第三章细胞质膜与细胞外基质

第三章细胞质膜与细胞外基质一、细胞质膜二、细胞外被与细胞外基质三、细胞连接本文档共79页；当前第1页；编辑于星期三\10点24分一、细胞质膜（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（四）红细胞膜骨架本文档共79页；当前第2页；编辑于星期三\10点24分质膜（plasmamembrane）包在细胞外面所以又称细胞膜。围绕各种细胞器的膜，称为细胞内膜。质膜和内膜在起源、结构和化学组成等方面具有相似性，故总称为生物膜（biomembrane）生物膜是细胞进行生命活动的重要物质基础。本文档共79页；当前第3页；编辑于星期三\10点24分（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％。本文档共79页；当前第4页；编辑于星期三\10点24分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。本文档共79页；当前第5页；编辑于星期三\10点24分

②胆固醇：整个分子分3部分：羟基团组成的亲水的（hydrophilic）极性头部、疏水的（hydrophobic）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。本文档共79页；当前第6页；编辑于星期三\10点24分（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。本文档共79页；当前第7页；编辑于星期三\10点24分（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。本文档共79页；当前第8页；编辑于星期三\10点24分(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。本文档共79页；当前第9页；编辑于星期三\10点24分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）本文档共79页；当前第10页；编辑于星期三\10点24分整合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。本文档共79页；当前第11页；编辑于星期三\10点24分外周蛋白为水溶性，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。本文档共79页；当前第12页；编辑于星期三\10点24分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。本文档共79页；当前第13页；编辑于星期三\10点24分（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。本文档共79页；当前第14页；编辑于星期三\10点24分本文档共79页；当前第15页；编辑于星期三\10点24分（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）本文档共79页；当前第16页；编辑于星期三\10点24分本文档共79页；当前第17页；编辑于星期三\10点24分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。（二）细胞膜的结构模型本文档共79页；当前第18页；编辑于星期三\10点24分三明治模型：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。本文档共79页；当前第19页；编辑于星期三\10点24分单位膜模型：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。本文档共79页；当前第20页；编辑于星期三\10点24分流动镶嵌模型：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。本文档共79页；当前第21页；编辑于星期三\10点24分脂筏模型(lipidraftsmodel)：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。本文档共79页；当前第22页；编辑于星期三\10点24分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。本文档共79页；当前第23页；编辑于星期三\10点24分（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。本文档共79页；当前第24页；编辑于星期三\10点24分

膜蛋白流动性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和细胞融合技术检测侧向扩散。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。本文档共79页；当前第25页；编辑于星期三\10点24分（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和SM主要分布在外小叶，PE和PS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。糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外表面。

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。如各种激素的受体具有极性，细胞色素C位于线粒体内膜M侧。本文档共79页；当前第26页；编辑于星期三\10点24分本文档共79页；当前第27页；编辑于星期三\10点24分2细胞膜的基本功能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，包括代谢底物的输入与代谢产物的排出；提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息的跨膜传递；为多种酶提供结合位点，使酶促反应高效而有序地进行；介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接；参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。本文档共79页；当前第28页；编辑于星期三\10点24分（四）红细胞膜骨架

膜骨架指细胞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。膜骨架是质膜下纤维蛋白组成的网架结构；位于细胞质膜下约0.2μm厚的溶胶层。作用：维持质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。本文档共79页；当前第29页；编辑于星期三\10点24分成熟的哺乳动物红细胞没有核和内膜系统，是研究膜骨架的理想材料。膜骨架赋予红细胞质膜既有很好的弹性又具有较高强度。红细胞经低渗处理，细胞破裂释放出内容物，留下一个保持原形的空壳，称为血影（ghost）。本文档共79页；当前第30页；编辑于星期三\10点24分本文档共79页；当前第31页；编辑于星期三\10点24分本文档共79页；当前第32页；编辑于星期三\10点24分经SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳分析，血影成分（或红细胞膜蛋白）主要有：血影蛋白：由结构相似的α链、β链组成异二聚体，两个二聚体头与头相接连形成四聚体。肌动蛋白：肌动蛋白纤维上有多个血影蛋白结合位点，将血影蛋白连结成网络，带4.1蛋白加固它们的连接。本文档共79页；当前第33页；编辑于星期三\10点24分血型糖蛋白：单次跨膜糖蛋白，约有131个氨基酸，N端在膜外侧，结合16条寡糖链；C-端在胞质面，链较短，与带4.1蛋白相连。血型糖蛋白与MN血型有关，其功能尚不明确。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3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，跨膜14次。本文档共79页；当前第34页；编辑于星期三\10点24分二、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。本文档共79页；当前第35页；编辑于星期三\10点24分（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。本文档共79页；当前第36页；编辑于星期三\10点24分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－－使细胞粘着本文档共79页；当前第37页；编辑于星期三\10点24分动物细胞的细胞外基质本文档共79页；当前第38页；编辑于星期三\10点24分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。本文档共79页；当前第39页；编辑于星期三\10点24分本文档共79页；当前第40页；编辑于星期三\10点24分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。本文档共79页；当前第41页；编辑于星期三\10点24分（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

