细胞质膜与细胞外基质x

细胞膜与细胞外基质陈雅茜

一、细胞质膜

二、细胞外被与细胞外基质

一、细胞质膜

细胞质膜又称细胞膜（一）细胞膜的化学组成（二）细胞膜的结构模型（三）细胞膜的基本特征与功能（一）细胞膜的化学组成细胞膜常常被脂类溶剂（如苯和四氯化碳）、蛋白酶（卵磷脂酶）以及蛋白质作用试剂（如多羟基苯酚）处理后破坏或溶解，推测细胞膜的化学组成主要是脂类和蛋白质。质膜除了主要含有膜脂和膜蛋白成分外，另外还有少量糖，主要以糖脂和糖蛋白的形式存在。一般而言，脂类约占50％，蛋白质约占40％，糖类约占2％～10％。1膜脂（1）组成细胞膜的膜脂主要包括磷脂和胆固醇二类。

①磷脂：构成了膜脂的基本成分，约占整个膜脂的50％以上。可分为甘油磷脂（包括磷脂酰胆碱－卵磷脂，磷脂酰丝氨酸，磷脂酰乙醇胺和磷脂酰肌醇等）和鞘磷脂。②胆固醇：整个分子分3部分：羟基团组成的亲水的极性头部、疏水的非极性的类固醇环结构和一个非极性的碳氢尾部。胆固醇的分子较其他膜脂要小，双亲性较低。（2）膜脂在细胞膜中的4种热运动方式①脂分子的侧向运动；②脂分子的自旋运动；③脂分子的尾部摆动；④脂分子的翻转运动。（3）脂质体脂质体（liposome）是根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双膜的趋势而制备的一种人工膜。单层脂分子铺展在水面上时，其极性亲水头部插入水相，而非极性尾部面向空气界面，搅动后形成极性端向外而非极性端在内部的脂分子团或双层脂分子的球形脂质体，直径25~1000nm不等。脂质体不但是研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质的好材料，而且可利用能与细胞膜融合的特点，将基因或药物送入细胞内部进行转基因或疾病治疗。(a)水溶液中的磷脂分子团；(b)平面脂质体膜；(c)球形脂质体；(d）用于靶向药物治疗的脂质体的示意图。2膜蛋白（1）类型是膜功能的主要体现者。据估计核基因组编码的蛋白质中30%左右的为膜蛋白。根据膜蛋白与脂分子的结合方式，可分为：整合蛋白（integralprotein）外周蛋白（peripheralprotein）脂锚定蛋白（lipid-anchoredprotein）整合蛋白又称内在膜蛋白，可能全为跨膜蛋白（tansmembraneproteins），为两性分子，疏水部分位于脂双层内部，亲水部分位于脂双层外部。由于存在疏水结构域，整合蛋白与膜的结合非常紧密。外周蛋白为水溶性，靠（非共价键）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，因此只要改变溶液的离子强度甚至提高温度就可以从膜上分离下来。脂锚定蛋白又称脂连接蛋白，通过共价键与脂分子或通过一个糖分子间接与脂分子结合。这类蛋白多为膜受体、酶及一些细胞粘着分子。（2）膜蛋白与膜脂的结合方式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。（3）去垢剂整合蛋白为跨膜蛋白（tansmembraneproteins），是两性分子。与膜的结合非常紧密，只有用去垢剂才能从膜上洗涤下来。离子型去垢剂SDS(十二烷基磺酸钠)非离子型去垢剂（TritonX-100）脂肪栅的膜结构设想：1895年Overton发现溶于脂肪的物质易透过植物的细胞膜，不溶于脂肪的物质不易透过细胞膜，推测细胞膜由连续的脂类物质组成。脂双层结构：1925年，Gorter&Grendel用有机溶剂提取了人的红细胞质膜的脂类成分铺展在水面，测出膜脂展开的面积二倍于细胞表面积，推测细胞膜由双层脂分子组成。三明治模型：1935年，Danielli&Davson发现质膜的表面张力比油－水界面的张力低得多，推测膜中含有蛋白质。提出了“蛋白质-脂质-蛋白质”的三明治式的结构模型；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。（二）细胞膜的结构模型单位膜模型：1959年，Robertson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，它由厚约3.5nm的双层脂分子和内外表面各厚约2nm的蛋白质构成，总厚约7.5nm。流动镶嵌模型：1972年，Singer&Nicolson根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果，提出了“流动镶嵌模型”，认为膜是一种动态结构，强调膜的流动性和不对称性。脂筏模型(lipidraftsmodel)：K.Simonsetal1997提出脂筏模型，即在生物膜上胆固醇富集而形成有序脂相,如同脂筏一样载着各种蛋白。脂筏是质膜上富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域。脂筏就像一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。公认生物膜结构应具有的特点细胞膜由流动双脂层和嵌在其中蛋白质组成。具有极性头部和非极性尾部的磷脂分子在水相中自发形成生物膜的性质。以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相组成生物膜骨架。蛋白质或嵌在双脂层表面，或嵌在其内部，或横跨整个双脂层，表现出分布的不对称性。（三）细胞膜的基本特征与功能1细胞膜的基本特征（1）膜的流动性质膜的流动性由膜脂和蛋白质的分子运动两个方面组成。Ⅰ膜脂的流动性膜脂的流动性主要由脂分子本身的性质决定的,脂肪酸链越短,不饱和程度越高,膜脂的流动性越大。温度对膜脂的运动有明显的影响。在细菌和动物细胞中常通过增加不饱和脂肪酸的含量来调节膜脂的相变温度以维持膜脂的流动性。在动物细胞中，胆固醇对膜的流动性起重要的双向调节作用。膜脂分子的运动1.侧向扩散：同一平面上相邻的脂分子交换位置。2.旋转运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。3.摆动运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。4.伸缩震荡：脂肪酸链沿着与纵轴进行伸缩震荡运动。5.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（flippase）的催化下完成。6.旋转异构：脂肪酸链围绕C-C键旋转，导致异构化运动。

