细胞膜及其细胞表面资料课件

细胞分子生物学细胞分子生物学第五章第五章 细胞膜与细胞表面细胞膜与细胞表面 第一节第一节 细胞膜细胞膜 一、细胞膜的组成成分 1.膜脂类 生物膜中的脂类约有100种，其中膜脂以磷脂和胆固醇为主，有的膜还有糖脂。磷脂构成了膜脂的基本成分，约占整个膜脂的50%以上，几乎所有细胞膜都含有磷脂。磷脂分子的主要特征：具有一个极性头和两个非极性的尾，包括甘油磷脂和鞘磷脂。胆固醇是中性脂类，在各种动物细胞膜中含量均较高。生物膜中的胆固醇与磷脂的碳氢链相互作用，可阻止磷脂凝集成晶体结构，对膜脂的物理状态具有调节作用。糖脂是由脂类和寡糖构成，普遍存在于原核和真核细胞的质膜上，其含量约占膜脂总量的5以下，在神经细胞膜上糖脂含量较高。第一节第一节 细胞膜细胞膜 2.膜蛋白 虽然细胞膜的基本结构是由脂双层组成，但是它的特定功能主要由蛋白质完成的。在不同细胞中膜蛋白的含量及类型有很大差异，在一般类型的细胞膜中，蛋白质含量约占50%，膜功能的差异主要体现在所含蛋白质的不同。根据膜蛋白在膜上的存在方式，可分为整合膜蛋白和膜外周蛋白。图3-1 整合膜蛋白图3-2外周蛋白第一节第一节 细胞膜细胞膜二、细胞膜的结构1.细胞膜结构的研究历史2.流动镶嵌模型图3-3 流动镶嵌模型第一节第一节 细胞膜细胞膜 三、细胞膜的特性 1.流动性 质膜的流动性是指膜脂和膜蛋白处于不断的运动状态。膜的流动性是生物膜的基本特征之一，也是细胞进行生命活动的必要条件。膜脂和膜蛋白是生物膜结构的基本组成成分，膜蛋白是生物膜功能的主要执行者，而膜脂是影响蛋白发挥功能的重要因素。生物膜脂双层的物理状态直接影响膜蛋白的活性，如腺苷酸环化酶（AC）的活性受脂双层内层磷脂分子组成的影响；跨膜Ca2+梯度差可通过改变膜脂的流动性调节腺苷酸环化酶（AC）和激活性G蛋白（Gs）的活性。（1）膜脂的流动 膜脂的流动性主要指脂分子的侧向运动，在同一平面上相邻的脂分子交换位置。它在很大程度上是由脂分子本身的性质决定的，一般说来，脂肪链越短，不饱和程度越高，膜脂的流动性越大。第一节第一节 细胞膜细胞膜膜脂运动方式还有以下几种方式（图3-4）。旋转运动 膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。摆动运动 膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。伸缩震荡 脂肪酸链沿着纵轴进行伸缩震荡运动。翻转运动 膜脂分子从脂双层的一层翻转到另一层。旋转异构 脂肪酸链围绕C-C键旋转，导致异构化运动。图3-4膜脂的分子运动第一节第一节 细胞膜细胞膜 （2）膜蛋白的流动性 分布在膜脂中的膜蛋白也有发生运动的特性，其运动方式主要是侧向运动和旋转运动，没有翻转运动。这两种运动方式，与膜脂分子相同，但移动速度较慢。旋转运动指膜蛋白围绕与膜平面垂直的轴进行旋转运动，膜蛋白在脂双层二维溶液中的运动是自发的热运动，不需要能量。实验证明，用药物抑制细胞能量转换，膜蛋白的运动不受影响。图3-5 人-鼠细胞融合过程中膜蛋白的运动性第一节第一节 细胞膜细胞膜 2.不对称性 细胞质膜内外两个单层的组成、结构和功能有很大的差异，我们把这种差异称为膜的不对称性。膜脂、膜蛋白和复合糖在膜上均成不对称性分布，导致膜功能的不对称性和方向性，即膜内外两层的流动性不同，使物质传递有一定方向，信号的接受和传递也有一定的方向等。