细胞膜与细胞表面

1、1 细胞膜与细胞表面细胞膜与细胞表面 细胞膜细胞膜(cell memberane)是细胞质和外界相是细胞质和外界相隔的一层薄膜，又称隔的一层薄膜，又称质膜质膜(plasma m.) 。 在生命进化历程中细胞膜的形成是关键的在生命进化历程中细胞膜的形成是关键的一步，没有细胞膜，细胞形式生命就不能存在。一步，没有细胞膜，细胞形式生命就不能存在。 细胞膜使细胞内外环境之间保持必要的差细胞膜使细胞内外环境之间保持必要的差别。与物质运输、信号转导、细胞识别、细胞别。与物质运输、信号转导、细胞识别、细胞分裂分化、细胞癌变等密切相关。分裂分化、细胞癌变等密切相关。 第一节第一节 细胞膜与细胞表面特化结构细胞

2、膜与细胞表面特化结构 cell membrane and special structure of cell surface The plasma membrane regulates the entrance and exit of molecules and ions into and out of the cell. The membrane is composed of a phospholipid bilayer with embedded proteins and cholesterol.生物膜细胞膜细胞内膜 细胞内膜系统(cell endomembrane system)：细胞质

3、内在形态结构、功能和发生上具有相互联系的膜相结构的总称，包括核膜、内质网、高尔基复合体、溶酶体、过氧化物酶体以及细胞质内各种膜性小泡。 细胞膜功能：维持细胞形态、界膜、内环境稳定、物质运输、能量转换、信息传递、免疫、癌变等。(Biological membrane)一、细胞膜的结构模型一、细胞膜的结构模型 Structure Model of the Cell MembraneStructure Model of the Cell Membrane 上世纪以来许多科学工作者对于膜的分子结构问上世纪以来许多科学工作者对于膜的分子结构问题进行了很多研究，并提出各种膜分子结构模型题进行了很多研究，并

4、提出各种膜分子结构模型。 细胞的表面张力显著低于油-水界面的表面张力，因此，细胞膜不可能是单纯由脂类构成的，推想细胞膜除脂类外，可能还吸附有蛋白质。(一一)片层结构模型片层结构模型(lamella structure model)蛋白质-磷脂-蛋白质三层夹板式结构。 片层结构模型(1935)表明，细胞膜中有两层磷脂分子，分子的疏水脂肪酸链在膜的内部彼此相对，而分子的亲水端则朝向膜的内外表面，球形蛋白质分子附着在脂双层的两侧表面。Pr-磷脂-Pr ，电镜下：暗-亮-暗“两暗一明两暗一明”蛋白质：单层肽链蛋白质：单层肽链 折叠结构折叠结构脂双层脂双层细胞膜细胞膜细胞质细胞质(二二)单位膜模型单位膜

5、模型(unit membrane model) 电镜下发现膜都呈三层式结构，内外两侧为电子密度高的暗线，中间为电子密度低的明线，把这种两暗一明的结构称为单位膜(J.D.Robertson,1959)。把膜的结构和电镜图像联系起来，但忽略了动态结构变化。(三三)流动流动(液态液态)镶嵌模型镶嵌模型(fluid mosaic model) 1.生物膜是由流动的脂质双分子层构成膜的连续主体。 2.球形的膜蛋白以各种形式镶嵌在脂质双分子层中。总之：总之： 生物膜是嵌有球形蛋白质的脂类二维排列的生物膜是嵌有球形蛋白质的脂类二维排列的液态体。液态体。脂质双分子层脂质双分子层极性头部极性头部疏水尾部疏水尾部

6、镶嵌蛋白镶嵌蛋白外周蛋白外周蛋白S.J.Singer, G.Nicolson(1972)提出,得到广泛支持。Fluid Mosaic ModelMembranes consist of a fluid bilayer composed of lipids The lipids are free to move laterally, membrane is flexible Phospholipids, glycolipids, and sterolsProteins are embedded in the lipid matrix Receptors, recognition proteins

7、, transport proteins, adhesins, and others 晶格镶嵌模型(1975)认为镶嵌蛋白和其周围的类脂分子形成膜中晶态部分，而具有流动性的类脂呈小片的点状分布。因此类脂的流动性是局部的，并非整个类脂双分子层都在流动。 1977年提出了板块镶嵌模型，认为在流动的脂双层中存在许多大小不同、刚性较大的能独立移动的类脂板块(有序结构的板块)，在这些有序结构的板块之间被流动的类脂区(无序结构的板块)分开。因而生物膜是由同时存在不同流动性的板块镶嵌而成的动态结构。 (四四)脂筏模型脂筏模型(lipid rafts model) 1.最近发现，膜各部分脂质分布不是均匀的，膜

8、中有富含胆固醇和鞘磷脂的微区，其中聚集一些特定的蛋白质，这些区域比膜的其他部分厚，更有秩序且缺少流动，称为脂筏(lipid rafts )。 2.脂筏直径约70-100nm，其上载有数百个蛋白质分子。细胞膜上的脂筏与小窝蛋白结合后内陷形成小窝(caveolae)，参与胞吞过程及信号转导等。Sphingomyelin14膜化学组成膜化学组成脂类脂类蛋白质蛋白质糖类糖类细胞膜的化学组成主要是细胞膜的化学组成主要是脂类、蛋白质脂类、蛋白质和和糖类糖类.二、细胞膜的化学组成二、细胞膜的化学组成 The Chemical Basis of the Cell Membrane FLUID MOSAIC M

