它与膜结合非常严密，只需用去垢剂用去垢剂detergent才干从膜上洗涤下来，常用才干从膜上洗涤下来，常用SDS和和Triton-X100。 内在蛋白的跨膜构造域构成亲水通道有两种方式，一内在蛋白的跨膜构造域构成亲水通道有两种方式，一是由多个是由多个螺旋组成亲水通道；而是由螺旋组成亲水通道；而是由折叠组成亲水折叠组成亲水通道。通道。 内在蛋白与脂膜的结合方式：内在蛋白与脂膜的结合方式：膜蛋白的跨膜构造域与脂双层分子的疏水中心的相互膜蛋白的跨膜构造域与脂双层分子的疏水中心的相互作用。作用。 跨膜构造域两端带正电荷的跨膜

8、构造域两端带正电荷的aa残基与磷脂分子带残基与磷脂分子带负电的极性头构成离子键，或带负电的氨基酸残基经负电的极性头构成离子键，或带负电的氨基酸残基经过过Ca2+、Mg2+等阳离子与带负电的磷脂极性头相互等阳离子与带负电的磷脂极性头相互作用。作用。 膜蛋白在细胞质基质一侧的半胱氨酸残基上共价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结合脂肪 酸分子酸分子,插入脂双层之间插入脂双层之间, 还有少数蛋白与糖脂共价还有少数蛋白与糖脂共价结合。结合。二外周蛋白二外周蛋白peripheral protein外周蛋白又称为外在蛋白外周蛋白又称为外在蛋白extrinsic protein，为水溶性的，

9、分布在细胞膜的外，为水溶性的，分布在细胞膜的外表，靠离子键或其它较弱的键与膜外表的蛋表，靠离子键或其它较弱的键与膜外表的蛋白质分子或脂分子的亲水部分结合，因此只白质分子或脂分子的亲水部分结合，因此只需改动溶液的离子强度甚至提高温度就可以需改动溶液的离子强度甚至提高温度就可以从膜上分别下来。从膜上分别下来。三脂锚定蛋白三脂锚定蛋白lipid-anchored protein 脂锚定蛋白经过磷脂或脂肪酸锚定，共价结脂锚定蛋白经过磷脂或脂肪酸锚定，共价结合。分两类，一类是糖磷脂酰肌醇合。分两类，一类是糖磷脂酰肌醇(GPI)衔接的衔接的蛋白，蛋白，GPI位于细胞膜的外小叶，用磷脂酶位于细胞膜的外小叶，

10、用磷脂酶C处处置能释放出结合的蛋白。许多细胞外表的受体置能释放出结合的蛋白。许多细胞外表的受体、酶、细胞粘附分子和引起羊瘙痒病的、酶、细胞粘附分子和引起羊瘙痒病的PrPC就就是这类蛋白。另一类脂锚定蛋白与插入质膜内是这类蛋白。另一类脂锚定蛋白与插入质膜内小叶的长碳氢链结合。小叶的长碳氢链结合。细胞膜的构造模型及特点细胞膜的构造模型及特点一、细胞膜构造的研讨历史一、细胞膜构造的研讨历史1. E. Overton 1895 推测细胞膜由延续的脂类物质组成。推测细胞膜由延续的脂类物质组成。2. E. Gorter & F. Grendel 1925 推测细胞膜由双推测细胞膜由双 层脂分子组成

11、。层脂分子组成。3. J. Danielli & H. Davson 1935 提出了蛋白质提出了蛋白质-脂类脂类-蛋蛋白白 质的三明治模型。以为质膜由双层脂类分子及其内外表质的三明治模型。以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。面附着的蛋白质构成的。1959年提出了修正模型，以为年提出了修正模型，以为膜膜 上还具有贯穿脂双层的蛋白质通道，供亲水物质经过。上还具有贯穿脂双层的蛋白质通道，供亲水物质经过。4. J. D. Robertson 1959 用超薄切片技术获得了明晰的细用超薄切片技术获得了明晰的细胞膜照片，显示暗胞膜照片，显示暗-明明-暗三层构造，厚约暗三层构造

12、，厚约7.5nm。这就是所。这就是所谓的谓的“单位膜模型。它由厚约单位膜模型。它由厚约3.5nm的双层脂分子和内外的双层脂分子和内外外表各厚约外表各厚约2nm的蛋白质构成。的蛋白质构成。5. S. J. Singer & G. Nicolson 1972根据免疫荧根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研讨结果，在单位膜光技术、冰冻蚀刻技术的研讨结果，在单位膜模型的根底上提出流动镶嵌模型。模型的根底上提出流动镶嵌模型。二、质膜的流动镶嵌模型的特点二、质膜的流动镶嵌模型的特点组成成分：主要组成成分为脂类和蛋白质，还含有少量的糖类。组成成分：主要组成成分为脂类和蛋白质，还含有少量的糖类。不对称性：

