细胞生物学-5细胞膜与细胞表面课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章 细胞质膜与细胞表面,PLASMA MEMBRANE AND ITS SURFACE STRUCTURES,重点与难点,细胞膜、膜骨架、细胞连接和细胞外基质的结构与功能,生物膜上蛋白质的构筑状况及运动的测量,学习要求,掌握细胞膜的结构与功能以及相关研究技术的知识,理解细胞表面的特化结构和细胞黏附分子的知识,掌握细胞连接和细胞外基质等内容，并在此基础上形成“单个细胞是如何构成多细胞有机体的”整体的、概括的印象,细胞质膜与细胞表面特化结构,细胞外被与细胞外基质,细胞连接,第一节 细胞质膜与细胞表面特化结构,细胞质膜(plasma membrane)是指包围在细胞表面的一层极薄的膜，基本作用是保持细胞内微环境的相对稳定， 并参与同外界环境进行物质交换、能量和信息传递。另外， 细胞质膜在细胞的生存、生长、分裂、 分化中起重要作用。,胞质膜(cytoplasmic membrane)存在于细胞质中各膜结合细胞器中的膜，包括核膜、内质网膜、高尔基体膜、溶酶体膜、线粒体膜、叶绿体膜、过氧化物酶体膜等。,细胞内主要的胞质膜,由于细菌没有内膜，所以细菌的细胞质膜代行胞质膜的作用。,生物膜(biomembrane，or biological membrane)是细胞内膜和质膜的总称。生物膜是细胞的基本结构，它不仅具有界膜的功能，还参与全部的生命活动。,细胞膜的结构模型,膜脂生物膜的基本组成成分,膜糖,膜蛋白,膜的流动性,膜的不对称性,确定膜蛋白方向的实验程序,确定膜脂方向的实验程序,分子生物学技术在膜蛋白研究上的应用,细胞质膜的功能,骨架与细胞表面的特化结构,一、细胞质膜的结构模型,一、细胞质膜的结构模型,研究,简史,结构模型,生物膜结构的,特征,E. Overton 1895,发现凡是溶于脂肪的物质很容易透过植物的细胞膜，而不溶于脂肪的物质不易透过细胞膜，因此推测,细胞膜由连续的脂类物质组成,。,E.,Gorter,& F.,Grendel,1925,用有机溶剂提取了人的红细胞质膜的脂类成分，将其铺展在水面，测出膜脂展开的面积二倍于细胞表面积，因而推测,细胞膜由双层脂分子组成,。,3、J. Danielli & H. Davson 1935 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。1954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。,4、J. D. Robertson 1959 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。,5、S. J. Singer & G. Nicolson 1972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”。,结构模型,E.Gorter和FGrendel（1925）: “蛋白质-脂类-蛋白质”,三夹板质膜结构模型,1935年James Daniellie和Hugh Davson片层结构模型或三明治式模型,质膜的片层结构模型,该模型认为膜的骨架是脂肪形成的脂双层结构,脂双层的内外两侧都是由一层蛋白质包被,即蛋白质-脂-蛋白质的三层结构,内外两层的蛋白质层都非常薄。并且,蛋白层是以非折叠、完全伸展的肽链形式包在脂双层的内外两侧。1954年对该模型进行了修改：膜上有一些二维伸展的孔,孔的表面也是由蛋白质包被的,这样使孔具有极性,可提高水对膜的通透性。这一模型是第一次用分子术语描述的结构,J.D.Robertson（1959年）：单位膜模型(unit membrane model)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7.5nm，中间层为3.5nm，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,质膜的单位膜模型,单位膜不足,首先，该模型把膜看成是静止的,无法说明膜如何适应细胞生命活动的变化；,其二，不同的膜其厚度不都是75,一般在50-100,之间；,其三，如果蛋白质是伸展的,则不能解释酶的活性同构型的关系；,该模型也不能解释为什么有的膜蛋白很容易被分离，有些则很难。,S.J.Singer和G.Nicolson（1972）：其一,蛋白质不是伸展的片层,而是以折叠的球形镶嵌在脂双层中,蛋白质与膜脂的结合程度取决于膜蛋白中氨基酸的性质。第二个特点就是膜具有一定的流动性,不再是封闭的片状结构,以适应细胞各种功能的需要。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,生物膜结构的特征,磷脂双分子层是组成生物膜的基本结构成分, 未发现膜中起组织作用的蛋白；,蛋白分子以不同方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面,赋予生物膜的功能；,膜的流动性：生物膜的基本特征之一, 细胞进行生命活动的必要条件。,膜的不对称性,目前细胞膜结构主要用Singer 和 Nicolson于1972年提出的流动镶嵌模型解释，下面我们以流动镶嵌模型为基础，总结细胞膜的结构的主要特征：,1. 