图3-6 膜各个断面的名称第一节第一节 细胞膜细胞膜 （1）膜脂的不对称性 膜脂的不对称性是指同一种膜脂分子在膜的脂双层中呈不均匀分布。组成膜两个单层的膜脂种类不同。糖脂的分布表现出完全不对称性，其糖侧链部都在质膜的ES面上，所以糖脂仅存在质膜的细胞外小页中，糖脂的不对称分布是完成其生理功能的结构基础。膜脂的不对称性有重要的生理意义，有一些疾病，如镰刀状贫血病、未分化肿瘤细胞等疾病都是质膜脂双层的不对称性发生紊乱造成的。（2）膜蛋白的不对称性 膜蛋白的不对称性是指每种膜蛋白分子在细胞膜上都有明确的方向性和分布的区域性。各种生物膜的特征及功能主要由膜蛋白决定的，膜蛋白的不对称性是生物膜完成复杂有序的各种生理功能在时间上与空间上的保证。第一节第一节 细胞膜细胞膜 四、细胞膜的功能 细胞膜将细胞与外界环境隔开，因此细胞和它周围环境发生的一切联系和反应，都必须通过细胞膜来完成。了解细胞膜的功能，对于理解细胞膜的结构和细胞的生命活动都很重要。1.由于细胞膜的存在，使得遗传物质和其它参与生命活动的生物大分子相对集中在一个安全的微环境中，有利于细胞的物质和能量代谢。2.细胞膜为两侧的分子交换提供了一个屏障，一方面可以让某些物质自由通透，另一方面阻碍某些物质出入细胞。3.细胞通常用质膜中的受体蛋白从环境中接受化学信号和电信号。4.通过膜结合细胞器，使细胞的功能定位在一定的细胞结构并形成相互协作的系统。5.在多细胞的生物中，细胞通过质膜进行细胞间的多种相互作用，包括细胞识别、细胞连接等。6.参与细胞的能量转换。第二节 细胞表面结构 一、细胞外被 1.细胞外被的构成 所有细胞膜外面的覆盖物都可看作是细胞外被，如植物细胞和大多数细菌的细胞壁、细菌的荚膜、一些动物的卵膜和透明带等。细胞外被伸展于质膜的外表面，不是细胞膜外面的独立结构，而是质膜中的糖蛋白和糖脂伸出的寡糖链组成的，实质上细胞外被是质膜结构的一部分（图3-7）。图3-7 糖链构成细胞外被第二节 细胞表面结构 2.细胞外被的作用 （1）保护作用 细胞外被具有一定的保护作用。（2）细胞识别 细胞识别与构成细胞外被的寡糖链密切相关。寡糖链由质膜糖蛋白和糖脂伸出，每种细胞寡糖链的单糖残基具有一定的排列顺序，编成了细胞表面的密码，为细胞的识别形成了分子基础。同时细胞表面尚有寡糖的专一受体，对具有一定序列的寡糖链具有识别作用。因此，细胞识别实质上是分子识别。（3）决定血型 血型实质上是不同的红细胞表面抗原，人最基本的血型是ABO血型。红细胞质膜的糖鞘脂是ABO血型系统的血型抗原，血型免疫活性特异性的分子基础是糖链的糖基组成。A、B、O三种血型的糖链结构基本相同，只有糖链末端的糖基有所不同。A型血的糖链末端为N-乙酰半乳糖；B型血为半乳糖；AB型血两种糖都有；O型血则缺少这两种糖基。第二节 细胞表面结构 二、细胞表面的特化结构 1.膜骨架 膜骨架（membrane 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，它参与维持质膜的形状并协助质膜完成多种功能。2.纤毛和鞭毛 纤毛(cilia)和鞭毛(flagella)是细胞表面具有运动功能的细胞特化结构。二者形态虽有所差异，但基本结构完全相同。通常情况下，将多而较短的称为纤毛，少而较长的称为鞭毛。纤毛和鞭毛是细胞表面向外伸出的细长突起，内部由微管构成复杂结构。