9、ODEL OF MEMBRANE STRUCTURE “Islands of protein in a sea of lipid” 4-5nmPROTEIN CARBOHYDRATEPHOSPHOLIPIDPlasma membranePhospholipidPolar headNon polar tailsHydrophobic environmentPlasma membranePhospholipid (75%)Hydrophobic environmentOUTSIDEINSIDEPlasma membranePhospholipid (75%)Hydrophobic environm

10、entOHOHOHOHCholesterol (20%)OUTSIDEINSIDEPlasma membranePhospholipid (75%)Hydrophobic environmentOHOHOHOHCholesterol (20%)Glycolipids (5%)OUTSIDEINSIDEPlasma membranePhospholipid (75%)Integral proteinHydrophobic environmentOHOHOHOHPeripheral proteinCholesterol (20%)Glycolipids (5%)OUTSIDEINSIDE(一一)膜

11、膜 脂脂(Membrane lipid) 生物膜上的脂类统称膜脂。膜脂以磷脂和胆固醇为主，并含糖脂。膜脂磷 脂(phospholipid)： 膜的主要成份糖 脂(glycolipid,GL)胆固醇(cholesterol)磷脂磷脂磷酸甘油酯磷酸甘油酯鞘磷脂鞘磷脂(SM)X极性头部基团（亲水）极性头部基团（亲水）非极性尾部基团（疏水）非极性尾部基团（疏水）磷脂酰胆碱磷脂酰胆碱磷脂酰乙醇胺磷脂酰乙醇胺磷脂酰丝氨酸磷脂酰丝氨酸鞘鞘胺胺醇醇磷脂酰肌醇磷脂酰肌醇(IP)PCPEPSSM兼性分子兼性分子1.磷脂磷脂Phosphatidylinositol, PIPCPEPSSphingomyelin,PM

12、,鞘髓磷脂甘油BASIC STRUCTURE OF A GLYCEROPHOSPHOLIPIDPolar Head GroupPhosphate GroupGlycerol BackboneFatty Acid ChainsHydrophobicHydrophilicX OO=P-O-OCH2CHCH2OOC=OC=OR1R2Ester Bond糖脂糖脂(glycolipid,GL)鞘鞘胺胺醇醇鞘鞘胺胺醇醇糖脂分子糖脂分子半乳糖苷脂半乳糖苷脂 糖脂与鞘磷脂糖脂与鞘磷脂相似相似,也是鞘氨醇也是鞘氨醇(不是甘油不是甘油)的衍生物。的衍生物。极性头部极性头部平面甾环结构平面甾环结构非极性尾部非极性尾

13、部3.胆固醇胆固醇(cholesterol)CHOLESTEROLCH3OHC8H17ABCDHYDROPHOBIC REGIONHYDROPHILIC REGION水水水水水水磷脂分子团磷脂分子团磷脂双层磷脂双层磷脂脂质体磷脂脂质体 脂类分子是兼性分子，脂类分子是兼性分子，在水溶液中能自动形成双在水溶液中能自动形成双分子层结构。分子层结构。 当兼性分子被水环境当兼性分子被水环境包围时，它们就聚集起来，包围时，它们就聚集起来，使疏水尾部埋藏在里面，使疏水尾部埋藏在里面，亲水头部露在外面，与水亲水头部露在外面，与水接触，形成球状接触，形成球状分子团分子团(micelle)，或把尾部包在里或把尾部

14、包在里面；形成双分子层面；形成双分子层(bilayer)，把疏水的尾部夹在头部的把疏水的尾部夹在头部的中间。中间。Liposome三、膜蛋白三、膜蛋白(membrane proteins) 在不同细胞中膜蛋白的含量及类型有很大差异。 依在膜上存在方式不同可分为两大类依在膜上存在方式不同可分为两大类（五小类）。（五小类）。膜蛋白：膜蛋白： 生物膜所含的蛋白质。生物膜所含的蛋白质。膜蛋白膜蛋白外周蛋白外周蛋白(周围蛋白周围蛋白)：镶嵌蛋白镶嵌蛋白(整合蛋白整合蛋白)：多附在膜的内外表面，为水多附在膜的内外表面，为水溶的，非共价地结合在镶嵌溶的，非共价地结合在镶嵌蛋白上。蛋白上。不同程度镶嵌在脂双层

15、的内不同程度镶嵌在脂双层的内部，也称部，也称膜内在蛋白膜内在蛋白。有的跨。有的跨越膜双层，也称做越膜双层，也称做跨膜蛋白跨膜蛋白（transmembrane protein)。( (一一) )膜蛋白的类型膜蛋白的类型32 1.单次穿单次穿 膜：膜： 单条单条-螺旋贯穿脂质双层。螺旋贯穿脂质双层。脂质双层脂质双层非胞质面非胞质面胞质面胞质面123452.多次穿膜：多次穿膜：数条数条-螺旋几次折返穿越脂质双层。螺旋几次折返穿越脂质双层。3.非穿越性非穿越性 共价结合：共价结合：不穿越脂质双层的全部，而与胞质侧单层脂质不穿越脂质双层的全部，而与胞质侧单层脂质的烃链结合。的烃链结合。4.与磷脂酰与磷脂