Ⅱ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。可用光脱色恢复技术（fluorescencerecoveryafterphotobleaching，FRAP）和细胞融合技术检测侧向扩散。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。

图1利用细胞融合技术观察蛋白质运动1970年LarryFrye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。（2）膜的不对称性质膜内外两层的组分和功能的差异，称为膜的不对称性。膜脂的不对称性：同一种脂分子在脂双层中呈不均匀分布，如：PC（磷脂酰胆碱）和SM（鞘磷脂）主要分布在外小叶，PE（磷脂酰乙醇胺）和PS（磷脂酰丝氨酸）分布在内小叶。用磷脂酶处理完整的人类红细胞，80%的PC降解，PE和PS分别只有20%和10%的被降解。膜脂的不对称性还表现在膜表面具有胆固醇和鞘磷脂等形成的微结构域—脂伐。膜蛋白的不对称性：每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有特定的方向性和分布的区域性，如各种激素的受体分布在细胞膜外表面。复合糖的不对称性：糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外表面。

图2膜各个断面的名称ES，质膜的细胞外表面（extrocytopasmicsurface）；PS，质膜的原生质表面（protoplasmicsurface）；EF（extrocytopasmicface），质膜的细胞外小页断裂面；PF（protoplasmicface），原生质小页断裂面。2细胞膜的基本功能（1）为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境；（2）选择性的物质运输，包括代谢底物的输入与代谢产物的排出；（3）提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息的跨膜传递；（4）为多种酶提供结合位点，使酶促反应高效而有序地进行；（5）介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接；（6）参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。二、细胞外被与细胞外基质（一）细胞外被

指细胞膜外表面覆盖的一层多糖物质，其中的糖与细胞膜中的蛋白分子或脂质分子是共价结合的，形成糖蛋白和糖脂，是细胞膜的正常结构组分，它不仅对膜蛋白起保护作用，而且在细胞识别中起重要作用。（二）细胞外基质（extracellularmatrix，ECM）指分布于细胞外空间，由细胞分泌的蛋白和多糖所构成的网络结构。为细胞的生存及活动提供适宜的场所，并决定和维持器官和组织的形态，还通过信号转导系统影响细胞的形状、代谢、功能、迁移、增殖和分化。细胞种类细胞外结构结构纤维水化基质组分粘连分子动物细胞细胞外基质胶原、弹性蛋白氨基聚糖、蛋白聚糖纤粘连蛋白、层粘连蛋白植物细胞细胞壁纤维素半纤维素、伸展蛋白果胶动物细胞的细胞外基质1胶原—赋于组织强度2弹性蛋白—赋于组织弹性3氨基聚糖与蛋白聚糖—使组织耐压4层粘连蛋白和纤粘连蛋白—使细胞粘着动物细胞的细胞外基质胶原纤维纤粘连蛋白蛋白聚糖层粘连蛋白膜整联蛋白1胶原胶原是动物体内含量最丰富的蛋白质。①功能：胶原是细胞外基质中最主要的水不溶性纤维糖蛋白，含量也最高，刚性及抗张力强度最大，构成细胞外基质的骨架结构。②类型：发现有20多种，目前了解最多的是Ⅰ～Ⅳ型胶原。③结构：胶原纤维的基本结构单位是原胶原。原胶原由三条相同或不同的肽链形成三股螺旋，一级结构具有Gly-x-y重复序列。④合成：在粗糙内质网上合成带有信号肽的前原胶原，切除信号肽并化学修饰（包括糖基化）由高尔基体分泌到细胞外，在两种专一性不同的蛋白水解酶作用下，分别切去N端前肽及C端前肽，成为原胶原。原胶原进而聚合成胶原纤维。

图3（a）胶原纤维的分子结构与形成过程(Ⅰ～Ⅶ)；（b）胶原纤维的电镜照片

2弹性蛋白弹性蛋白是弹性纤维的主要成分。弹性纤维主要存在于脉管壁及肺。弹性纤维与胶原纤维共同存在，分别赋于组织以弹性及抗张性。为高度疏水的非糖基化蛋白，没有Gly-x-y序列，但富含甘氨酸和脯氨酸，很少含有羟脯氨酸，不含羟赖氨酸。构象呈无规则卷曲状，通过Lys残基相互交联。3氨基聚糖与蛋白聚糖①氨基聚糖：由重复二糖单位构成的无分枝长链多糖。其二糖单位通常是氨基已糖（氨基葡萄糖或氨基半乳糖）和糖醛酸，如透明质酸（HA）、硫酸软骨素（CS）、硫酸角质素（KS）以及肝素等。②蛋白聚糖：蛋白聚糖是氨基聚糖（除透明质酸外）与核心蛋白质的丝氨酸残基共价连结形成的巨分子。

图4左，蛋白聚糖；中，蛋白聚糖多聚体；右，