脂类物质，主要是磷脂 构成生物膜的骨架，在膜中，磷脂以双分子层的形式存在，在双分子层中，磷脂的疏水基团（脂肪酸链）向内，亲水基团向外。,2生物膜中含有蛋白质，蛋白质有两种存在方式，一种吸附在脂类双层两侧，称为外在蛋白或周边蛋白，另一种镶嵌在脂类双层中，称为内在蛋白或整合蛋白，内在蛋白有的部分嵌入膜脂双层中，有的贯穿脂类双层。,二、膜脂生物膜的基本组成成分,二、膜脂生物膜的基本组成成分,成分,：膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固 醇,三种类型,。,脂双层的,二维流动性,成 分,磷脂、糖脂、胆固醇,磷脂：膜脂的基本成分（50以上）,分为二类: 甘油磷脂（磷脂酰乙醇胺、磷脂酰胆碱(卵磷脂)、磷脂酰肌醇）和鞘磷脂,主要特征：,属于双亲性,(amphipathic molecule)具有一个极性头和两个非极性的尾(心磷脂除外）；,脂肪酸碳链碳原子多为偶数,16-24C；不饱和键成30 的弯曲；,在水相中,具有自组装和自封闭形成脂双层的能力.,磷脂烃链的长度和不饱和度的不同可以影响磷脂的相互位置， 进而影响膜的流动性。各种磷脂头部基团的大小、形状、电荷的不同则与磷脂-蛋白质的相互作用有关。,胆固醇: 于真核细胞膜, 极性头部为,-OH,基,极性的头部、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, 双亲媒性也较低。胆固醇的亲水头部朝向膜的外侧,疏水的尾部埋在脂双层的中央。胆固醇分子是扁平和环状的,对磷脂的脂肪酸尾部的运动具有干扰作用,所以胆固醇对调节膜的流动性、加强膜的稳定性有重要作用。,胆固醇的分子较其他膜脂要小， 双亲媒性也较低。胆固醇的亲水头部朝向膜的外侧，疏水的尾部埋在脂双层的中央,4种运动,方式,研究生物膜特性的材料,脂质体,(liposome),影响膜脂流动性的,因素,运动方式,沿膜平面的侧向运动（基本运动方式）,其扩散系数为10,-8,cm2/s；,脂分子围绕轴心的自旋运动；,脂分子尾部的摆动；,双层脂分子之间的翻转运动(flip-flop)，发生频率还不到脂分子侧向交换频率的10,10,。但在内质网膜上,新合成的磷脂分子翻转运动发生频率很高(flippase)。,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,类型,。,脂质体的,应用,(a)水溶液中的磷脂分子团；,(b)球形脂质体；,(c)平面脂质体膜；,(d）用于疾病治疗的脂质体的示意图,脂质体的应用,研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质；,红细胞膜上的钠钾离子通道,线粒体膜上的,ATP,酶的研究（人工制备的具有生物功能的发电机日本）,眼镜蛇毒蛋白确定了神经信号转导上的钠离子通道,脂质体中裹入DNA可用于基因转移；,在临床治疗中,脂质体作为药物或酶等载体,影响膜脂的流动性的因素,温度,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。,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。,卵磷脂/鞘磷脂，比例越大，流动性越大；比例越小，流动性降低,构成膜的基本骨架,去除膜脂，则使膜解体;,是膜蛋白的溶剂，一些蛋白通过疏水端同膜脂作用，使蛋白镶嵌在膜上，得以执行特殊的功能;,膜脂为某些膜蛋白(酶)维持构象、表现活性提供环境, 一般膜脂本身不参与反应(细菌的膜脂参与反应);,膜上有很多酶的活性依赖于膜脂的存在。有些膜蛋白只有在特异的磷脂头部基团存在时才有功能。,膜脂的功能,膜脂的不对称性,细胞质膜各部分的名称,膜脂与糖脂的不对称性,糖脂仅存在于质膜的ES面，是完成其生理功能的结构基础,非对称性形成原因:,磷脂:ER胞质半膜合成,Flippase选择性转运,糖脂: 催化糖基化反应的酶位于Golgi非胞质半膜,转运不变,存在于原核和真核细胞的质膜上（5以下）,神经细胞糖脂含量较高；细胞质膜上所有的膜糖都位于质膜的外表面，内膜系统中的膜糖则位于内表面。,膜糖,自然界存在的单糖及其衍生物有200多种,但存在于膜的糖类只有其中的9种, 而在动物细胞膜上的主要是7种：,D-葡萄糖（D-Glucose),D-半乳糖 (D-galactose),D-甘露糖 (D-mannose),L-岩藻糖 (L-fucose),N-乙酰半乳糖胺 (N-acetyl-D-galactosamine),N-乙酰基葡萄糖胺 (N-acetyl-glucosamine),唾液酸 (sialic acid,膜糖的存在方式,通过共价键同膜脂或膜蛋白相连，即以糖脂或糖蛋白的形式存在于细胞质膜上。,O-连接:是糖链与肽链中的,丝氨酸或苏氨酸,残基相连，O-连接糖链较短， 约含4个糖基。,N-连接: 是糖链与肽链中,天冬酰胺,残基相连，N-连接的糖链一般有10个以上的糖基。另外，N连接的方式较O连接普遍。,糖同氨基酸的连接主要有两种形式，即O-连接和N-连接,膜糖的功能,细胞与环境的相互作用（保持各种组织的相对独立）,接触抑制,蛋白质分选,信号转导,保护作用等,糖脂决定血型,血型是由红细胞膜脂或膜蛋白中的糖基决定的。A血型的人红细胞膜脂寡糖链的末端是N-乙酰半乳糖胺(GalNAc)，B血型的人红细胞膜脂寡糖链的末端是半乳糖(Gal)，O型则没有这两种糖基，而AB型的人则在末端同时具有这两种糖。