16、酰肌醇结合：肌醇结合：镶嵌蛋白通过自己的一个寡糖链与磷脂酰肌镶嵌蛋白通过自己的一个寡糖链与磷脂酰肌醇（在非胞质面的单层）共价结合。醇（在非胞质面的单层）共价结合。镶嵌蛋白镶嵌蛋白5.外周蛋白：外周蛋白：附在膜的内外表面，非共价地结合在镶嵌蛋白附在膜的内外表面，非共价地结合在镶嵌蛋白上。上。跨膜蛋白跨膜蛋白Integral membrane proteins:1, 2, 3, and 4 Peripheral membraneproteins: 5 and 6 膜周边蛋白(外在蛋白) 常通过内在蛋白间接与膜连接，或直接与脂类分子极性头部结合，如血影蛋白、锚定蛋白和细胞骨架蛋白结合于红细胞膜的内表

17、面，而糖被的一些蛋白结合于外表面。 大多数膜周边蛋白溶解于水，通过离子键或弱键与特定的膜内在蛋白相结合。 用一些温和的方法(高浓度盐溶液或某些化学物质)可以将许多周边蛋白从膜上除去。 膜周边蛋白占膜蛋白的2030，而红细胞膜中占50左右。 内在蛋白与膜结合非常紧密,只有用去垢剂处理,使膜崩溃后,才能将它们分离出来。占膜蛋白7080。( (二二) )膜蛋白的功能膜蛋白的功能维持细胞的形态(机械支持)物质运输能量转换信息传递免疫癌变37SOME CLASSES OF MEMBRANE PROTEINSAdenylyl cyclaseCatalysisEnzymesGlucose, Glutamat

18、eImport and export of substancesTransporterAcetylcholine (nicotinic), GABAMaintenance of ionic gradients, transmissionIon ChannelsInsulin, GlucagonSignal recognition and transductionReceptorsActin, Spectrin, AnkyrinCell-cell contact, cytoskeletal organisationStructuralEXAMPLESFUNCTIONSCLASS按功能不同可将膜蛋

19、白分为五类按功能不同可将膜蛋白分为五类 膜中含有的糖类称为膜糖类或膜碳水化合物。膜糖类膜糖类糖类糖类+膜脂膜脂共价键共价键糖脂糖脂糖类糖类+膜蛋白膜蛋白糖蛋白糖蛋白N-连接；连接；O-连接连接共价键共价键细胞内细胞内四、膜糖类四、膜糖类(membrane carbohydrates)脂双层脂双层膜蛋白膜蛋白细胞被细胞被(糖萼糖萼)：细胞外表的糖链与该细胞分泌出来的糖蛋白等粘附在一起，形成一层外被，称细胞衣或糖萼。细胞被细胞被糖蛋白功能：糖蛋白功能：与细胞识别、信息传递、免疫、癌变等有关。与细胞识别、信息传递、免疫、癌变等有关。glycoproteinGlucolipide/glucolipoi

20、dMEMBRANE COMPOSITION VARIES ACCORDING TO CELLULAR LOCATIONPlasmaM.Outer mito m.Inner mito m.Nuclearm.Carbohydrate (% of membrane) 8 0 0 0Protein: Lipid ratio 1 1 3 3Lipids (%)Phos/cholinePhos/serineSphingomyelCholesterolOthers 18 9 14 30 29 45 2 5 5 43 50 1 2.5 2.5 43.5 55 3 3 10 29五、细胞膜的特性五、细胞膜的特性

21、 ( (properties of cell membranes) )(一一)细胞膜的不对称性细胞膜的不对称性(asymmetry)脂质双分子层的不对称性脂质双分子层的不对称性 1. 脂质双分子层中，各层所含的磷脂种类有明显不同。 非胞质侧：头部含有胆碱的磷脂分子(磷脂酰胆碱,鞘磷脂)。 胞质侧：末端含有氨基的磷脂分子(磷脂酰乙醇胺和磷脂酰丝氨酸)。 2. 糖脂全部分布在非胞质侧的单层脂 质分子中。Membrane asymmetry The inner and outer leaflets of the membrane have different compositions of lipi

22、ds and proteins膜蛋白分布的不对称性膜蛋白分布的不对称性 1. 跨膜蛋白跨越脂质跨膜蛋白跨越脂质双分子层有一定方向性。双分子层有一定方向性。 2. 糖蛋白上的低聚糖残基均糖蛋白上的低聚糖残基均位于膜的非胞质侧。位于膜的非胞质侧。 3. 膜蛋白颗粒在内外两层中分布的不对称。膜蛋白颗粒在内外两层中分布的不对称。 膜分子结构的不对称性膜分子结构的不对称性决定了膜内外表面功能的不决定了膜内外表面功能的不对称性。对称性。冷冻蚀刻膜蛋白的不对称性膜蛋白的不对称性 冰冻蚀冰冻蚀刻复型刻复型 术术得到膜的两个剖面，可见膜蛋白颗粒的分布是非随机的。freeze etching replica 47

23、两相邻细胞质膜冷冻两相邻细胞质膜冷冻复型断裂面复型断裂面 PF：原生质小页断裂面(protoplasmic face)，蛋白颗粒多。 EF：质膜的细胞外小叶断裂面(extroplasmic face)，蛋白颗粒多。*：示相邻细胞间隙：示相邻细胞间隙 红细胞膜冰冻断裂标本显示内层细胞质侧蛋白颗粒约2800个/m2，而外层非细胞质侧只有1 400个/m2。(二)细胞膜的流动性(mobility)膜脂的流动性膜脂的流动性1.侧向扩散侧向扩散2.旋转旋转3.摆动摆动4.翻转翻转(弯曲运动，旋转异构运动弯曲运动，旋转异构运动)49侧向扩散侧向扩散旋转旋转翻转翻转弯曲摆动弯曲摆动fluidity50影响膜