本文档共79页；当前第42页；编辑于星期三\10点24分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。本文档共79页；当前第43页；编辑于星期三\10点24分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、硫酸软骨素、硫酸角质素以及肝素等。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。本文档共79页；当前第44页；编辑于星期三\10点24分本文档共79页；当前第45页；编辑于星期三\10点24分本文档共79页；当前第46页；编辑于星期三\10点24分

透明质酸（hyaluronicacid,HA）①

是唯一不发生硫酸化的氨基聚糖，是增殖细胞和迁移细胞胞外基质的主要成分，尤其在胚胎组织中。在结缔组织中它起强化、弹性和润滑作用，同时也是蛋白聚糖的主要结构组分。②

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。由于链内氢键及HA分子表面有大量带负电荷的亲水性基团（如COO-），可结合大量水分子和阳离子，增加了离子浓度和渗透压，大量水分子被摄入基质，占据很大的空间，倾向于向外膨胀，产生压力，使结缔组织具有抗压的能力。本文档共79页；当前第47页；编辑于星期三\10点24分4层粘连蛋白和纤粘连蛋白层粘连蛋白和纤粘连蛋白起着将细胞外基质与细胞联系起来的桥梁作用。①层粘连蛋白（laminin，LN）是一种大型的糖蛋白，与Ⅳ型胶原一起参与构成基膜（基膜是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、脂肪和许旺细胞的周围。它不仅起保护和过滤作用，还决定细胞的极性）。②纤粘连蛋白（fibronectin，FN）也是一种大型的糖蛋白。血浆纤粘连蛋白是二聚体，细胞纤粘连蛋白是多聚体。纤粘连蛋白的主要功能是介导细胞粘着。本文档共79页；当前第48页；编辑于星期三\10点24分本文档共79页；当前第49页；编辑于星期三\10点24分三、细胞连接细胞与细胞间或细胞与细胞外基质的联结结构称为细胞连接（celljunction）。是细胞质膜局部特化形成的。细胞连接的体积很小，只有在电镜下才能观察到。可分为三大类，即：封闭连接、锚定连接和通讯连接。本文档共79页；当前第50页；编辑于星期三\10点24分（一）封闭连接（occludingjunction）

紧密连接(tightjunction)

间壁连接（二）锚定连接（anchoringjunction）（三）通讯连接（communicatingjunction）

间隙连接(gapjunction)；

神经细胞间的化学突触(chemicalsynapse)；

植物细胞中的胞间连丝(plasmodesmata)。本文档共79页；当前第51页；编辑于星期三\10点24分（一）封闭连接1紧密连接紧密连接是封闭连接的主要形式，一般存在于上皮细胞之间。特点：电镜下，紧密连接处的相邻细胞质膜紧紧地靠在一起，没有缝隙。

本文档共79页；当前第52页；编辑于星期三\10点24分紧密连接的结构

连接区域具有跨膜蛋白形成的“焊接线”网络，焊接线也称嵴线。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）；

密封蛋白（claudin），蛋白家族（现已鉴定20种以上）。

本文档共79页；当前第53页；编辑于星期三\10点24分分布：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。紧密连接的功能形成渗漏屏障，起重要的封闭作用；维持上皮细胞极性，隔离作用，使游离端与基底面质膜上的膜蛋白行使各自不同的膜功能。本文档共79页；当前第54页；编辑于星期三\10点24分2间壁连接

存在于无脊椎动物上皮细胞之间的紧密连接，连接的细胞内骨架成分为肌动蛋白纤维。本文档共79页；当前第55页；编辑于星期三\10点24分（二）锚定连接通过细胞膜蛋白及细胞骨架系统将相邻细胞，或细胞与细胞外基质相连的细胞连接方式。

