医学细胞生物学的连接和意义

1、医学细胞生物学的连接和意义细胞的发现第一个发现细胞的是1665年的英国学者胡克(Rorbert Hooke)，相隔170多年后，德国植物学家施来登(Mathias Schleiden)和动物学家施旺 (Theodor Schwann) 创立了细胞学说。 概 述 细胞学说的提出先于进化论约20年，它与进化论一起，奠定了生物科学的基础。细胞学说使生命世界有机结构多样性的统一，从哲学推断走向自然科学论证。细胞学说的科学意义细胞学说： （1）细胞是所有动、植物的基本结构单位。 （2）每个细胞相对独立，一个生物体内各细胞之间协同配合。 每个细胞作为一个相对独立的单位，既有它“自己的” 生命,又对与其它细

2、胞共同组成的整体的生命有所助益。 （3）新细胞由老细胞繁殖产生。细胞（cell ） 除了病毒、类病毒等是非细胞的生命体以外， 其它生命有机体的结构和功能单位都是细胞。细菌、酵母等微生物是以单细胞的形式存在，而高等动、植物则是由多细胞构成的，如人大约有3 1013个细胞。细胞的基本功能无论何种来源的细胞，都具有基本相似的功能: 细胞能够进行自我增殖和遗传 细胞都能进行新陈代谢 细胞都具有运动性 细胞的基本共性1. 所有的细胞表面均有由磷脂双分子层与镶嵌 蛋白质构成的生物膜，即细胞膜。2. 所有的细胞都含有两种核酸：即DNA与RNA 作为遗传信息复制与转录的载体。3. 作为蛋白质合成的机器核糖体，

3、毫无例外 地存在于一切细胞内。4. 细胞的增殖都以一分为二的方式进行分裂。细胞形态、大小和数目细胞的形态多种多样，与细胞所处的部位和功能相关。根据细胞进化程度可将细胞分成真核和原核细胞。细胞的大小与种属和功能相适应，支原体（mycoplast）是目前发现的最小最简单的细胞。原核细胞与真核细胞的区别原核细胞与真核细胞基本特征的比较 特征 原核细胞 真核细胞 细胞膜 有（多功能性） 有 核膜 无 有 染色体 一环状DNA构成单个染色体 2个染色体以上，染色体由 不与或很少与蛋白质结合 线状DNA与蛋白质结合组成 核仁 无 有 线粒体 无 有 内质网 无 有 高尔基体 无 有 溶酶体 无 有 核糖体

4、 70S(包括50S与30S大小亚单位) 80S(包括60S与40S大小亚单位) 光合作 蓝藻含有叶绿素a的膜层结构, 植物叶绿体具有叶绿素a与b 用结构 细菌具有菌色素 核外DNA 细菌有裸露的质粒DNA 线粒体DNA,叶绿体DNA 细胞壁 主要成分是氨基糖与壁酸 动物细胞无细胞壁,植物细胞 壁主要成分是纤维素与果胶 细胞骨架 无 有细胞增殖方式 无丝分裂(直接分裂) 有丝分裂(间接分裂)为主人体组织细胞的形态Tunica intimaEndotheliumTunica adventitiaCollagen fibersTunica mediaSmooth muscle cellsand e

5、lastic fibers主动脉血管镜下结构细胞概念的思考1. 细胞是多层次非线性的复杂结构体系，具有高度 复杂性和组织性。2. 是物质、能量与信息传递过程精巧结合的综合体。 可完成各种化学反应；需要、加工和利用能量； 并参与大量机械活动；可对刺激作出反应。3. 是高度有序的，具有自组装能力与自组织体系。 能进行自我调控；繁殖和传留后代；细胞膜cell membrane汕头大学医学院细胞生物学与遗传学教研室 梁 斌 2014 SUMC第一节 概述第二节 细胞膜第三节 小分子物质的跨膜运输第四节 大分子与颗粒物质的囊泡运输本节内容细胞结构上的相似性-细胞都具有选择透性的膜结构 指包绕在细胞最外层