纤毛长50100nm，直径35nm，数目多；鞭毛比纤毛更细长，约1500nm左右，数目很少，一般只有一根至数根。细胞靠纤毛和鞭毛的运动而在液体中穿行，如原生动物和高等动物的精子等。第二节 细胞表面结构 3.微绒毛 微绒毛（microvilli）广泛存在于动物细胞的游离表面。在电镜下可见,它是细胞表面伸出的细长指状突起，垂直于细胞表面。微绒毛直径约为0.1m，长度则因细胞种类和生理状况不同而有所不同。微绒毛表面是质膜和糖被，内部是细胞质的延伸部分。4.细胞的变形足 细胞的变形足包括丝足和片足。丝足由20根左右松散的肌动蛋白纤维构成，正端朝向胞外，能迅速地伸出或缩回。片足中肌动蛋白纤维更有序，微丝正端与细胞运动方向一致。细胞变形足运动的本质是肌动蛋白纤维的装卸。第二节 细胞表面结构图3-8 细胞外基质主要成分与结构示意图第二节 细胞表面结构 细胞外基质的作用概括为以下几个方面：1.细胞外基质对细胞的形态和活性具有重要作用。若用酶将培养的软骨细胞或哺乳动物胰腺表皮细胞的细胞外基质水解掉，细胞的合成和分泌活动就会显著下降，此时将细胞外基质材料再添加到处理的培养瓶，可使细胞恢复活力并分泌产物。2.对细胞迁移有促进作用。如动物胚胎中细胞的迁移和纤粘连蛋白有密切的关系。原肠形成期，纤粘连蛋白在中胚层的粘连与迁移中担负着重要的任务。3.细胞外基质对细胞运动、增殖、分化和稳定细胞与组织的表现型等均有重要作用。蛋白聚糖和氨基聚糖主要存在于结缔组织基质、基膜和一些细胞膜的表面，使得细胞外基质具有这些功能。第三节 细胞连接 一、封闭连接 封闭连接（occluding junction）是指在相邻细胞的质膜之间，只有2nm或更小，甚至没有间隔。图3-9 紧密连接位模式图第三节 细胞连接 二、锚定连接 锚定连接（anchoring junction）是使相邻细胞的骨架系统或使细胞与基质相连形成一个坚挺有序的细胞群体的连接。大多数组织和器官都要受相邻细胞的机械力的作用，这种机械力相当强，还有破坏性。为了维持组织结构的稳定性，组织内的细胞必须连接起来使组织具有一定的机械强度。由于这种连接都是通过相邻的骨架系统或细胞与基质连接起来的，是通过跨膜蛋白进行的细胞锚定，故称为锚定连接。锚定连接分为两种不同的形式：（1）与中间纤维相连的锚定连接主要包括桥粒和半桥粒。（2）与肌支蛋白纤维相连的锚定连接主要包括粘着带与粘着斑。第三节 细胞连接 1.桥粒和半桥粒 在锚定连接中，如果细胞是通过中间纤维锚定到骨架上，这种连接方式称为桥粒(desmosome)。通常在易受牵拉的组织结构中，桥粒最为丰富，如皮肤、口腔、食管等处复层鳞状上皮细胞易受撕拉和摩擦，其细胞间桥粒最丰富。图3-10 桥粒结构模式图第三节 细胞连接 2.粘着带和粘着斑 粘着带（adlhesion belt）是细胞之间的一种连接方式，位于上皮细胞顶端的外侧、紧密连接的下方。相邻细胞膜在粘着带处并不融和，中间的间隙为1520nm。参与粘着带连接的主要蛋白是钙粘着蛋白和肌动蛋白，它们之间相互作用，把两个细胞连接起来（图3-11）。图3-11 粘着带连接的结构图图示是粘着带的结构模式图。细胞黏着分子钙黏着蛋白的细胞质部分通过连接蛋白（如连环蛋白）同细胞骨架的肌动蛋白相连，而两细胞间则是靠钙黏着蛋白的相互作用将两细胞连接起来。第三节第三节 细胞连接细胞连接 粘着斑（adlhesion plaque）是细胞与细胞外基质进行连接，使细胞中的肌动蛋白丝束和基质连接起来的结构，连接处的质膜呈盘状，故称粘着斑。