13、蛋白质或嵌在脂双层外表，或嵌在其内部，或横跨不对称性：蛋白质或嵌在脂双层外表，或嵌在其内部，或横跨 整个脂双层，表现出分布的不对称性。整个脂双层，表现出分布的不对称性。流动性：膜蛋白和膜脂可作各向运动。流动性：膜蛋白和膜脂可作各向运动。膜脂的分子运动膜脂的分子运动1 侧向分散运动侧向分散运动 2 旋转运动旋转运动 3 摆动运动摆动运动 4 伸缩震荡运动伸缩震荡运动5 翻转运动翻转运动 6 旋转异构化运动旋转异构化运动2. 影响膜流动的要素影响膜流动的要素主要有侧向分散和旋转分散两种运动方式。旋转分散主要有侧向分散和旋转分散两种运动方式。旋转分散指膜蛋白围绕与膜平面垂直的轴进展旋转运动。膜蛋指膜

14、蛋白围绕与膜平面垂直的轴进展旋转运动。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细胞松弛素B B能促进膜蛋白的侧向运动。可用荧光标志能促进膜蛋白的侧向运动。可用荧光标志技术和光脱色恢复技术检测膜蛋白的流动性。技术和光脱色恢复技术检测膜蛋白的流动性。3膜蛋白的流动膜蛋白的流动细胞交融技术察看蛋白质运动细胞交融技术察看蛋白质运动光脱色恢复技术光脱色恢复技术FRAP质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。例如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、细胞信息传送、细胞识别、细胞免疫跨膜物质运输、细胞信息传送、细胞识别、细

15、胞免疫、细胞分化以及激素的作用等等都与膜的流动性亲密、细胞分化以及激素的作用等等都与膜的流动性亲密相关。当膜的流动性低于一定的阈值时，许多酶的活相关。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顿，反之假设流动性过高，又会呵动和跨膜运输将停顿，反之假设流动性过高，又会呵斥膜的溶解。斥膜的溶解。4膜流动性的意义膜流动性的意义三、细胞膜的功能三、细胞膜的功能 为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境; 选择性的物质运输选择性的物质运输,包括代谢底物的输入与代谢包括代谢底物的输入与代谢 产物的排除产物的排除,其中伴随着能量的传送其中伴随着能量的传送; 提供

16、细胞识别位点提供细胞识别位点,并完成细胞内外信息跨膜传送并完成细胞内外信息跨膜传送; 为多种酶提供结合位点为多种酶提供结合位点,使酶促反响高效而有序地进展使酶促反响高效而有序地进展; 介导细胞与细胞、细胞与基质之间的衔接介导细胞与细胞、细胞与基质之间的衔接; 质膜参与构成具有不同功能的细胞外表特化构造。质膜参与构成具有不同功能的细胞外表特化构造。细胞外表构造是为顺应某种环境而构成的特殊外表构造细胞外表构造是为顺应某种环境而构成的特殊外表构造，如：膜骨架、鞭毛和纤毛、微绒毛及细胞的变形足等，如：膜骨架、鞭毛和纤毛、微绒毛及细胞的变形足等，分别与细胞形状的维持、细胞运动、细胞的物质交换，分别与细胞

17、形状的维持、细胞运动、细胞的物质交换等功能有关。等功能有关。 第二节第二节 细胞外表构造细胞外表构造概念：细胞外基质概念：细胞外基质extracellular matrix，ECM是指分部是指分部 于细胞外空间，由细胞分泌的蛋白和多糖所构成的网络于细胞外空间，由细胞分泌的蛋白和多糖所构成的网络 构造。构造。功能：粘连；支持；改动细胞微环境；信号功能。功能：粘连；支持；改动细胞微环境；信号功能。类型：胶原、层粘连蛋白和纤连蛋白、氨基聚糖与蛋白聚糖、类型：胶原、层粘连蛋白和纤连蛋白、氨基聚糖与蛋白聚糖、 弹性蛋白及植物细胞壁弹性蛋白及植物细胞壁 。细胞外基质细胞外基质细胞外基质的成分细胞外基质的成