6、，由脂质和蛋白质组成的一层薄膜，又称质膜。膜是细胞的重要结构，习惯上把细胞所有膜结构统称为生物膜(biomembrane）。 包括细胞质膜(plasma membrane)、内膜(internal membrane)。细胞膜 细胞膜不仅是细胞结构上的边界，使细胞具有一个稳定的内环境；同时在细胞与环境之间进行物质、能量的交换及信息传递过 程中也起着决定性作用。细胞膜的两面细胞质面非细胞质面膜的化学组成与分子结构细胞膜的化学组成：脂类、蛋白质和糖类一、膜脂构成生物膜的基本骨架（一）膜脂（membrane lipid ）： 三种主要成分： 磷脂、胆固醇和糖脂 1. 磷脂：约占膜脂的50%以上 包括两

7、类：甘油磷脂和鞘磷脂。 特征：具有一个极性头部和两个非极性的尾（脂肪酸链）,除饱和脂肪酸根外还有不饱和脂肪酸。磷脂酰胆碱模式图哺乳类动物细胞膜中四种主要的磷脂所有膜脂都是两亲性分子, 可以自发聚集形成双分子层(bilayer)脂质体 liposome脂质体（liposome）脂质体是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。脂质体的应用研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质的工具；脂质体中裹入DNA可用于基因转移的载体；细胞转染。在临床治疗中,脂质体作为药物或酶等载体胆固醇胆固醇在脂双层中的位置 存在于真核细胞膜上（30%以下）。细菌质膜不含有胆固醇，但某些细菌的膜脂中含有甘油脂等

8、中性脂类。思考：胆固醇对身体有害吗？胆固醇分子的作用： 加强膜的稳定性 调节膜的流动性M19细胞 ：中国仓鼠卵巢细胞突变株 由于细胞内胆固醇合成障碍，细胞易崩解死亡。因此，培养过程中必须使用高胆固醇培养基。胆固醇在细胞膜上的作用证明糖脂：约占膜脂的5%以下，目前已发现40余种。糖脂位于细胞外表面，参与细胞识别和信号转导，不同细胞所含糖脂种类不同。(A)半乳糖脑苷脂 (B) 神经节苷脂 (C) N-乙酰神经氨酸二、膜蛋白膜蛋白执行细胞膜的功能功能： 运输蛋白：转运特定的分子或离子催化代谢反应的酶 连接蛋白：连接细胞的骨架和细胞外基质成分 受体蛋白：信号转导3. 膜外在蛋白：膜周蛋白或外在蛋白 P

9、eripheral membrane protein /extrinsic protein 2. 脂锚定蛋白 lipid-anchored protein 1. 膜内在蛋白：跨膜蛋白或整合蛋白 Transmembrane protein /integral protein 内在（整合）膜蛋白 (intrinsic/ integral membrane proteins) 不溶性蛋白，形成跨膜螺旋，与膜结合紧密，需用去垢剂使膜崩解后才可分离。外在(外周)膜蛋白(extrinsic/peripheral membrane proteins ) 水溶性蛋白,靠离子键或其它弱键与膜内表面的蛋白质分子或

10、脂分子极性头部非共价结合，易分离。 锚定蛋白（lipid-anchored proteins) 通过磷脂或脂肪酸锚定，共价结合。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。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。 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。 特点: 一端亲水、另一端疏水的两性小分子。分类：离子型去垢剂(SDS) 非离子型去垢剂（Triton X-100） 应用：分

11、离与研究膜蛋白的常用试剂。去垢剂(detergent)三、膜糖类覆盖非细胞质膜表面糖蛋白：低聚糖或多聚糖共价结合于膜蛋白糖脂：低聚糖链共价结合于脂类细胞外被动物细胞膜中常见的七种糖类糖与多肽连接的两种方式：主要是 N 连接 （天冬酰胺）O 连接（丝/苏氨酸）作用抵御理化损伤。稳定糖蛋白的结构，有助于蛋白质在细胞膜上的定位和固定；参与细胞识别、粘着和迁移。细胞膜的结构细胞膜的结构模型1片层结构模型(Lamella structure model) 1935年James Daniellie和Hugh Davson提出双分子片层结构模型，该模型是第一次用分子术语描述的结构，并将膜结构同所观察到的生物