粘着斑的形成与解离对细胞的铺展和迁移有重要意义，如成纤维细胞在培养过程中的贴壁和铺展等。与粘着带的根本区别是:粘着斑是细胞与细胞外基质进行连接,而粘着带是细胞与细胞间的粘着连接。此外，还有其他一些不同：参与粘着带连接的膜整合蛋白是钙粘着蛋白，而参与粘着斑连接的是整联蛋白；粘着带连接实际上是两个相邻细胞膜上的钙粘着蛋白与肌动蛋白的连接，而粘着斑连接是整联蛋白与细胞外基质中的纤粘连蛋白的连接。第三节 细胞连接 三、通讯连接 1.间隙连接 间隙连接（gap junction）是指相邻两细胞通过连接子对接形成通道，允许小分子的物质直接通过这种通道从一个细胞流向另一个细胞。连接子亚基连接子亚基 图3-12 间隙连接的结构(a)间隙连接的结构。相邻两细胞各提供一个连接子，并对接，在两胞质膜中形成圆柱形的通道。每个连接子由4个或6个连接蛋白亚基构成环状结构。(b)连接子的二维结构。在通道的细胞质面有一个帽形的门，能够开放和关闭，调节通道中物质的移动。第三节 细胞连接 2.胞间连丝 胞间连丝是植物细胞特有的通讯连接。是由穿过细胞壁的质膜围成的细胞质通道，直径约2040nm。因此植物体细胞可看作是一个巨大的合胞体。通道中有一由膜围成的筒状结构，称为连丝小管。连丝小管由光面内质网特化而成，管的两端与内质网相连。连丝小管与胞间连丝的质膜内衬之间，填充有一圈细胞质溶质。一些小分子可通过细胞质溶质环在相邻细胞间传递（图3-13）。图3-13 胞间连丝结构模型（A）两个相邻细胞间的胞间连丝，中央有内质网形成的连丝小管；（B）胞间连丝纵切面第三节 细胞连接 3.化学突触 化学突触（chemical synapse）是存在于神经元和神经元之间、神经元和效应器细胞之间的细胞连接方式。由突触前膜、突触间隙和突触后膜构成，通过释放神经递质传导神经冲动。在信息传递过程中，需要将电信号转化为化学信号，再将化学信号转化为电信号。在哺乳动物中，进行突触传递的几乎都是化学突触。表3-1为各种连接的比较。第四节 物质的跨膜运输和信号传递 一、物质的跨膜运输 物质的跨膜运输是细胞维持正常生命活动的基础之一，它分为被动运输、主动运输和胞吞与胞吐作用三类。1.被动运输 被动运输(passive transport)是物质顺浓度梯度或电化学梯度运输的跨膜运动方式，不需要细胞提供代谢能量。被动运输分为简单扩散和协助扩散两种。（1）简单扩散 简单扩散（simple diffusion）也叫自由扩散，是指分子或离子以自由扩散的方式跨膜转运，不需要细胞提供能量，也没有膜蛋白的协助。第四节 物质的跨膜运输和信号传递 （2）协助扩散 协助扩散（facilitated diffusion）也称促进扩散，是小分子物质顺其浓度梯度减少方向的跨膜运动，不需要细胞提供能量，但是需要特异膜转运蛋白的协助。膜转运蛋白主要有载体蛋白和通道蛋白两种类型。载体蛋白（carrier protein）是疏水性的小分子，可溶于双脂层，提高所转运离子的通透率。在膜的外侧时，它能与溶质分子结合，而在膜的内侧则可释放此溶质，且不用提供任何能量。这类载体蛋白具有酶的性质，但与酶不同的是载体蛋白不对转运分子做任何共价修饰。通道蛋白（channel protein）是横跨质膜的亲水性通道，允许适当大小的离子顺浓度梯度通过，故又称离子通道。有些通道蛋白形成的通道通常处于开放状态，如钾泄漏通道，允许钾离子不断外流。