根据直接参与细胞连接的细胞骨架纤维类型的不同，锚定连接可分为两种不同的形式：1与中间纤维相连的锚定连接------桥粒和半桥粒；2与肌动蛋白纤维相连的锚定连接-----粘着带和粘着斑。本文档共79页；当前第56页；编辑于星期三\10点24分1桥粒和半桥粒（1）桥粒(desmosome)—连接相邻细胞的锚定连接方式。形态特征：细胞内锚蛋白形成独特的盘状致密斑，一侧与细胞内的中间丝相连，另一侧与跨膜黏附性蛋白相连，在两个细胞之间形成纽扣样结构，从而将相邻细胞铆接在一起。锚蛋白---桥粒斑珠蛋白和桥粒斑蛋白跨膜黏附性蛋白---钙黏蛋白家族（cadherinfamily)本文档共79页；当前第57页；编辑于星期三\10点24分

（2）半桥粒

与桥粒类似，在形态上相当于半个桥粒，但功能和化学组成不同。半桥粒是细胞与胞外基质间的连接方式，参与的细胞骨架仍然是中间丝，但其细胞膜上的跨膜黏附性蛋白质是整联蛋白，与整联蛋白相连的胞外基质是层粘连蛋白。通过半桥粒，上皮细胞可以黏着在基膜上。本文档共79页；当前第58页；编辑于星期三\10点24分2粘着带和粘着斑（1）粘着带（adhesionbelt）（2）粘着斑（adhesionplaque）本文档共79页；当前第59页；编辑于星期三\10点24分（三）通讯连接

1间隙连接

—动物细胞之间的通讯连接2胞间连丝

—植物细胞特有的通讯连接3化学突触

—神经细胞之间的通讯连接本文档共79页；当前第60页；编辑于星期三\10点24分1间隙连接分布广泛分布于动物各种组织细胞之间。除骨骼肌细胞和血细胞外，几乎所有的动物组织细胞都利用间隙连接来进行通讯联系。本文档共79页；当前第61页；编辑于星期三\10点24分结构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，中心形成一个直径约1.5nm的亲水性孔道，相邻细胞膜上的两个连接子对接便形成一个间隙连接结构。亦称缝隙连接本文档共79页；当前第62页；编辑于星期三\10点24分间隙连接的功能及其调节机制（1）间隙连接在代谢偶联中的作用间隙连接能够允许小分子物质如无机盐离子、糖、氨基酸、核苷酸和维生素以及信号分子如cAMP和Ca2+通过，是细胞间代谢偶联的基础。而代谢偶联作用在协调细胞群体的生物学功能方面可能起到重要的作用。

本文档共79页；当前第63页；编辑于星期三\10点24分

（2）间隙连接在神经冲动信息传递过程中的作用间隙连接能在细胞间形成电偶联，如在神经元之间或神经元与效应细胞（如肌细胞）之间的电突触可以直接通过间隙连接从突触前向突触后传导。与化学突触不同，可兴奋细胞间的间隙连接有利于细胞间的快速通讯。另外，间隙连接形成的这种电突触在协调心肌细胞的收缩，保证心脏正常跳动，协调小肠平滑肌的收缩，控制小肠蠕动等过程中也都起着重要作用。本文档共79页；当前第64页；编辑于星期三\10点24分本文档共79页；当前第65页；编辑于星期三\10点24分（3）间隙连接在早期胚胎发育和细胞分化过程中的作用间隙出现在脊索动物及大多数无脊椎动物胚胎发育的早期，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，通过间隙连接提供的通道建立起递变的扩散浓度梯度，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。本文档共79页；当前第66页；编辑于星期三\10点24分

间隙连接通透性的调节间隙连接对小分子物质的通透能力具有底物选择性间隙连接通透性受细胞质Ca2+浓度和pH调节本文档共79页；当前第67页；编辑于星期三\10点24分2

胞间连丝胞间连丝是植物细胞特有的通讯连接。相邻植物细胞之间由胞间连丝穿越细胞壁相通，直径为20－40nm管状，中央有内质网分支联通。是植物细胞间传递电刺激、分泌调控因子（生长素、激动素等）化学信号、代谢产物及营养物质的重要渠道。注意：胞间连丝中的物质运输是有选择性的。本文档共79页；当前第68页；编辑于星期三\10点24分本文档共79页；当前第69页；编辑于星期三\10点24分

3

化学突触

化学突触是存在于可兴奋细胞之间的细胞连接方式，它通过释放神经递质来传导神经冲动。在信息传递中，有一个