12、学理化性质联系起来，对后来的研究有很大的启发。细胞膜的结构模型2单位膜模型(unit membrane model) 1959年，在电子显微镜下发现细胞膜是类似铁轨结构(railroad track)，两条暗线被一条明亮的带隔开，显示暗-明-暗的三层，总厚度为，中间层为，内外两层各为2nm。并推测:暗层是蛋白质，透明层是脂，并建议将这种结构称为单位膜 细胞膜的结构模型3流动镶嵌模型(fluid mosaic model) 生物膜是嵌有球形蛋白质的脂类二维排列的液态体，它是一种动态的、不对称的具有流动性的结构。 这一模型强调了膜的流动性和不对称性，较好地体现细胞的功能特点，被广泛接受，也得到许多

13、实验的支持。 细胞膜的结构模型4脂筏模型(lipid rafts) 1. 更厚，更有秩序，较少流动。 2. 周围是富含有饱和脂肪酸的流动性较高的液态区。 3. 功能涉及信号转导、受体介导的胞吞及胆固醇代谢运 输等。一、膜的不对称性 (membrane asymmetry) 决定膜的功能方向性。细胞膜的特性：不对称性和流动性 细胞质膜脂双层中各种成分不是均匀分布的，包括种类和数量的不均匀。 膜脂不对称性表现在脂双层中分布的各类脂的比例不同，各种细胞的膜脂不对称性差异很大。 1. 膜脂的不对称性：膜蛋白的不对称性包括外周蛋白分布的不对称以及整合蛋白内外两侧氨基酸残基数目的不对称。2. 膜蛋白的不对

14、称 膜糖以糖蛋白或糖脂的形式存在，无论是糖蛋白还是糖脂的糖基都是位于膜的外表面 .3. 膜糖的不对称 膜成分的不对称性的意义膜脂、膜蛋白及膜糖分布的不对称性导致了膜功能的不对称性和方向性，保证了生命活动的高度有序性。二、膜的流动性 (membrane fluidity) 1、概念：是指构成膜的脂类和蛋白质分子的运动性。2、液晶态二维流体：固体分子排列的有序性+液体流动性3、相变温度： 250nm 是细胞吞入液体和极小的颗粒物质。直径150nm ，如小肠上皮摄入蛋白质，氨基酸的过程（二）吞饮作用（三）受体介导的胞吞作用提高摄取特定物质的效率二、胞吐是物质出胞作用方式组成型分泌途径（连续性分泌）c

15、onstitutive pathway of secretion ） 调节型分泌途径（受调分泌）（ regulated pathway of secretion ）第五节 细胞膜异常与疾病一、细胞膜与肿瘤 1）糖蛋白改变 各种肿瘤细胞都有粘连蛋白的缺失，失去了原来正常细胞与细胞之间的粘着作用 。 糖蛋白糖链的改变，使癌细胞表面唾液酸残基增加，这点与肿瘤细胞的免疫逃避现象有关。 细胞膜上的糖脂含量相对较少，但具有重要的生理功能。 例如在结肠、胃、胰腺癌和淋巴瘤等肿瘤细胞中，都发现有鞘糖脂组分的改变和合成肿瘤细胞自己特有的新糖脂。 2）糖脂改变 肿瘤细胞表面的糖苷酶和蛋白水解酶活性增加，使细胞膜对