,三、膜蛋白,基本,类型,膜蛋白的分离提取,去垢剂,(,detergent,),膜蛋白功能及研究方法,外周蛋白(peripheral protein)又称附着蛋白。这种蛋白完全外露在脂双层的内外两侧,主要是通过非共价健附着在脂的极性头部, 或整合蛋白亲水区的一侧, 间接与膜结合。,水溶性蛋白,靠离子键或其它弱键与膜表,面的蛋白质分子或脂分子结合，易分离。,基本类型,整合蛋白(integral protein) 又称内在蛋白、跨膜蛋白，部分或全部镶嵌在细胞膜中或内外两侧，以非极性氨基酸与脂双分子层的非极性疏水区相互作用而结合在质膜上。实际上,整合蛋白几乎都是完全穿过脂双层的蛋白,亲水部分暴露在膜的一侧或两侧表面; 疏水区同脂双分子层的疏水尾部相互作用,水不溶性蛋白，与膜结合紧密，需用去垢剂使膜崩解后才可分离。,脂锚定蛋白,通过共价键的方式同脂分子结合，位于脂双层的外侧。同脂的结合有两种方式，一种是蛋白质直接结合于脂双分子层，另一种方式是蛋白并不直接同脂结合，而是通过一个糖分子间接同脂结合。,去垢剂,是一端亲水一端疏水的两性小分子,是分离与研究膜蛋白的常用试剂。,离子型去垢剂(SDS)和非离子型去垢剂（Triton X-100）,非极性端同蛋白质的疏水区作用，取代膜脂，极性端指向水中， 形成溶于水的去垢剂-膜蛋白复合物， 从而使膜蛋白在水中溶解、变性、沉淀,去垢剂在膜蛋白分离中的作用,膜蛋白的功能,运输蛋白：膜蛋白中有些是运输蛋白,转运特殊的分子和离子进出细胞;,酶：有些是酶，催化相关的代谢反应;,连接蛋白：有些是连接蛋白,起连接作用；,受体：起信号接收和传递作用。,功能蛋白 示例 作用方式,运输蛋白 Na泵 主动将Na+泵出细胞，K+泵入细胞,连接蛋白 整合素 将细胞内肌动蛋白与细胞外基质蛋白相连,受体蛋白 血小板生长因子 同细胞外的PDGF结合、在细胞质内 产生信 号， 引起细胞的生长与分裂,酶 腺苷酸环化酶 在细胞外信号作用下，导致细胞内cAMP产生,膜蛋白的研究方法,用去垢剂分离小的跨膜蛋白, 是膜蛋白研究的重要手段：,当去除去垢剂并加入磷脂后,可使膜蛋白复性并恢复功能。,有人用这种方法研究了膜中Na,+,-K,+,-ATP酶的功能,。,钠钾ATP酶的功能研究,四、膜的流动性(membrane fluidity,),膜脂的运动方式,脂的流动是造成膜流动性的主要因素，概括起来，膜脂的运动方式主要有四种。, 侧向扩散(lateral diffusion)；, 旋转运动(rotation)；, 伸缩运动（flex）；, 翻转扩散(transverse diffusion)， 又称为翻转,膜蛋白的运动 由于膜蛋白的相对分子质量较大，同时受到细胞骨架的影响，它不可能象膜脂那样运动。主要有以下几种运动形式：, 随机移动 有些蛋白质能够在整个膜上随机移动。移动的速率比用人工脂双层测得的要低。, 定向移动 有些蛋白比较特别，在膜中作定向移动。例如，有些膜蛋白在膜上可以从细胞的头部移向尾部。, 局部扩散 有些蛋白虽然能够在膜上自由扩散，但只能在局部范围内扩散。,膜的流动性的生理意义, 细胞质膜适宜的流动性是生物膜正常功能的必要条件。, 酶活性与流动性有极大的关系，流动性大活性高。, 如果没有膜的流动性，细胞外的营养物质无法进入，细胞内合成的胞外物质及细胞废物也不能运到细胞外，这样细胞就要停止新陈代谢而死亡。, 膜流动性与信息传递有着极大的关系。, 如果没有流动性，能量转换是不可能的。, 膜的流动性与发育和衰老过程都有相当大的关系。,人鼠细胞融合试验：,1970年，Larry Frye和Michael Edidin 进行了鼠、人细胞融合实验，令人信服地证明膜的流动性。,膜流动性研究方法,淋巴细胞的成帽效应,通过抗体交联膜蛋白分子聚集成斑(patching)、成帽(capping)的现象也是膜蛋白在膜平面侧向扩散的例子。,根据荧光恢复的速度可推算出膜蛋白或膜脂扩散速度,光脱色荧光恢复技术,膜流动性的研究方法,膜的流动性受多种因素影响,影响膜流动性的因素主要来自膜本身的组成成分、遗传因子及环境的理化因素(如温度、pH、离子强度、药物等)。,温度,温度是影响膜流动性的最主要的因素。膜的骨架成份是脂，如同其他的物质一样，既可以晶态，又可以液态存在，主要是根据温度的变化而定。,相变温度（transition temperature）,在生理条件下, 膜脂多呈拟液态（liquid-like state）。温度下降至某点, 则变为晶态（frozen crystalline gel）。一定温度下, 晶态又可熔解再变成液晶态，这种临界温度称为相变温度。,温度对膜运动性影响,胆固醇,在相变温度以上,它可使磷脂分子的脂酰链末端的运动减小,即限制膜的流动性。,在相变温度以下,可增加脂类分子脂酰链的运动,这样可以增强膜的流动性,膜脂的组成对流动性的影响,脂的组成对膜流动性的影响主要在三个方面:脂肪酸链的长度、脂肪酸链的饱和程度、脂中卵磷脂和鞘磷脂的比例。,加强膜脂双层的稳定性， 增加膜脂有序性并降低其流动性， 调节膜的机械性能,卵磷脂/鞘磷脂比值的影响,哺乳动物膜中,卵磷脂(phosphatidycholine)和鞘磷脂(sphingomyelin)的含量约占整个膜脂的50%;,卵磷脂所含的脂肪酸链的不饱和程度高,链较短,相变温度低,因此卵磷脂含量高,流动性大;,而鞘磷脂的脂肪酸链的饱和程度高,相变温度也高,因此,鞘磷脂的含量高,流动性低。