18、分 上皮组织的细胞外基质上皮组织的细胞外基质 胶原是细胞外基质中最主要的水不溶性纤维蛋白。胶原是细胞外基质中最主要的水不溶性纤维蛋白。类型：已发现类型：已发现20多种，多种，型了解较多。型了解较多。分子构造：胶原纤维的根本构造单位是原胶原。在胶原显微的分子构造：胶原纤维的根本构造单位是原胶原。在胶原显微的 内部，原胶原蛋白分子呈内部，原胶原蛋白分子呈1/4交替平行陈列，相邻交替平行陈列，相邻 的原胶原蛋白头尾相连。平行陈列的的原胶原蛋白头尾相连。平行陈列的N端和端和C端共端共 价结合。价结合。合成：基因合成：基因mRNA前胶原原胶原原胶原纤维前胶原原胶原原胶原纤维功能：骨架构造；参与信号传送。

19、功能：骨架构造；参与信号传送。胶原胶原collagencollagen纤连蛋白是高分子量糖蛋白纤连蛋白是高分子量糖蛋白220-250KD220-250KD纤连蛋白模型纤连蛋白模型纤连蛋白的主要功能：纤连蛋白的主要功能： 介导细胞粘着，进而调理细胞的外形和细胞骨介导细胞粘着，进而调理细胞的外形和细胞骨 架的组织，促进细胞铺展；架的组织，促进细胞铺展； 在胚胎发生过程中，纤连蛋白对于许多类型细在胚胎发生过程中，纤连蛋白对于许多类型细 胞的迁移和分化是必需的；胞的迁移和分化是必需的； 在创伤修复中，纤连蛋白促进巨噬细胞和其它在创伤修复中，纤连蛋白促进巨噬细胞和其它 免疫细胞迁移到受损部位；免疫细胞迁

20、移到受损部位； 在血凝块构成中，纤连蛋白促进血小板附着于在血凝块构成中，纤连蛋白促进血小板附着于 血管受损部位。血管受损部位。纤连蛋白纤连蛋白fibronectinfibronectin，FNFN层粘连蛋白是高分子糖蛋白层粘连蛋白是高分子糖蛋白820KD820KD, ,动物胚胎动物胚胎 及成体组织的基膜的主要构造组分之一；及成体组织的基膜的主要构造组分之一；层粘连蛋白的构造由一条重链和两条轻链构成层粘连蛋白的构造由一条重链和两条轻链构成 细胞经过层粘连蛋白锚定于基膜上；细胞经过层粘连蛋白锚定于基膜上；层粘连蛋白中至少存在两个不同的受体结合部位：层粘连蛋白中至少存在两个不同的受体结合部位： 与与

21、型胶原的结合部位；型胶原的结合部位； 与细胞质膜上的整合素结合的与细胞质膜上的整合素结合的 Arg-Gly-Asp(R-G-D) Arg-Gly-Asp(R-G-D)序列。序列。层粘连蛋白在胚胎发育及组织分化中具有重要作用；层粘连蛋白在胚胎发育及组织分化中具有重要作用； 层粘连蛋白也与肿瘤细胞的转移有关。层粘连蛋白也与肿瘤细胞的转移有关。层粘连蛋白层粘连蛋白lamininlaminin，LNLN氨基聚糖是由反复的二糖单位构成的长链多糖氨基聚糖是由反复的二糖单位构成的长链多糖二糖单位之一是氨基己糖二糖单位之一是氨基己糖 ( (氨基葡萄糖或氨基半乳糖氨基葡萄糖或氨基半乳糖) + ) + 糖醛酸糖醛

22、酸; ;氨基聚糖氨基聚糖: : 透明质酸、透明质酸、4-4-硫酸软骨素、硫酸软骨素、6-6-硫酸软骨素、硫酸软骨素、 硫酸皮肤素、硫酸乙酰肝素、肝素和硫酸角质素等。硫酸皮肤素、硫酸乙酰肝素、肝素和硫酸角质素等。透明质酸透明质酸(hyaluronic acid)(hyaluronic acid)及其生物学功能及其生物学功能透明质酸是增殖细胞和迁移细胞的胞外基质主要成透明质酸是增殖细胞和迁移细胞的胞外基质主要成 分分, ,也是蛋白聚糖的主要构造组分也是蛋白聚糖的主要构造组分透明质酸在结缔组织中起强化、弹性和光滑作用透明质酸在结缔组织中起强化、弹性和光滑作用 透明质酸使细胞坚持彼此分别透明质酸使细胞

23、坚持彼此分别, ,使细胞易于运动迁使细胞易于运动迁 移和增殖并阻止细胞分化移和增殖并阻止细胞分化 氨基聚糖与蛋白聚糖氨基聚糖与蛋白聚糖1 1氨基聚糖氨基聚糖glycosaminoglycanglycosaminoglycan，GAGGAG蛋白聚糖见于一切结缔组织和细胞外基质及许多细胞外表蛋白聚糖见于一切结缔组织和细胞外基质及许多细胞外表蛋白聚糖由氨基聚糖与中心蛋白蛋白聚糖由氨基聚糖与中心蛋白(core protein)(core protein)的丝氨酸残的丝氨酸残 基共价衔接构成的巨分子基共价衔接构成的巨分子假设干蛋白聚糖单体借衔接蛋白以非共价键与透明质酸结合假设干蛋白聚糖单体借衔接蛋白以非

