細(xì)胞質(zhì)膜與細(xì)胞外基質(zhì)x

細(xì)胞膜與細(xì)胞外基質(zhì)陳雅茜

一、細(xì)胞質(zhì)膜

二、細(xì)胞外被與細(xì)胞外基質(zhì)

一、細(xì)胞質(zhì)膜

細(xì)胞質(zhì)膜又稱細(xì)胞膜（一）細(xì)胞膜的化學(xué)組成（二）細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)模型（三）細(xì)胞膜的基本特征與功能（一）細(xì)胞膜的化學(xué)組成細(xì)胞膜常常被脂類(lèi)溶劑（如苯和四氯化碳）、蛋白酶（卵磷脂酶）以及蛋白質(zhì)作用試劑（如多羥基苯酚）處理后破壞或溶解，推測(cè)細(xì)胞膜的化學(xué)組成主要是脂類(lèi)和蛋白質(zhì)。質(zhì)膜除了主要含有膜脂和膜蛋白成分外，另外還有少量糖，主要以糖脂和糖蛋白的形式存在。一般而言，脂類(lèi)約占50％，蛋白質(zhì)約占40％，糖類(lèi)約占2％～10％。1膜脂（1）組成細(xì)胞膜的膜脂主要包括磷脂和膽固醇二類(lèi)。