,影响膜蛋白运动的因素,膜骨架对膜蛋白流动性的影响,细胞外基质对整合蛋白移动的影响, 膜蛋白与另一细胞的膜蛋白作用限制了自身的移动;, 膜中其他不动蛋白限制了膜蛋白的移动。,五、膜的不对称性,质膜不对称性是指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。,样品经冰冻断裂处理后，细胞膜可从脂双层中央断开，各断面命名为：ES，细胞外表面（extrocytoplasmic surface）；EF，细胞外小页断面（extrocytoplasmic face）；PS，原生质表面（protoplasmic surface）；PF，原生质小页断面（protoplasmic face） 。,冰冻蚀刻技术揭示的膜结构,膜脂的不对称性 膜脂的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,膜脂的不对称分布,膜蛋白的不对称 每种膜蛋白在膜中都有特定的排布方向，与其功能相适应，这是膜蛋白不对称性的主要因素。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,红细胞的血型糖蛋白分子伸向膜内、外侧面的氨基酸残基的数目不对称。,血影蛋白分布在红细胞膜的内侧面。,一般说,细胞质面的蛋白比外表面少,一些酶和受体多处于外表面,如：,膜糖的不对称 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,磷脂与糖脂分布的不对称性,膜糖分布的不对称性,膜的不对称性的意义,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。,膜不仅内外两侧的功能不同, 不同区域的功能也不相同。造成这种功能上的差异,主要是膜蛋白、膜脂和膜糖分布不对称引起的。,细胞间的识别、运动、物质运输、信号传递等都具有方向性。这些方向性的维持就靠分布不对称的膜蛋白、膜脂和膜糖来提供。,五、确定膜蛋白方向的实验程序,胰酶消化法,同位素标记法,用乳过氧化物酶进行膜蛋白标记。过氧化物酶的分子较大而不能透过细胞膜，这样可以用于标记膜外表面的蛋白，标记后，分离膜蛋白，电泳分离和放射自显影进行鉴定,。,放射性标记法测定膜蛋白分布的不对称性,确定膜脂方向的实验程序,脂酶处理法,由于红细胞具有血影现象，只要将红细胞置于低离子浓度的溶液中，红细胞就会发生渗漏释放出内含物，得到只有红细胞膜的空壳。然后调整溶液中的Mg2+离子浓度，改变红细胞小泡的状态。若是从溶液中除去Mg2+， 则形成外翻的小泡，若是加入Mg2+则是正常方向的小泡， 然后用脂酶分别处理这两种红细胞膜。常用的脂酶是磷脂酶(phospholipase)，这种酶也是因为相对分子质量大而不通过细胞膜，所以磷脂酶只能附着在膜泡的外表面，能够被磷脂酶水解的就是位于外表面的磷脂，然后再根据它原来的状态，确定在红细胞膜脂中的定向。,七、细胞质膜的,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,产物的排除,其中伴随着能量的传递;,提供细胞识别位点,并完成细胞内外信息跨膜传递;,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;,质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。,细胞膜的功能,界膜和区室化,调节运输,功能区室化,信号的检测与传递,参与细胞间的相互作用,能量转换,骨架与细胞表面的特化结构,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完成特定的功能。,膜骨架,膜骨架的概念,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。,红细胞的生物学特性,膜骨架赋予红细胞质膜既有很好的弹性又具有较高强度,。,红细胞质膜蛋白及膜骨架,红细胞质膜蛋白及膜骨架,红细胞质膜蛋白的SDS-PAGE,红细胞膜骨架的结构,红细胞膜骨架的网状支架的形成及与膜的结合过程大致分为三步：,首先是血影蛋白与4.1蛋白、肌动蛋白的相互作用,4.1蛋白同血型糖蛋白相互作用,第三是锚定蛋白与血影蛋白、带3蛋白的相互作用,第二节 细胞连接(Cell junctions),细胞连接的功能分类,封闭连接,锚定连接,通讯连接,细胞表面的粘连分子,细胞连接,细胞连接是细胞间的联系结构，是细胞质膜局部区域特化形成的，在结构上包括膜特化部分、质膜下的胞质部分及质膜外细胞间的部分。细胞连接是多细胞有机体中相邻细胞之间通过细胞质膜相互联系, 协同作用的重要基础。,一、,细胞连接,的功能分类,封闭连接(occluding junctions),紧密连接(tight junction),锚定连接(anchoring junctions),通讯连接(communicating junctions),间隙连接(gap junction)；,神经细胞间的化学突触(chemical synapse)；,植物细胞中的胞间连丝(plasmodesmata)。