24、共价键与透明质酸结合 构成多聚体构成多聚体蛋白聚糖的特性与功能蛋白聚糖的特性与功能显著特点是多态性：不同的中心蛋白显著特点是多态性：不同的中心蛋白, , 不同的氨基聚糖；不同的氨基聚糖；软骨中的蛋白聚糖是最大巨分子之一软骨中的蛋白聚糖是最大巨分子之一, , 赋予软骨以凝赋予软骨以凝 胶样特性和抗变形才干；胶样特性和抗变形才干；蛋白聚糖可视为细胞外的激素富集与储存库，可与多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。种生长因子结合，完成信号的传导。 2 2蛋白聚糖蛋白聚糖proteoglycanproteoglycan左，蛋白聚糖；中，蛋白聚糖多聚体；右，氨基

25、聚糖左，蛋白聚糖；中，蛋白聚糖多聚体；右，氨基聚糖 弹性蛋白纤维网络赋予组织以弹性，弹性纤维的伸展性比同样弹性蛋白纤维网络赋予组织以弹性，弹性纤维的伸展性比同样横截面积的橡皮条至少大横截面积的橡皮条至少大5倍。倍。弹性蛋白由两种类型短肽段交替陈列构成：一种是疏水短肽赋弹性蛋白由两种类型短肽段交替陈列构成：一种是疏水短肽赋予分子以弹性；另一种短肽为富丙氨酸及赖氨酸残基的予分子以弹性；另一种短肽为富丙氨酸及赖氨酸残基的螺旋，螺旋，担任在相邻分子间构成交联。担任在相邻分子间构成交联。弹性蛋白是高度疏水的非糖基化蛋白，具有两个明显的特征弹性蛋白是高度疏水的非糖基化蛋白，具有两个明显的特征:构象呈无规那

26、么卷曲形状；构象呈无规那么卷曲形状；经过经过Lys残基相互交连成网状构造。残基相互交连成网状构造。 弹性蛋白弹性蛋白elastinelastin第三节第三节 细胞衔接细胞衔接(cell junction)(cell junction)概念：是指细胞间或细胞与细胞基质之间的联络构造。概念：是指细胞间或细胞与细胞基质之间的联络构造。类型：根据行使功能的不同进展分类：类型：根据行使功能的不同进展分类：封锁衔接封锁衔接occluding junctions锚定衔接锚定衔接anchoring junctions通讯衔接通讯衔接communicating junctions一、封锁衔接一、封锁衔接occl

27、uding junctions封锁衔接将相邻的质膜严密衔接在一同阻止溶液中的分子沿细封锁衔接将相邻的质膜严密衔接在一同阻止溶液中的分子沿细胞间隙渗入体内。分为严密衔接和间壁衔接。胞间隙渗入体内。分为严密衔接和间壁衔接。一严密衔接一严密衔接tight junction又称封锁小带又称封锁小带zonula occludens，是封锁衔接的主要方，是封锁衔接的主要方式，存在于脊椎动物的上皮细胞。衔接区域由蛋白质构成的式，存在于脊椎动物的上皮细胞。衔接区域由蛋白质构成的嵴线，嵴线主要由两种跨膜蛋白嵴线，嵴线主要由两种跨膜蛋白claudin和和occludin和外周蛋和外周蛋白白ZO组成。严密衔接具有封

28、锁阻止可溶性物质的分散、组成。严密衔接具有封锁阻止可溶性物质的分散、隔离将上表皮细胞的游离端与基底面细胞膜上的膜蛋白相隔离将上表皮细胞的游离端与基底面细胞膜上的膜蛋白相互隔离和支持功能。互隔离和支持功能。 严密衔接方式图严密衔接方式图二、锚定衔接二、锚定衔接anchoring junctions锚定衔接将相邻细胞的骨架系统或将细胞与基质相连构成一个锚定衔接将相邻细胞的骨架系统或将细胞与基质相连构成一个巩固、有序的细胞群体。巩固、有序的细胞群体。中间纤维有关的：桥粒中间纤维有关的：桥粒desmosome 半桥粒半桥粒hemidesmosome肌动蛋白有关的：粘着带肌动蛋白有关的：粘着带adhesion belt 粘着斑粘着斑focal adhesion类型类型衔接蛋白：细胞内附着蛋白衔接蛋白：细胞内附着蛋白attachment proteins 跨膜衔接的糖蛋白