有些通道蛋白平时处于关闭状态，即“门”不是连续开放的，仅在特定刺激下才打开，而且是瞬时开放瞬时关闭，在几毫秒的时间里，一些离子、代谢物或其他溶质顺着浓度梯度自由扩散通过细胞膜，这类通道蛋白又称为门通道。第四节 物质的跨膜运输和信号传递 2.主动运输 主动运输（active transport）是指通过细胞膜本身的能量消耗，将某种物质分子由膜的低浓度一侧移向浓度高的一侧的过程。主动运输的进行需要特异性载体蛋白的参与，对跨膜物质具有一定的选择性和特异性。在细胞膜的主动运输中，能量由细胞来供给。根据主动运输过程所需能量来源的不同可归纳为由ATP直接提供能量和间接提供能量两种基本类型。第四节 物质的跨膜运输和信号传递 （1）ATP直接提供能量的主动运输 在细胞质膜的两侧存在很大的离子浓度差，特别是阳离子浓度差。图3-14 Na+-K+泵的结构A与工作模式B示意图第四节 物质的跨膜运输和信号传递 （2）协同运输 协同运输(cotransport)是一种间接消耗代谢能量的运输方式，溶质分子逆浓度梯度跨膜运输所需的能量来自离子的电化学梯度，同时也需要膜上的特异性载体。在动物细胞中，驱动主动运输的离子通常是Na+，在植物细胞和细菌常利用H+浓度梯度来驱动。在许多上皮细胞的不同侧面，分布着功能不同的载体蛋白，构成特定的物质跨膜转运系统，协调完成物质的跨膜运输。第四节 物质的跨膜运输和信号传递 3.胞吞作用与胞吐作用 大分子和颗粒物质进出细胞时都由膜包围，在细胞质内形成小膜泡。膜泡运输分为胞吞作用和胞吐作用（图3-15）。（1）胞吞作用 外界进入细胞的大分子物质先附着在细胞膜的外表面，此处的细胞膜凹陷入细胞内，将该物质包围形成小泡，最后小泡与细胞膜断离而进入细胞内的过程称为胞吞作用(endocytosis)。固态的物质进入细胞内，称为吞噬作用，吞入的小泡叫吞噬体。液态的物质进入细胞内，称为吞饮作用，吞入的小泡叫吞饮泡。（2）胞吐作用 大分子物质由细胞内排到细胞外时，被排出的物质先在细胞内被膜包裹，形成小泡，小泡渐与细胞膜相接触，并在接触处出现小孔，该物质经小孔排到细胞外的过程称为胞吐作用(exocytosis)。第四节第四节 物质的跨膜运输和信号传递物质的跨膜运输和信号传递图3-15 胞吞作用与胞吐作用示意图第四节 物质的跨膜运输和信号传递 二、细胞通讯与信号传递 1.细胞通讯与细胞识别 细胞通讯（cell communication）是指细胞间或细胞内通过高度精确和高效地接受信息的通讯机制，并通过放大引起快速的细胞生理反应，而后发生一系列的细胞生理活动来协调各组织活动，使之成为生命的统一体，对多变的外界环境做出综合性反应。细胞通讯方式有三种：（1）通过信号分子；（2）通过相邻细胞表面分子的黏着；（3）通过细胞与细胞外基质的黏着。第一种不需要细胞的直接接触，完全靠配体与受体的接触传递信息，后两种都需要通过细胞的接触。第四节 物质的跨膜运输和信号传递 细胞通讯的基本过程是：（1）合成信号分子，一般的细胞都能合成信号分子，而内分泌细胞是信号分子的主要来源；（2）细胞释放信号分子，这是一个很复杂的过程，特别是蛋白质类的信号分子，要经过内膜系统的合成、加工、分选和分泌，最后释放到细胞外；（3）信号分子向靶细胞运输，运输的方式很多，但主要是通过血液循环系统运送到靶细胞；（4）靶细胞对信号分子的识别和检测，主要通过位于细胞质膜或细胞内受体蛋白的选择性的识别和结合；（5）转化为细胞内的信号，以完成其生理作用；（6）终止信号分子的作用，在信号传递中，细胞将细胞外信号分子携带的信息转变为细胞内信号的过程称之为信号转导（signaltransduction）。