,二、紧密连接,紧密连接是封闭连接的主要形式，存在于上皮细胞之间,紧密连接的,结构,紧密连接的,功能,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）；,claudin蛋白家族（现已发现15种以上）,紧密连接通常位于上皮顶端两相邻细胞间,存在部位,肌组织毛细管的细胞间的紧密连接，箭头所指是两细胞质膜的融合处,结构,紧密蛋白(occludin)颗粒重复形成的一排排的索将两相邻细胞连接起来， 紧密蛋白颗粒象焊接线一样，将相邻细胞间连接起来，并封闭了细胞间的空隙,紧密连接的功能,连接细胞,防止物质双向渗漏,(膀胱中必须严格防止尿液回流到组织，另外肠道中的物质进入体液也必须仔细调节控制。这些分子从细胞层的一侧移向另一侧的惟一途径就是通过运输蛋白来精确控制 ),限制了膜蛋白在脂分子层的流动，维持细胞的极性,(肠道表皮细胞含有不同运输蛋白位于肠道表面的细胞质膜，而位于基底面的细胞质膜含较少运输蛋白。由于脂层是流动的，只有靠紧密连接阻止膜蛋白从一侧向另一侧的扩散，从而维持着细胞的极性）,紧密连接与细胞极性,锚定连接(anchoring junctions),与中间纤维相关的锚定连接：,桥粒(desmosome),半桥粒(hemidesm osome);,与肌动蛋白纤维相关的锚定连接：,粘合带(adhesion belt)；,粘合斑(focal adhesion),三、锚定连接(anchoring junctions),是通过膜上特异蛋白将相邻细胞之间的细胞骨架连接在一起，或将细胞骨架与胞外基质连接在一起，从而赋予细胞很强的抗机械力，因此在皮肤和心肌中含量特丰富。,锚定连接的类型与结构,锚定连接的功能,锚定连接的类型、结构与功能,与中间纤维相连的锚定连接（桥粒连接）,桥粒,(Desmosome),形成整体网络，起支持和抵抗外界压力与张力的作用（钙粘着蛋白）。,半桥粒,(Hemidesmosome),它通过细胞质膜上的整合素将上皮细胞固着在基底膜上（整联蛋白）。,与肌动蛋白纤维相连的锚定连接（,粘着连接,）,粘着带,(Adhesion belt)：位于紧密连接下方,相邻细胞间形成一个连续的带状结构（钙粘着蛋白）。,粘着斑,(Focal adhesion)：细胞通过肌动蛋白纤维与细胞外基质之间的连接方式。,主要出现在上皮组织，从形态上看，通过桥粒连接，两细胞间形成钮扣式的结构,桥粒连接的电子显微镜照片,桥粒连接,在桥粒连接中如果跨膜糖蛋白的细胞外结构域不是与另一细胞的跨膜蛋白相连，而是与细胞外基质相连，形态上类似半个桥粒， 这种连接称为半桥粒。半桥粒主要位于上皮细胞的底面，作用是把上皮细胞与其下方的基膜连接在一起,半桥粒连接的分子结构,半桥粒与桥粒连接有两点差别,半桥粒参与连接的跨膜蛋白不是钙黏着蛋白而是整联蛋白；,整联蛋白的细胞外结构域不是与相邻细胞的整联蛋白相连而是同细胞外基质相连。,四、通讯连接,间隙连接,胞间连丝,存在于特化的具有细胞间通讯作用的细胞。它除了有机械的细胞连接作用之外， 还具有传递信息的功能,间隙连接,间隙连接,结构,间隙连接的,蛋白成分,间隙连接的功能及其调节机制,间隙连接的通透性是可以调节的,间隙连接结构,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。,间隙连接的蛋白成分,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,代谢偶联,允许小分子代谢物和信号分子通过是细胞间代谢偶联的基础。,代谢偶联现象在体外培养细胞中的证实,代谢偶联作用在协调细胞群体的生物学功能方面, 起重要作用,间隙连接在神经冲动信息传递过程中的作用,电突触,(electronic junction) 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,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，影响其分化。,肿瘤细胞之间间隙连接明显减少或消失，间隙联接类似“肿瘤,抑制因子”。,如何通过实验证明间隙连接具有通讯作用,W.R.Loewenstein的实验:,将染料注入用间隙连接连起来的一排昆虫细胞中的一个,然后在光学显微镜下观察,发现染料很快从一个细胞移向下一个细胞,而且比预料的要快的多。这种染料是亲水性的,相对分子质量为300道尔顿。他们还用类似的实验证明了离子能够自由通过间隙连接。在Loewenstein的实验中能够自由通过间隙连接的最大分子是1200道尔顿,这说明其他的一些小的信号分子如cAMP和IP3等也能自由通过。,Gilula和他的同事们的实验:,他们用了两种培养的细胞系,一种是卵巢细胞,这种细胞没有去甲肾上腺素的受体,所以不会对去甲肾上腺素或其他的胆碱激素作出应答。另外一个细胞系是心肌细胞,它具有这种激素的受体,并受该激素的刺激。当将这两种细胞放在一起培养时,它们很快通过间隙连接连成一体,当加入去甲肾上腺素时,不仅心肌细胞作出了应答,卵巢细胞也作出了应答。这一结果说明卵巢细胞之所以能够对去甲肾上腺素作出反应,是从心肌细胞得到了第二信使的结果。,间隙连接的通透性是可以调节的,降低胞质中的pH值和提高自由Ca,2+,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,控及细胞外化学信号的调控,胞间连丝,胞间连丝,结构,胞间连丝的功能,实现细胞间由信号介导的物质有选择性的转运；,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。,胞间连丝的结构,是相邻植物细胞壁上的一个狭窄细胞壁,通道,有管状的内质网通过。