16、蛋白质和糖的传送能力增强，为肿瘤细胞的分裂、增殖和转移提供物质基础。 3）表面降解酶的改变 某些肿瘤细胞膜表面出现原有抗原的消失或异型抗原的产生。 例如，胃癌O型血患者，正常时胃粘膜表面只有单一的O型抗原，而病变后，在胃癌细胞膜表面可出现A型抗原，增加了一个单糖残基，这可能与某些糖基转移酶活性改变有关。 4）出现新抗原 二、受体蛋白缺损与功能不全 某些型糖尿病患者是由于细胞膜表面胰岛素受体数目减少，使胰岛素不能与细胞膜受体结合产生生物学效应，导致糖尿病的发生。 重症肌无力症的病因是由于体内产生了乙酰胆碱受体的抗体，占据了乙酰胆碱受体，封闭了乙酰胆碱的作用。该抗体还可以促使乙酰胆碱受体分解，使患

17、者的受体大大减少，导致重症肌无力症。 三、物质运输紊乱 胱氨酸尿症患者的尿液中含有大量的胱氨酸。当尿液的pH值下降时，胱氨酸沉淀形成结石。这是一种遗传性疾病，其病因是细胞膜上相应的载体蛋白缺陷，造成转运功能降低所致。 肾性糖尿病是由于肾小管上皮细胞膜中转运糖类的载体蛋白缺失而致，也是一种遗传病。 复习题细胞膜有哪些特性？其生理意义是什么？细胞膜的分子结构模型有哪些？脂质体（liposome）概念及应用。4. 简述细胞与外界进行物质交换的方式及特点。5. 证明细胞膜蛋白流动性的实验方法及原理。6. 细胞膜异常与哪些疾病的发生有关？其机制是什么？细胞连接与细胞粘连 细胞连接（cell juncti

18、on ）：在相邻细胞表面形成的连接装置，加强细胞间的机械联系和维持组织结构的完整性，协调细胞的功能。 细胞粘连（cell adhesion ）:动物细胞通过细胞粘着因子介导的细胞与细胞之间或细胞与细胞外基质的粘连。 概念细胞连接和细胞粘连是细胞间组织结构完整性和功能联系的基本结构形式 细胞连接的体积很小，只有在电镜下才能观察到。根据其结构和功能特点分为三类：封闭连接：加强细胞间的机械联系 锚定连接：维持组织结构的完整性通讯连接：协调细胞的功能细胞连接（cell junction ）：一、封闭连接 (紧密连接) 存在于体内各种管腔及腺体上皮细胞靠腔面的顶端部分，相邻细胞之间的质膜紧密结合，没有缝

19、隙。在电镜下可以看到连接区域具有蛋白质形成的焊接线网络。 紧密连接的封闭索由特殊的跨膜蛋白形成，主要为闭合蛋白和密封蛋白，均为4次跨膜蛋白。另外还有膜的外周蛋白。紧密连接的主要作用封闭相邻细胞间的接缝，防止溶液中的分子沿细胞间隙渗入体内，从而保证了机体内环境的相对稳定；消化道上皮、膀胱上皮、脑毛细血管内皮以及睾丸支持细胞之间都存在紧密连接。形成上皮细胞膜脂和膜蛋白侧向扩散的屏障，限制其运动的范围，从而维持上皮细胞的极性。二、锚定连接 由细胞骨架纤维参与的，将细胞与相邻细胞或细胞与基质之间连接起来的细胞结构。 广泛存在于机体多种组织中，尤其是承受机械力的组织，如上皮，心肌，子宫肌层等。 作用：使

20、相邻细胞或与细胞外基质连接，可分散和传递作用力，增强组织支持和抵抗机械张力的作用。根据连接细胞骨架的不同，可分为：黏着连接：与肌动蛋白相连接的锚定连接。 包括黏合带、黏着斑桥粒连接：与中间纤维相连接的锚定连接。 包括桥粒、半桥粒锚定连接分类锚定连接蛋白组成：细胞内附着蛋白：将特定的细胞骨架成分同连接复合体结合在一起跨膜连接的糖蛋白：其细胞内部分与附着蛋白相连，细胞外部分与相邻细胞的跨膜连接蛋白相互作用或与胞外基质相互作用。锚定连接结构与肌动蛋白相连接的锚定连接： 黏合带、黏着斑粘着带 (adhesion belt) 粘着带连接位于上皮细胞紧密连接的下方，靠钙粘着蛋白同肌动蛋白相互作用，将两个细