24、脂流动性的因素影响膜脂流动性的因素1.脂肪酸链的饱和程度。脂肪酸链的饱和程度。2.脂肪酸链的长度。脂肪酸链的长度。3.胆固醇的影响。胆固醇的影响。4.卵磷脂卵磷脂/鞘磷脂（黏度大）的比例。鞘磷脂（黏度大）的比例。 膜脂功能：膜脂功能：构成膜的支架；构成膜的支架；膜上很多酶膜上很多酶活性依赖膜脂存在。活性依赖膜脂存在。5.其它因素其它因素(遗传、理化、药物、遗传、理化、药物、pH等等)。膜蛋白的流动性膜蛋白的流动性侧向扩散侧向扩散旋转扩散旋转扩散光致漂白荧光恢复光致漂白荧光恢复法法(Fluorescence photobleaching recover,FPR)52小鼠小鼠细胞细胞标记人膜蛋白标

25、记人膜蛋白抗体抗体+人膜蛋白人膜蛋白（抗原）（抗原）异核细胞异核细胞抗小鼠膜蛋白抗体抗小鼠膜蛋白抗体+荧光素荧光素B抗人膜蛋白抗体抗人膜蛋白抗体+荧光素荧光素A标记小鼠膜蛋白抗标记小鼠膜蛋白抗体体+小鼠膜蛋白小鼠膜蛋白（抗原）（抗原）人细胞人细胞孵育（孵育（37,40分钟）分钟）诱导融合诱导融合 膜蛋白膜蛋白 (抗原）抗原）细胞融合细胞融合实实 验验细胞融合(cell fusion)使指两个或两个以上细胞合并形成一个细胞的过程。自然融合人工融合融合剂异核体(hetrokaryon)杂种细胞(hybrid cell)单克隆抗体六、细胞膜的功能六、细胞膜的功能提供稳定的内环境物质运输信号转导细胞识

26、别酶促反应(酶结合点)细胞连接细胞表面特化结构七、膜骨架与细胞表面的特化结构七、膜骨架与细胞表面的特化结构 细胞质膜常与膜下结构(主要是细胞骨架系统)相互联系,协同作用, 并形成细胞表面的某些特化结构以完成特定的功能。 ( (一一) )膜骨架膜骨架 膜骨架膜骨架(m. 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,它参与维持细胞质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。57七、膜骨架与细胞表面的特化结构七、膜骨架与细胞表面的特化结构 膜骨架赋予细胞质膜既有很好的弹性又具有较高强度。(120天，几百万次，行程480km) （三）红细胞质膜蛋白及（三）

27、红细胞质膜蛋白及膜骨架膜骨架 红细胞质膜蛋白的红细胞质膜蛋白的SDS-PAGE 红细胞膜骨架的结构红细胞膜骨架的结构( (二二) )红细胞的生物学特性红细胞的生物学特性1.微绒毛微绒毛(microvillus) 存在于动物细胞的游离表面。细长指状突起，直径100nm(内有微丝)，长100-200nm。扩大细胞作用表面，有利细胞吸收。每个小肠上皮细胞有1000-3000根微绒毛。 部分腺细胞微绒毛有酶功能；在游走细胞微绒毛能搜索抗原、毒素及协助摄取异物等功能。( (四四) )细胞表面的特化结构细胞表面的特化结构 2.细胞内褶细胞内褶(cell infolding)：扩：扩大作用面积大作用面积(见

28、于液见于液体及离子交换频繁体及离子交换频繁的细胞的细胞)。 3.纤毛纤毛(cilia)：(详见有关章节详见有关章节)。 4.鞭毛鞭毛(flagellum)： (详见详见有关章节有关章节)。紧密连接紧密连接间隙连接间隙连接桥粒连接桥粒连接黏合连接黏合连接半桥粒半桥粒第二节第二节 细胞连接细胞连接（Cell Junction）64 细胞连接细胞连接(cell junction)：指相邻细胞接触区指相邻细胞接触区域特化域特化(局部区域特化局部区域特化)形成一定连接装置。形成一定连接装置。细胞连接细胞连接紧密连接紧密连接桥粒连接桥粒连接中间连接中间连接间隙连接间隙连接封闭连接封闭连接锚定连接锚定连接将

29、相邻细胞的质膜密切地连将相邻细胞的质膜密切地连接在一起，从而阻止溶液中接在一起，从而阻止溶液中的分子沿细胞间隙渗入。的分子沿细胞间隙渗入。通过骨架系统将细胞与相邻通过骨架系统将细胞与相邻细胞与基质之间连接起来。细胞与基质之间连接起来。通讯连接通讯连接为动物细胞中最普通的连为动物细胞中最普通的连接方式。接方式。66 紧密连接存在于脊紧密连接存在于脊椎动物的上皮细胞间的椎动物的上皮细胞间的上端，相邻细胞间的质上端，相邻细胞间的质膜紧密结合，没有缝隙。膜紧密结合，没有缝隙。 电镜下可看到连接电镜下可看到连接区域具有蛋白质形成的区域具有蛋白质形成的焊接线焊接线(嵴线嵴线)网络，封网络，封闭细胞间的空隙