因此，通过胞间连丝，使得相邻细胞的细胞质膜、细胞质、内质网交融在一起,胞间连丝直径约30-60nm，允许1000道尔顿以下的分子渗透,。,五、细胞表面的粘连分子,同种类型细胞间的彼此粘连,是组织的基本特征。细胞间的粘连由特定细胞粘连分子介导。,粘连分子的特征与类型,粘连分子均为整合膜蛋白，与细胞骨架成分相连；,多数要依赖Ca,2+,或Mg,2+,才起作用。,粘连分子类型及细胞间粘着方式,类型,粘着方式,类型,钙粘素,（Cadherins）,选择素,（Selectin）,免疫球蛋白超家族的CAM,(Ig-Superfamily，IgSF),整合素,（Integrins）,质膜整合蛋白聚糖也介导细胞间的粘着,。,属同亲性依赖Ca,2+,的细胞粘连糖蛋白，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。,属异亲性依赖于Ca,2+,的能与特异糖基识别并相结合的糖蛋白，其胞外部分具有一凝集素（lectin）结构域。主要参与白细胞与脉管内皮细胞之间的识别与粘着。P(Platelet)选择素、E(Endothelial)选择素和L(Leukocyte)选择素。,分子结构中具有与免疫球蛋白类似的结构域的CAM超家族。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Ca,2+,，其中N-CAMs 在神经组织细胞间的粘着中起主要作用。,整联蛋白是一种跨膜的异质二聚体， 它由两个非共价结合的跨膜亚基， 即和亚基所组成。每个亚基的细胞外是球形的头部， 露出脂双分子层约20nm。头部可同细胞外基质蛋白结合， 而细胞内的尾部同肌动蛋白相连,整联蛋白的结构,整联蛋白功能,作为跨膜接头在细胞外基质和细胞内肌动蛋白骨架之间起双向联络作用， 将细胞外基质同细胞内的骨架网络连成一个整体， 同时还具有将细胞外信号向细胞内传递的作用,凝集素在细胞黏着中的作用,选择蛋白(Selectins);,免疫球蛋白超家族；,整联蛋白;,钙黏着蛋白(Cadherins) 。,其中、是钙依赖性的，,为钙非依赖性的。,参与细胞黏着的膜蛋白,各种细胞粘着分子介导的细胞粘着,糖被的结构和组成示意图,含有两种主要的成份: 糖蛋白和蛋白聚糖。这些糖蛋白和蛋白聚糖都是在细胞内合成的，然后分泌出来并附着到细胞质膜上,钙粘着蛋白介导的细胞粘着,选择蛋白与细胞黏着,免疫球蛋白超家族,第三节 细胞外被与细胞外基质,基本概念,氨基聚糖和蛋白聚糖,胶原,(collagen)和,弹性蛋白,(elastin),层粘连蛋白和纤粘连蛋白,基膜,一、基本概念,细胞外被(cell coat)又称糖萼(glycocalyx),细胞外基质,(extracellular matrix),真核细胞的细胞外结构,（extracellular structures）,细胞外被(cell coat)又称糖萼(glycocalyx),结构组成,：,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,细菌的细胞外被,植物的细胞外被,细胞被的功能, 保护作用: 如消化道、呼吸道、生殖腺等上皮细胞的外被有助于润滑、防止机械损伤， 同时又可保护上皮组织不受消化酶的作用和细菌的侵袭。植物和细菌的细胞壁不仅可以保护细胞质膜和细胞器， 同时还赋予细胞以特定的形状。革兰氏阳性菌的细胞壁是一种蛋白聚糖， 青霉素通过抑制它的合成从而抑制细菌的生长。, 参与细胞与环境的相互作用， 参与细胞与环境的物质交换， 细胞增殖的接触抑制、细胞识别等。,细菌的细胞表面:细胞壁,革兰氏阳性菌与革兰氏阴性细胞外被的比较,(a) 革兰氏阳性菌，只有一层膜结构;(b)革兰氏阴性菌，具有两层膜结构,革兰氏阳性菌的细胞壁,组成成分：,胞壁质主要是由N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸交替连接起来的。这些多糖链通过N-乙酰胞壁酸与短的肽桥结合，最后形成交联的三维网状结构,磷壁酸甘油或核糖醇衍生物连接在一起形成的长的、负电性的聚合体,革兰氏阴性菌的细胞壁,胞壁质比较薄，并且扩展交联程度较低,胞壁酸含量少，染色后很容易被乙醇除去,具有双层细胞质膜，一层位于胞壁质的外侧。外膜在化学组成上比较特别，它的内脂层是典型的磷脂层，但是外脂层几乎都是脂多糖， 使得外膜的渗透性很高。,青霉素对革兰氏阳性菌具有抑制,青霉素是由真菌产生的一种抗生素，它能够抑制参与细菌细胞壁肽聚糖装配后形成肽侧链的酶的活性，没有了侧链，细菌细胞就不能够抵抗正常的渗透压， 其结果被处理的细菌细胞就会破裂。青霉素主要是对革兰氏阳性菌起作用，因为革兰氏阴性菌的细胞壁中肽聚糖含量较少，所以对青霉素不太敏感。,植物的细胞外被（细胞壁）,功能：植物没有骨骼系统，但却有相当强度的细胞壁维持着植物的形态。细胞壁保护细胞免遭渗透及机械损伤，还保护植物免受微生物，特别是真菌和细菌的侵染,细胞外基质(extracellular matrix),结构组成：,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,主要功能,产生：,能够分泌和形成细胞外基质的主要细胞类群是成纤维细胞,细胞外基质,细胞外基质是由动物细胞合成并分泌到胞外、分布在细胞表面或细胞之间的大分子, 主要是一些多糖和蛋白, 或蛋白聚糖。