21、胞连接起来。 作用：对保持细胞形状和维系组织整体性有重要作用。另外，通过联通细胞间肌动蛋白丝，可提供细胞间信号传递的途径。黏着连接粘着带结构示意图 肌动蛋白纤维 粘着斑薄斑(含有粘着斑蛋白、踝蛋白)粘着斑 位于细胞基底部，使细胞与细胞外基质连接。由整联蛋白（integrin）介导此类联接。作用： 在肌细胞与肌腱的连接中最为常见，起固定、连接作用 还参与细胞内外的信号传递。桥粒连接：由中间纤维参与的锚定连接 相邻细胞间： 桥粒 细胞与基底膜间：半桥粒 桥粒 桥粒广泛存在于承受机械力的组织，如皮肤，食管、子宫等。 中间纤维的锚定部位有一致密的胞质斑，由桥粒斑珠蛋白和桥粒斑蛋白构成。此处的穿膜黏着蛋

22、白是桥粒黏蛋白和桥粒胶蛋白。细胞间中间纤维通过桥粒相连，形成网架，为组织提供结构上的连续性和抗张力。临床病例：天疱疮 抗桥粒黏着蛋白 抗体破坏了桥粒结构，组织液通过细胞间隙进入表皮，引起严重的皮肤水疱病。桥粒的作用：半桥粒 上皮细胞与基底膜之间的连接结构，结构类似半个点状桥粒。穿膜黏着蛋白是一种整联蛋白。作用：固定连接作用，防止机械造成上皮与下方组织的剥离，并有信号传导作用。三、通讯连接 存在于几乎所有动物细胞之间的连接通道，保持细胞之间在化学电信号上的联系，维持多细胞间的协调与合作，此类连接称为通讯连接。作用：除机械连接作用以外，还使细胞之间形成代谢偶联和电偶联 包括间隙连接、神经细胞间的化

23、学突触和植物细胞中的胞间连丝 间隙连接 gap junction 在间隙连接的两层质膜中有大量穿膜连接蛋白质颗粒，是构成间隙连接的基本单位，称连接子，由6个相同或相似的跨膜蛋白亚单位环绕而成，直径8nm，中心形成一个连通两个细胞的直径约的孔道。其主要功能是偶联细胞通讯，包括代谢偶联和电偶联，同时加强细胞之间的机械连接。间隙连接间隙连接的通讯方式 1 代谢偶联：连接子形成亲水性通道，允许水溶性小分子（分子量小于1kD的代谢物和信号分子）如ATP，单糖，氨基酸，核苷酸，维生素等细胞内物质及信号分子如cAMP,Ca2+和磷酸肌醇（IP）在细胞间交流。如：胰高血糖素-肝细胞-细胞内cAMP增加-激活c

24、AMP依赖的蛋白激酶-间隙连接蛋白磷酸化-构象改变-间隙连接通透性增加-cAMP迅速扩散。电偶联：又称离子偶联，也是一种离子通道，使带电离子携带的电信号在细胞间传递，如膜电位变化，PH值及Ca2+浓度的变化。 心肌细胞和小肠平滑肌细胞的同步收缩、舒张和蠕动。间隙连接的通讯方式 2 间隙连接的通讯方式 3 电突触：也是一种细胞通讯连接的方式为神经元之间或其与效应细胞之间完成神经冲动传递的方式特点：快速 准确间隙连接在神经冲动信息传递过程中的作用 1.电突触(electronic junction) 快速实现细胞间信号通讯。 2.间隙连接调节和修饰相互独立的神经元群的行为。间隙连接在早期胚胎发育和细胞分化过程中的作用 1. 胚胎发育中细胞间的偶联提供信号物质的通路