30、。闭细胞间的空隙。 上皮细胞层对小分子的透性与嵴线的数量有关，上皮细胞层对小分子的透性与嵴线的数量有关，有些紧密连接甚至连水分子都不能透过。有些紧密连接甚至连水分子都不能透过。一、封闭闭锁紧密连接一、封闭闭锁紧密连接(occluding/tight junction) 小肠上皮细胞小肠上皮细胞的紧密连接对的紧密连接对Na+的的渗漏程度比膀胱上渗漏程度比膀胱上皮大皮大1万倍。万倍。 一、封闭闭锁紧密连接一、封闭闭锁紧密连接(occluding/tight junction)细胞膜 细胞间隙蛋白质索（嵴线） 相邻细胞膜紧密相贴，没有间隙，似乎融合在一起。 广泛分布于上皮细胞向腔端，形成一条封闭带。

31、P面凸出的嵴网；相邻细胞由跨膜连接糖蛋白组成对合封闭链。 功能：可封闭上皮细胞间隙，防止与外环境沟通，保证内环境相对稳定；可溶性物质从上皮细胞一侧扩散到另一侧起封闭功能；分开膜两端功能蛋白，保证运输的方向性；肿瘤。Claudin occludin72间壁连接存在于无脊椎动物 间壁连接间壁连接(septate junctions)是存在于无脊椎动物上皮细胞的紧密连接。连接蛋白呈梯子状排列，形状非常规则，连接的细胞内骨架成分为肌动蛋白纤维。 在果蝇中一种叫做discs-large的蛋白参与形成间壁连接，突变品种不仅不能形成间壁连接，还产生瘤突。二、锚定连接二、锚定连接(anchoring j.)

32、机体组织内分布很广泛，尤其在上皮组织，心肌和子宫颈等组织中含量最为丰富。 锚定(黏合)连接根据其结构又可分为：带状桥粒(黏合带，中间连接)，点状桥粒，半桥粒。 锚定连接将相邻细胞的骨架系统或将细胞与基质相连形成一个坚挺、有序的细胞群体。锚定连接与中间纤维的锚定连接桥粒与半桥粒desmosome and hemi-与肌动蛋白纤维的锚定连接粘合带和粘合斑adhesion belt andfocal adhesion桥粒位于粘合带下方 桥粒(desmosome)存在于承受强拉力的组织中，如皮肤、口腔、食管等处的复层鳞状上皮细胞之间和心肌中。 相邻细胞间形成纽扣状结构，细胞膜间的间隙约30nm，质膜下

33、方有细胞质附着蛋白质，如片珠蛋白、桥粒斑蛋白(desmoplakin)等，形成一厚约1520nm的致密斑。 ( (一一) )桥粒和半桥粒桥粒和半桥粒桥粒与半桥粒桥粒与半桥粒细胞膜细胞膜 细胞间隙细胞间隙桥粒蛋白桥粒蛋白中间纤维中间纤维 桥粒：桥粒：是细胞间连接起中心作用的结构，是两个细胞间扣状连接点，可使一组细胞形成一个功能单位。盘状致密斑盘状致密斑(15-20nm)(30nm) 桥粒与半桥粒似铆钉将相邻细胞或细胞与基质牢牢连接起来, 起支持,附着,抵抗外界压力与张力的作用。桥粒的结构模型 半桥粒：半桥粒：形态与桥粒类似，是细胞与其下方的基底膜相连。细胞膜细胞膜基底膜基底膜中间纤维中间纤维桥粒

34、蛋白桥粒蛋白 半桥粒连接上皮细胞基面和基膜。 半桥粒处的64整合素整联蛋白结构整联蛋白结构七叶螺旋桨整联蛋白亚基胞外端结构示意图 整合素整合素(integrins)：由和两个亚基形成的异源二聚体糖蛋白。人体细胞中已发现16种链和8种链，它们相互配合形成22种不同的二聚体整合素，可与不同的配基结合，从而介导细胞与基质、细胞与细胞之间的粘着。细胞黏着细胞黏着( (连接连接) )在炎症和转移中的作用在炎症和转移中的作用 机体的一部分受到细菌污染，受伤部位就会吸引白细胞穿过微静脉血管的内皮层进入组织。 微静脉血管壁应答来自附近受伤组织信号，微静脉血管内皮细胞暂时出现P-和E-选择素，与循环中的嗜中性粒

35、细胞黏着更紧密，形成瞬时黏着，运动减慢。 由不同因子引发的激活过程，导致嗜中性粒细胞表面的整联蛋白的结合活性提高。激活的整联蛋白与内皮细胞表面的IgSF高亲和结合，使嗜中性粒细胞停止运动，牢固黏附在血管壁上，并改变其性状，从内皮细胞层挤出去，到达受损组织。(白细胞黏着缺失病)。 肿瘤转移源于细胞表面改变，黏着力弱，容易脱离肿瘤团快。粘合带位于紧密连接下方 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。 ( (二二) )粘合带与粘着斑粘合带与粘着斑 中间连接：即粘合带和粘合斑，均起着附着与支持的功能。中间连接黏合

36、带中间连接黏合带 带状桥粒：带状桥粒：位于上皮细胞紧密连接的下方,在相邻细胞间形成一个连续的带状结构。紧密连接中间连接（带状桥粒） 微丝束 （肌动蛋白纤维）细胞间隙(15-20nm) 粘合斑：是肌动蛋白与细胞外基质之间的连接方式。杨保胜 细胞生物学与遗传学教研室 86 间隙中的粘合分子为间隙中的粘合分子为E-钙粘素钙粘素(cadherin) ，在，在质膜的内侧有几种附着蛋白与钙粘素结合在一起质膜的内侧有几种附着蛋白与钙粘素结合在一起 。粘合带结构模型 钙粘素(cadherin)间隙连接电镜照片 三、通讯连接三、通讯连接(communicating junction)（一）间隙连接(gap ju