细胞外基质对于一些动物组织的细胞具有重要作用。,真核细胞的细胞外结构,（extracellular structures）,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,植物细胞,细胞外基质,细胞壁,胶原,纤维素,蛋白聚糖,纤维素、伸展蛋白,纤粘连层粘连,果胶质,二、胶原(collagen),胶原是细胞外最重要的水不溶性纤维蛋白, 是构成细胞外基质的骨架。胶原在细胞外基质中形成半晶体的纤维,给细胞提供抗张力和弹性,并在细胞的迁移和发育中起作用。胶原在各种动物中都有存在。脊椎动物中腱、软骨和骨中的胶原非常丰富,几乎占了蛋白总重的一半。,常见的胶原类型及其在组织中的分布,胶原及其分子结构,胶原的合成与加工,胶原的功能,常见的胶原类型及其在组织中的分布,胶原是细胞外基质中最主要的水不溶性纤维蛋白；,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;,型胶原主要存在于软骨中;,型胶原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;,型胶原形成二维网格样结构,是基膜的主要,成分及支架。,胶原及其分子结构,胶原纤维的基本结构单位是,原胶原,(tropocollagen, or simply collagen)；,原胶原是由三条肽链盘绕成的,三股螺旋结构,；,原胶原肽链具有Gly-x-y重复序列，对胶原纤维的高级结构的形成是重要的；,在胶原纤维内部,原胶原蛋白分子呈1/4交替平行排列,形成周期性横纹。,胶原的合成起始于内质网,加工于高尔基体,完成于细胞外,胶原装配的主要步骤,由前体肽装配成前胶原时，是通过分子内的交联完成的。而由胶原装配成胶原原纤维(collagen fibril)则是通过分子间的交联,胶原纤维的分子间和分子内交联,胶原分子在ER和高尔基体中的修饰作用,胶原的合成、装配和分泌的过程,首先在粗面内质网的核糖体上合成仅含有信号肽的原链(pro-chain)， 又称前原胶原（preprocollagen），原链进入内质网。然后在内质网腔中通过分子内交联， 三股前体肽自我装配形成三股螺旋， 即前胶原(procollagen)。前胶原进入高尔基体， 经过加工修饰，并在高尔基体反面网络被包进分泌小泡，然后通过与质膜的融合，分泌到细胞外。在细胞外，前胶原被两种专一性不同的蛋白水解酶作用， 切除N端和C端的前肽， 两端各保留部分非螺旋区，称为端肽区(telopeptide region)，此时形成的是胶原(collagen)。胶原通过分子间交联进而聚合成胶原原纤维(collagen fibrills)，最后装配成胶原纤维（collagen fibers)。原胶原是可溶性的， 但是， 聚合成胶原纤维就成为水不溶的了。,胶原的功能,为细胞外基质提供了一个水不溶性的框架，决定细胞外基质的机械性质。某一特定组织的性能通常与胶原分子的三维结构有关。,胶原是骨、腱和皮肤组织中的主要蛋白，这些组织的细胞外基质不仅胶原含量高， 而且刚性及抗张力大。,另外胶原具有促进细胞生长的作用，如肝细胞等在含有胶原的培养基上生长较快。在细胞分化中，胶原基质和提纯的胶原底物具有维持并诱导细胞分化的作用。,过度松弛皮肤症,胶原酶缺陷，不能将原胶原（水溶性的，细胞内）转变成胶原（水不溶性的，细胞外）,三、氨基聚糖和蛋白聚糖,氨基聚糖,(glycosaminoglycan,GAGs),蛋白聚糖,(proteoglycan),透明质酸,(hyaluronate),分类, 糖胺聚糖(glycosaminoglycans)、蛋白聚糖(proteoglycan), 它们能够形成水性的胶状物，在这种胶状物中包埋有许多其它的基质成分；,结构蛋白，如胶原和弹性蛋白，它们赋予细胞外基质一定的强度和韧性；, 粘着蛋白(adhesive):如纤粘连蛋白和层粘联蛋白，它们促使细胞同基质结合。其中以胶原和蛋白聚糖为基本骨架在细胞表面形成纤维网状复合物,这种复合物通过纤粘连蛋白或层粘连蛋白以及其他的连接分子直接与细胞表面受体连接;或附着到受体上。由于受体多数是膜整合蛋白,并与细胞内的骨架蛋白相连,所以细胞外基质通过膜整合蛋白将细胞外与细胞内连成了一个整体。,氨基聚糖,氨基聚糖是由重复的,二糖单位,构成的长链多糖,二糖单位之一是氨基己糖(氨基葡萄糖或氨基半乳糖),+ 糖醛酸;,氨基聚糖: 透明质酸、4-硫酸软骨素、6-硫酸软骨素、,硫酸皮肤素、硫酸乙酰肝素、肝素和硫酸角质素等。,蛋白聚糖,蛋白聚糖,由氨基聚糖与核心蛋白(core protein)的丝氨酸残基共价连接形成的巨分子,若干蛋白聚糖单体借连接蛋白以非共价键与透明质酸结合,形成多聚体,蛋白聚糖的特性与功能,蛋白聚糖功能,蛋白聚糖是高度酸性的，且带负电荷，因此能够结合大量的阳离子，这些阳离子又可结合大量的水分子，这样，,蛋白聚糖形成了多孔的、吸水的胶状物，,如同包装材料，填充在细胞外基质中。蛋白聚糖的这种性质，,使细胞表面具有较大的可塑性,，从而具有抗挤压能力，对细胞起保护作用。,由于,透明质酸以可溶的形式游离存在,，所以在细胞外体液和滑液(synovial fluid)中透明质酸的浓度很高，其结果,提高了体液和滑液的粘度和润滑性,。,单个的蛋白聚糖和透明质酸-蛋白聚糖复合物直接与胶原纤维连接形成动物细胞外的纤维-网络(fiber-network)结构，不同类型的胶原和不同类型的蛋白聚糖连接形成不同的纤维-网络，对于,提高细胞外基质的连贯性起关键作用,。