第四节 物质的跨膜运输和信号传递 细胞识别(cell recognition)是指细胞对同种或异种细胞、同源或异源细胞的辨认和鉴别过程。此外还包括细胞的各种生物大分子与各种信号分子之间的相互作用，如受体与配体、抗原与抗体之间的识别。细胞识别是通过各种不同的信号通路实现的。细胞接受外界信号，通过一整套特定的机制，将胞外信号转导为胞内信号，最终调节特定基因的表达，引起细胞的应答反应，这种反应系列称之为细胞信号通路。第四节 物质的跨膜运输和信号传递 2通过细胞内受体介导的信号传递 细胞内受体主要位于细胞核，也有的位于胞质溶胶中。位于胞质溶胶中的受体要与相应的配体结合后才可进入细胞核。图3-16 细胞内受体的结构模式图 受体中有两个结构域和两个结合位点。在非活性状态，受体与抑制蛋白复合物结合。当配体与受体结合，使得抑制蛋白复合物与受体脱离，因而暴露出与DNA结合的结构域。第四节 物质的跨膜运输和信号传递 与受体特异结合形成激素-受体复合物。该复合物穿过核膜孔进入细胞核，与染色质相结合，启动基因转录。该步骤可分为两阶段：（1）直接诱导少数特殊基因转录，称为初级反应；（2）初级反应的基因产物再活化其它基因，产生延迟的次级反应。后者起到对激素原初作用的放大效应。初级反应的发生相当迅速，如考的松在几分钟内就可诱导新的特殊的mRNA合成。第四节 物质的跨膜运输和信号传递 3.通过细胞表面受体介导的信号跨膜传递 位于细胞质膜上的受体称为表面受体。表面受体主要是识别周围环境中的活性物质或被相应的信号分子所识别，并与之结合，将外部信号转变成内部信号，带来一系列反应而产生特定的生物效应。细胞表面受体有三种类型：离子通道偶联的受体、G蛋白偶联的受体及与酶连接的受体。（1）离子通道耦联的受体 离子通道受体多是由若干相同或不同的亚单位组成的复合受体，数个亚单位组成穿透细胞膜的离子通道，某些亚单位上有配体结合的部位受体。当配体和受体结合后，离子通道开放。具有离子通道作用的细胞质膜受体称为离子通道耦联受体。（2）与G蛋白耦联的受体 与G蛋白耦联的受体,就是受体与酶或离子通道的作用要通过与GTP结合的调节蛋白,G调节蛋白(或G蛋白)的耦联，在细胞内产生第二信使，从而将外界信号跨膜传递到细胞内。G蛋白耦联的受体是最大的一类细胞表面受体。第四节 物质的跨膜运输和信号传递 图3-17 G蛋白耦联受体的结构 每一种G蛋白耦联受体都有7个螺旋跨膜区，信号分子与受体的细胞外部结合，并引起受体的细胞内部分激活相邻的G蛋白。第四节 物质的跨膜运输和信号传递 （3）与酶偶联的受体 酶偶联的受体是一类本身具有酪氨酸蛋白激活酶活性的单条肽链一次跨膜糖蛋白。这种受体蛋白既是受体又是酶，一旦被配体激活即具有酶活性并将信号放大，又称催化受体。按照受体的细胞内结构域是否具有酶活性，将此类受体分为两大类：缺少细胞内催化活性的酶联受体和具有细胞内催化活性的酶联受体。当受体与配体结合而被活化时，引起受体细胞内区域肽链上的酪氨酸残基磷酸化，增强了TPK的活性，同时将来自ATP的磷酸化基团转移到靶蛋白的羟基上，启动细胞内级联靶蛋白磷酸化，触发细胞的分裂增殖。此类受体的特点是通过自身TPK的活性完成信号转换，其第二信使是磷酸化的靶蛋白。