37、nction) 间隙连接存在于大多数动物组织。在连接处相邻细胞间有24nm的缝隙，而且连接区域比紧密连接大得多，最大直径可达0.3m。 在间隙与两层质膜中有大量蛋白质颗粒，是构成间隙连接的基本单位，称连接子连接子(connexon)，由6个相同或相似的跨膜蛋白亚单位环绕而成，直径8nm，中心形成一直径约1.5nm的孔道。 三、通讯连接三、通讯连接(communicating junction)（一）间隙连接（一）间隙连接 连接子(connexon)，间隙连接的基本单位。细胞膜细胞膜细胞间隙细胞间隙2-4nm连接子连接子跨膜蛋白跨膜蛋白亚单位亚单位孔孔 道道1.5nm个间隙连接单位个间隙连接单位

38、8-10nm两个连接子为一两个连接子为一左，连接子电镜照片；右，间隙连接模型 间隙连接的功能连接的通道，由一个细胞进入与之相邻的另一个细胞。代谢偶联(metabolic/ chemical coupling)：小分子代谢物和信号分子（分子量小于1500KD)即可通过间隙。电偶联(electric/ionic coupling)：带电离子通过间隙连接通道由一个细胞直接进入另一个细胞，使动作电位迅速在细胞之间传播。影响早期胚胎发育和细胞分化。间隙连接结构的蛋白成分间隙连接结构的蛋白成分 间隙连接处相邻细胞质膜间的间隙为23nm 。 连接子(connexon) 中心形成一个直径约1.5nm的孔道。

39、已分离20余种构成连接子的蛋白,属同一蛋白家 族,其分子量2660KD不等； 连接子蛋白具有4个-螺旋的跨膜区，是该蛋白家族最保守的区域。 连接子蛋白的一级结构都比较保守,并有相似的抗原性。 不同类型细胞表达不同的连接子蛋白，间隙连接的孔径与调控机制有所不同。间隙连接的功能及其调节机制间隙连接的功能及其调节机制 1.1.间隙连接在代谢间隙连接在代谢偶联中的作用偶联中的作用 允许小分子代谢物和信号分子通过，是胞间代谢偶联(coupling)的基础；代谢偶联在协调细胞群体的生物学功能方面起重要作用。 降低胞质中的pH值和提高自由Ca2+的浓度都可以使其通透性降低。间隙连接的通透性受两侧电压梯度的调

40、控及细胞外化学信号的调控。间隙连接的功能及其调节机制间隙连接的功能及其调节机制 2.间隙连接在神经冲动信息传递过程中的作用间隙连接在神经冲动信息传递过程中的作用 电突触(electronic junction)和化学突触快速实现细胞间信号通讯；间隙连接调节和修饰相互独立的神经元群的行为。 化学突触的结构（具有小囊泡的一侧为突触前膜） 间隙连接的功能及其调节机制间隙连接的功能及其调节机制 3. 间隙连接在早期胚胎发育和细胞分化过程中的作用 胚胎发育中细胞间的偶联提供信号物质的通路, 从而为某一特定细胞提供它的“位置信息”，并根据其位置影响其分化；肿瘤细胞之间间隙的连接明显减少或消失，间隙联接类似

41、“肿瘤抑制因子”。( (二二) )胞间连丝胞间连丝 胞间连丝的功能：实现细胞间由信号介导的物质有择性的转运(胞间连丝定位信号)；实现细胞间的电传导；在发育过程中，胞间连丝结构的改变可以调节植物细胞间的物质运输。 几类细胞连接的比较 四、细胞表面的黏着因子四、细胞表面的黏着因子 细胞与细胞间的黏连是由特定的细胞黏连分子细胞与细胞间的黏连是由特定的细胞黏连分子所介导的。所介导的。细胞粘着（识别）的三种方式：细胞粘着（识别）的三种方式：同型粘同型粘着、异型粘着、粘着成分介导粘着。着、异型粘着、粘着成分介导粘着。 1.钙粘素钙粘素(cadherins)：属同亲性依赖属同亲性依赖Ca2+的细的细胞粘连糖

42、蛋白，对胚胎发育中的细胞识别、迁移胞粘连糖蛋白，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。和组织分化以及成体组织器官构成具有主要作用。 钙粘素钙粘素(cadherins)由由720-750个氨基酸残基组个氨基酸残基组成成(不同分子有同源性不同分子有同源性)，个体发育的不同时期。，个体发育的不同时期。 2.选择素选择素(selectin)：属异亲性属异亲性依赖于依赖于Ca2+的能的能与特异糖基识别并相结合的糖蛋白，其胞外部分与特异糖基识别并相结合的糖蛋白，其胞外部分具有一具有一凝集素凝集素(lectin)结构域。主要参与白细胞与结构域。主要参与白细胞与脉管内皮细胞之

43、间的识别与粘着。脉管内皮细胞之间的识别与粘着。P(platelet)选择选择素素、E(endothelial)选择素选择素(存在于脉管内皮、血细存在于脉管内皮、血细胞及细胞之间胞及细胞之间)和和L(leukocyte)选择素。选择素。 3.免疫球蛋白超家族免疫球蛋白超家族(Ig-Superfamily, IgSF):分子分子结构中具有与免疫球蛋白类似的结构域的结构中具有与免疫球蛋白类似的结构域的CAM超家超家族。介导同亲性细胞粘着或介导异亲性细胞粘着但其族。介导同亲性细胞粘着或介导异亲性细胞粘着但其粘着作用不依赖粘着作用不依赖Ca2+，其中，其中N-CAMs 在神经组织细胞在神经组织细胞间的粘