,此外，,蛋白聚糖还可作为细胞粘着的暂时性或永久性的位点,。暂时性的粘着发生在胚胎发育中，对于单个细胞及细胞层的移动具有重要作用。另外，蛋白聚糖,对于细胞分化,也十分重要，同时也与细胞癌变有关。,透明质酸(hyaluronic acid),在细胞外基质中， 透明质酸既能参与蛋白聚糖的形成，又能,游离存在,。在软骨组织的细胞外基质中，透明质酸,同糖胺聚糖和核心蛋白组成软骨组织的蛋白聚糖复合物,，称为透明质酸-蛋白聚糖复合物。在这种复合物中，透明质酸作为一个长轴，将蛋白聚糖连接在一起，形成更大的更复杂的蛋白聚糖，使细胞外基质具有更大的,抗压性,。透明质酸是一种重要的糖胺聚糖，是增殖细胞和迁移细胞的细胞外基质的主要成分， 一旦迁移细胞停止移动，透明质酸就会从细胞外基质中消失，此时细胞间开始接触,透明质酸在软骨组织细胞外基质的蛋白聚糖中的作用,四、层粘连蛋白和纤粘连蛋白,纤粘连蛋白,(fibronectin),层粘连蛋白,(laminin),黏着蛋白(adhesive protein),是细胞外基中质的第三类成分，之所以将这些蛋白称为黏着蛋白，主要是这些蛋白起着将细胞外基质与细胞联系起来的桥梁作用。,纤粘连蛋白(fibronectin),血浆纤粘连蛋白是二聚体,由两条相似的A链及B链组成,整个分子呈V形。,细胞纤粘连蛋白是多聚体,。,纤粘连蛋白不同的亚单位为同一基因的表达产 物, 每个亚单位由数个结构域构成，RGD（Arg-Gly-Asp）三肽序列是为细胞识别的最小结构单位,纤粘连蛋白的膜蛋白受体为,整合素,家族成员之一,在其细胞外功能区有与RGD高亲和性结合部位。,RGD序列,用蛋白酶消化纤粘连蛋白与细胞结合区, 发现这一结构域中Arg-Gly-Asp三肽序列负责同细胞表面的结合,Arg-Gly-Asp序列(又称RGD序列)同样存在于细胞外基质和血液的其它类型的黏着蛋白序列中。,整联蛋白,整联蛋白与细胞外受体相连,纤粘连蛋白的主要功能,介导细胞粘着，如粘合斑，促进细胞铺展；,在创伤修复中,纤粘连蛋白促进巨噬细胞和其它免疫细胞迁移到受损部位；,在血凝块形成中,纤粘连蛋白促进血小板附着于血管受损部位。,由于FN具有同时与细胞外基质各类成分相结合的特点,并可促进细胞外基质的其它成分的沉积,故认为FN是细胞外基质的组织者,层粘连蛋白(laminin),层粘连蛋白是基膜的主要组分之一；,细胞通过层粘连蛋白锚定于基膜上；,层粘连蛋白的结构,层粘连蛋白的结构,层粘连蛋白功能,具有与型胶原、细胞表面、及其它的蛋白聚糖结合的位点 ，作为基膜的主要结构成分对基膜的组装起关键作用， 在细胞表面形成网络结构并将细胞固定在基膜上。,在细胞发育过程中刺激细胞粘着、细胞运动。LN还能够刺激胚胎中神经轴的生长，并促进成年动物的神经损伤后重生长和再生。,五、弹性蛋白(elastin),是弹性纤维的主要成分；主要,存在于脉管壁及肺。,弹性纤维与胶原纤维共同存在,分别赋予组织以,弹性及抗张性,。,弹性蛋白是高度疏水的非糖基化蛋白具 有两个明显的特征:,构象呈无规则卷曲状态,通过Lys残基相互交连成网状结构。,基膜(basal lamina，basement membrane),基膜是一种复合的细胞外结构, 是细胞外基质的特异区。典型的基膜厚约50nm,有些基膜的厚度达200nm。,人皮肤的扫描电镜照片显示基膜将表皮细胞与底层细胞分开,通常会形成基膜的组织和细胞有:,肌细胞和脂肪细胞的表面;,上皮组织基底面的下方,如皮肤上皮的下表面,将上皮细胞与结缔组织分开;,血管内皮细胞的下表面。,结构: 基膜是由不同的蛋白纤维组成的网状结构，LN不仅是基膜的主要成分，也是基膜的组织者，而型胶原则是基膜的网状钢架,基膜的功能,基膜不仅对组织结构起支持作用，同时也是渗透性的障碍，调节分子和细胞的运动。在肾细胞中，基膜可以作为一种过滤器，允许小分子进入尿液，却扣下大分子的蛋白质。表皮细胞下的基膜一方面阻止结缔组织的细胞进入表皮，另一方面允许“防卫战士” 白细胞的移动。,红细胞基本知识,红细胞的基本性质,成熟的红细胞呈双面凹或单面凹陷的盘状，直径约为7m,厚度1.7m,表面积为145m,2,；,红细胞的主要功能是携带O,2,和运输CO,2,，红细胞的寿命约为120天，一生中要行走500，000米。,红细胞数量大，取材容易(体内的血库)，极少有其它类型的细胞污染; 其次成熟的哺乳动物的红细胞中没有细胞核和线粒体等膜相细胞器，细胞膜是它的惟一膜结构，并且易于提纯和分离，所以分离后不存在其它膜污染的问题。,电镜下的红细胞,问题提出的依据,行程500,000米,要多次穿过小于自身直径一半的微小通,道;,要在脾脏内经受少氧、低pH值的不利条,件;,又要经过心脏内瓣膜涡流冲击，但始终,保持结构的完整。,红细胞另一个贡献,在血液循环中，红细胞要穿过小于自身直径一半的微小通道(脾窦)、在脾脏内要经受氧少、低pH值等不利环境的考验、在心脏内又要受到瓣膜涡流冲击。不难想像，红细胞在这样长而艰险的运输途径中保持结构的完好，,它的质膜起了重要作用,将红细胞分离后放入低渗溶液中，水很快渗入到细胞内部，使红细胞膨胀、破裂，从而释放出血红蛋白(是红细胞中惟一一种非膜蛋白)，此时的红细胞就变成了没有内容物的空壳，由于红细胞膜具有很大的变形性、柔韧性和可塑性，当红细胞的内容物渗漏之后，它的膜可以重新封闭起来，此时的红细胞被称为血影(ghost)。,红细胞血影,红细胞血影,