44、着中起主要作用。间的粘着中起主要作用。细胞与细胞连接主要成员Ca2+或Mg2+依赖性胞内骨架成分与细胞连接关系钙粘素 选择素免疫球蛋白类血细胞整合素E，N、P-钙粘素桥粒-钙粘素P-选择素N-细胞粘着分子Lb2+-+Actin纤维中等纤维 MF粘着带桥粒- 整合素 质膜蛋白聚糖约20种类型6b4Syndecans+-MFIFMF粘着斑半桥粒- 细胞中主要的粘连分子家族 细胞连接类型粘连分子胞外胞内某些结合蛋白细胞骨架类型细胞与细胞连接桥粒 钙粘素 desmogleins desmocollins 相邻细胞的钙粘素desmoplakinsplakoglobin中等纤维粘着带钙粘素(E-钙粘素)同

45、上VinculinCatenin微丝 细胞与ECM半桥粒整合素（64）ECM蛋白(基底膜蛋白)desmoplakin-like蛋白中等纤维粘着斑整合素 ECM蛋白talinvinculin-actinin 微丝与细胞锚定连接相关的粘连分子与细胞锚定连接相关的粘连分子 杨保胜 细胞生物学与遗传学教研室 108非锚定连接的细胞粘连分子及其作用部位非锚定连接的细胞粘连分子及其作用部位( (深色深色) ) 非锚定连接的细胞间粘着方式 1.钙粘素； 2.免疫球蛋白类细胞粘着分子 3.选择素； 4.整合素； 5.质膜整合蛋白聚糖 第三节第三节 细胞外被与细胞外基质细胞外被与细胞外基质(Cell Coat

46、and Extracellular Matrix） 细胞外被细胞外被(cell coat) 又称又称糖萼糖萼(glycocalyx) ，指细胞质膜外表面覆盖的一层粘多糖物质，实际指细胞表面与质膜中的蛋白或脂类分子共价结合的寡糖链。 功能：不仅对膜蛋白起保护作用,而且在细胞 识别中起重要作用。膀胱上皮细胞表面的糖被，钌红染色的电镜超薄切片（梁凤霞，丁明孝） 细胞外基质细胞外基质(ECM)是个体发育过程中，由细胞合成并分泌到细胞外的各种生物大分子，在细胞之间或细胞表面组装成网络状的高度水合的凝胶结构。 ECM依化学成分可分为三类：氨基聚糖(GAG)和蛋白聚糖(PG) ；胶原和弹性纤维；非胶原糖蛋白

47、:纤粘连蛋白(FN)和层粘连蛋白(LN)。 ECM的功能：支持、保护和提供营养外，还控制细胞的迁移、增殖、分化、细胞识别、粘着、通讯联络、信号传导、形态建成、代谢、基因的表达与调控等生理过程和炎症、损伤与修复、免疫应答以及肿瘤转移等病理过程中具有重要的功能和作用。 将不同的细胞连接在一起，以形成组织、器官将不同的细胞连接在一起，以形成组织、器官的物质基础就是体内无处不在的的物质基础就是体内无处不在的ECM。没有。没有ECM的参与，就不能构成一个机体。的参与，就不能构成一个机体。 ECM不仅将各种组织连接在一起，赋予各种不仅将各种组织连接在一起，赋予各种组织、器官的基本结构和形状，也赋予其力学性

48、质，组织、器官的基本结构和形状，也赋予其力学性质，为各种细胞组织提供附着的支架组织。为各种细胞组织提供附着的支架组织。 ECM结构和功能改变将导致病理改变结构和功能改变将导致病理改变:器官组器官组织纤维化织纤维化;衰老衰老;肿瘤恶变、转移和侵润肿瘤恶变、转移和侵润;某些遗传性某些遗传性疾病是由于基因突变导致疾病是由于基因突变导致ECM结构和功能改变所结构和功能改变所致。致。 胶原是ECM中最主要的水不溶性纤维蛋白，目前已发现的胶原类型有20多种。 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

49、存在于软骨中; 型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; 型形成二维网格样结构,是基膜的主要成分及支架。（一）胶原的类型（一）胶原的类型型胶原与型胶原与、和和型不同点型不同点 1. -链不含Gly-X-Y ，不形成-螺旋结构； 2.分泌到ECM的前胶原分子保留前肽； 3.以二聚体交联成网(粉色，绿色为层黏连蛋白)，构成基膜的骨架结构。 胶原分子由3条-螺旋链(、表示单、双和三肽)组成，其中甘氨酸(Gly)占1/3，富含脯和赖氨酸，几乎不含色、酪和蛋氨酸。脯、赖氨酸常羟化为羟脯、羟赖氨酸，为胶原所特有。赖氨酸选择性糖基化。特有三肽重复顺序(Gly-X-Y)：X多为Pro、Y

50、多为Hylys和Hyp。（二）分子结构（二）分子结构（三）胶原的形成（三）胶原的形成 RER上合成前体链(前前胶原) 前肽(prepeptide)，也称前-链 Glogi上羟化、糖基化及交联前胶原分子 出胞切去前肽胶原分子 胶原原纤维 胶原纤维。（四）胶原的功能（四）胶原的功能 1.哺乳动物皮肤中的胶原编织成柳条状，分布于皮下结缔组织中，具多方向的抗张力； 2.肌腱中胶原沿应力主轴呈平行束排列，使其富有强韧性； 3.成熟骨骼、角膜和横隔肌腱中形成有序的胶合板样结构； 4.在腺泡、骨骼肌和平滑肌周围，型胶原组成细纤维网络，包围于细胞表面； 5.型胶原构成各种上皮细胞基膜的网架结构； 6.胶原通过

51、ECM中各种成分结合，将ECM组织起来，同时与细胞表面受体结合，连成组织和器官； 7.胶原通过细胞表面受体介导与细胞内骨架相互作用，形成细胞的形态和运动； 8.胶原有刺激上皮细胞分化，维持上皮细胞生长作用，并成为细胞相互作用的支架和细胞迁移附着的基质，引导细胞迁移。( (五五) )胶原的发生与疾病胶原的发生与疾病 在胚胎形态发生时胶原的表达较高，发育不同阶段表达不同类型的胶原。 先天性胶原的表达或装配异常导致胶原病：如成骨不全为型胶原合成降低；Marfan综合征为型胶原C端延长；Ehter-Dantons综合征是胶原N端延长或没有切去前肽。 各种肝、肺、皮肤病理性纤维化是由于胶原表达过度、分布

52、和比例失调及羟化降低等。 免疫性胶原病：如类风湿关节炎、慢性肾炎可能是机体丧失对自身胶原结构的免疫耐受性，造成自身免疫性胶原损伤引起。 肿瘤细胞能释放胶原酶，特异地分解基膜中的型胶原，破坏基膜结构，为肿瘤细胞的转移、侵润提供方便。成骨不全成骨不全型型 AD，发病率发病率1/30,000.骨折、蓝色骨折、蓝色巩膜、传导性巩膜、传导性 耳聋。耳聋。 Ehlers-Danlos综合征:遗传异质性，有各种亚型：EDS-EDS 等，EDS 型病情最严重（AD或AR）。 型：编码型胶原纤维的1链胶原基因COL5 A1、COL5 A2突变 型：COL3 A1基因突变 型：赖氨酰羟化酶基因突变 a型：COL1

53、 A1缺陷 b型：COL1 A2缺陷 c型：前胶原N-肽酶缺陷 (glycosaminoglycan，GAG)和 (proteoglycan，PG)是一些高分子的含糖化合物，形成ECM高度亲水性的凝胶。 PG与一般糖蛋白的区别：PG含糖基种类少；PG糖链由重复二糖单位组成，无分支，糖基数目多；PG以糖为主(含量)；多数PG含有硫酸基团(HA除外)和肝素。(一一)氨基聚糖（氨基聚糖（glycosaminoglycan, GAG） GAG是由重复的二糖单位聚合成的不分支的长链状多糖，也称粘多糖。因二糖单位中一个常为氨基糖而得名，另一糖基常为糖醛酸。多数糖基硫酸化。 透明质酸(hyaluronic

54、acid, HA)是一种原始形式的重要的GAG，是唯一能以自由链形式存在于体液中的GAG。HA由N-乙酰氨基葡萄糖和葡萄糖醛酸组成二糖单位，许多二糖单位重复聚合成直链状多糖，非硫酸化，一个HA分子可包含几千个二糖单位。 HA是增殖细胞和迁移细胞的ECM的主要成分，尤其在胚胎组织中。同时也是PG的主要结构组分。HA在结缔组织中起着强化、弹性和润滑作用。氨基聚糖的分子特性氨基聚糖的分子特性133(二二)蛋白聚糖蛋白聚糖(proteoglycan, PG) PG是GAG与蛋白质构成的共价化合物。构成PG的蛋白质称为核心蛋白(为单链多肽)，一个核心蛋白多肽链可以共价结合1数百条GAG链(一般在300个

55、糖基以下)。一种PG可含数种不同的GAG。由此可见，PG的种类是难以估量的，几乎具有结构的无限多样性。 PG的生物合成：RER上合成核心蛋白，多肽链未完成即以O-连接或N-连接上糖基。糖链延长、加工修饰在高尔基体上进行，由高度特异的糖基转移酶逐个加上糖基(并不是先合成二糖单位)。GAGGAG和和PGPG的功能的功能1.使组织具有弹性和抗压性2.对物质转运由选择渗透性3.传递信息作用4.角膜中的PG具有透光性5.肝素PG具有抗凝血功能6.形态发生及创伤愈合7.衰老与疾病 随年龄，硫酸角质、硫酸皮肤素，HA； 动脉粥样硬化患者：血管内皮细胞表面硫酸皮肤素PG，导致脂类沉积。 肝硬化和肝癌患者血中H

56、A含量明显升高； 粘多糖累积病：先天性缺乏降解GAG的酶.三、非胶原糖蛋白三、非胶原糖蛋白( (粘着成分粘着成分) ) 非胶原糖蛋白(粘着成分)使细胞与 ECM相互粘着，同时介导细胞运动迁移，在细胞分化和创伤修复中起重要作用。对细胞的存活、形状、粘着、铺展、迁移、增殖、分化有直接影响。 这一大类非胶原糖蛋白已发现数十种，如纤连蛋白(fibronectin，FN)和层粘连蛋白(laminin，LN)，它们都是多功能大分子，具有分别与细胞及细胞外其他成分结合的多个结构域，是 ECM 成分的组织者。此处着重介绍几种主要成员。(一一)层粘连蛋白层粘连蛋白(laminin，LN) LN是由三条大的肽链结合而成的聚合体，肽链通过二硫键构建成“十”字