①磷脂：構(gòu)成了膜脂的基本成分，約占整個(gè)膜脂的50％以上?？煞譃楦视土字ò字Ｄ憠A－卵磷脂，磷脂酰絲氨酸，磷脂酰乙醇胺和磷脂酰肌醇等）和鞘磷脂。②膽固醇：整個(gè)分子分3部分：羥基團(tuán)組成的親水的極性頭部、疏水的非極性的類(lèi)固醇環(huán)結(jié)構(gòu)和一個(gè)非極性的碳?xì)湮膊?。膽固醇的分子較其他膜脂要小，雙親性較低。（2）膜脂在細(xì)胞膜中的4種熱運(yùn)動(dòng)方式①脂分子的側(cè)向運(yùn)動(dòng)；②脂分子的自旋運(yùn)動(dòng)；③脂分子的尾部擺動(dòng)；④脂分子的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。（3）脂質(zhì)體脂質(zhì)體（liposome）是根據(jù)磷脂分子可在水相中形成穩(wěn)定的脂雙膜的趨勢(shì)而制備的一種人工膜。單層脂分子鋪展在水面上時(shí)，其極性親水頭部插入水相，而非極性尾部面向空氣界面，攪動(dòng)后形成極性端向外而非極性端在內(nèi)部的脂分子團(tuán)或雙層脂分子的球形脂質(zhì)體，直徑25~1000nm不等。脂質(zhì)體不但是研究膜脂與膜蛋白及其生物學(xué)性質(zhì)的好材料，而且可利用能與細(xì)胞膜融合的特點(diǎn)，將基因或藥物送入細(xì)胞內(nèi)部進(jìn)行轉(zhuǎn)基因或疾病治療。(a)水溶液中的磷脂分子團(tuán)；(b)平面脂質(zhì)體膜；(c)球形脂質(zhì)體；(d）用于靶向藥物治療的脂質(zhì)體的示意圖。2膜蛋白（1）類(lèi)型是膜功能的主要體現(xiàn)者。據(jù)估計(jì)核基因組編碼的蛋白質(zhì)中30%左右的為膜蛋白。根據(jù)膜蛋白與脂分子的結(jié)合方式，可分為：整合蛋白（integralprotein）外周蛋白（peripheralprotein）脂錨定蛋白（lipid-anchoredprotein）整合蛋白又稱內(nèi)在膜蛋白，可能全為跨膜蛋白（tansmembraneproteins），為兩性分子，疏水部分位于脂雙層內(nèi)部，親水部分位于脂雙層外部。由于存在疏水結(jié)構(gòu)域，整合蛋白與膜的結(jié)合非常緊密。外周蛋白為水溶性，靠（非共價(jià)鍵）離子鍵或其它較弱的鍵與膜表面的蛋白質(zhì)分子或脂分子的親水部分結(jié)合，因此只要改變?nèi)芤旱碾x子強(qiáng)度甚至提高溫度就可以從膜上分離下來(lái)。脂錨定蛋白又稱脂連接蛋白，通過(guò)共價(jià)鍵與脂分子或通過(guò)一個(gè)糖分子間接與脂分子結(jié)合。這類(lèi)蛋白多為膜受體、酶及一些細(xì)胞粘著分子。（2）膜蛋白與膜脂的結(jié)合方式膜蛋白的跨膜結(jié)構(gòu)域與脂雙層分子的疏水核心的相互作用?？缒そY(jié)構(gòu)域兩端攜帶正電荷的氨基酸殘基與磷脂分子帶負(fù)電的極性頭形成離子鍵，或帶負(fù)電的氨基酸殘基通過(guò)Ca2+、Mg2+等陽(yáng)離子與帶負(fù)電的磷脂極性頭相互作用。某些膜蛋白在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)一側(cè)的半胱氨酸殘基共價(jià)結(jié)合脂肪酸分子,插入脂雙層之間,進(jìn)一步加強(qiáng)膜蛋白與脂雙層的結(jié)合力,還有少數(shù)蛋白與糖脂共價(jià)結(jié)合。（3）去垢劑整合蛋白為跨膜蛋白（tansmembraneproteins），是兩性分子。與膜的結(jié)合非常緊密，只有用去垢劑才能從膜上洗滌下來(lái)。離子型去垢劑SDS(十二烷基磺酸鈉)非離子型去垢劑（TritonX-100）脂肪柵的膜結(jié)構(gòu)設(shè)想：1895年Overton發(fā)現(xiàn)溶于脂肪的物質(zhì)易透過(guò)植物的細(xì)胞膜，不溶于脂肪的物質(zhì)不易透過(guò)細(xì)胞膜，推測(cè)細(xì)胞膜由連續(xù)的脂類(lèi)物質(zhì)組成。脂雙層結(jié)構(gòu)：1925年，Gorter&Grendel用有機(jī)溶劑提取了人的紅細(xì)胞質(zhì)膜的脂類(lèi)成分鋪展在水面，測(cè)出膜脂展開(kāi)的面積二倍于細(xì)胞表面積，推測(cè)細(xì)胞膜由雙層脂分子組成。三明治模型：1935年，Danielli&Davson發(fā)現(xiàn)質(zhì)膜的表面張力比油－水界面的張力低得多，推測(cè)膜中含有蛋白質(zhì)。提出了“蛋白質(zhì)-脂質(zhì)-蛋白質(zhì)”的三明治式的結(jié)構(gòu)模型；1959年在上述基礎(chǔ)上提出了修正模型，認(rèn)為膜上還具有貫穿脂雙層的蛋白質(zhì)通道，供親水物質(zhì)通過(guò)。（二）細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)模型單位膜模型：1959年，Robertson用超薄切片技術(shù)獲得了清晰的細(xì)胞膜照片，顯示暗-明-暗三層結(jié)構(gòu)，它由厚約3.5nm的雙層脂分子和內(nèi)外表面各厚約2nm的蛋白質(zhì)構(gòu)成，總厚約7.5nm。流動(dòng)鑲嵌模型：1972年，Singer&Nicolson根據(jù)免疫熒光技術(shù)、冰凍蝕刻技術(shù)的研究結(jié)果，提出了“流動(dòng)鑲嵌模型”，認(rèn)為膜是一種動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，強(qiáng)調(diào)膜的流動(dòng)性和不對(duì)稱性。脂筏模型(lipidraftsmodel)：K.Simonsetal1997提出脂筏模型，即在生物膜上膽固醇富集而形成有序脂相,如同脂筏一樣載著各種蛋白。脂筏是質(zhì)膜上富含膽固醇和鞘磷脂的微結(jié)構(gòu)域。脂筏就像一個(gè)蛋白質(zhì)停泊的平臺(tái)，與膜的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、蛋白質(zhì)分選均有密切的關(guān)系。公認(rèn)生物膜結(jié)構(gòu)應(yīng)具有的特點(diǎn)細(xì)胞膜由流動(dòng)雙脂層和嵌在其中蛋白質(zhì)組成。具有極性頭部和非極性尾部的磷脂分子在水相中自發(fā)形成生物膜的性質(zhì)。以疏水性尾部相對(duì)，極性頭部朝向水相組成生物膜骨架。蛋白質(zhì)或嵌在雙脂層表面，或嵌在其內(nèi)部，或橫跨整個(gè)雙脂層，表現(xiàn)出分布的不對(duì)稱性。（三）細(xì)胞膜的基本特征與功能1細(xì)胞膜的基本特征（1）膜的流動(dòng)性質(zhì)膜的流動(dòng)性由膜脂和蛋白質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)兩個(gè)方面組成。Ⅰ膜脂的流動(dòng)性膜脂的流動(dòng)性主要由脂分子本身的性質(zhì)決定的,脂肪酸鏈越短,不飽和程度越高,膜脂的流動(dòng)性越大。溫度對(duì)膜脂的運(yùn)動(dòng)有明顯的影響。在細(xì)菌和動(dòng)物細(xì)胞中常通過(guò)增加不飽和脂肪酸的含量來(lái)調(diào)節(jié)膜脂的相變溫度以維持膜脂的流動(dòng)性。在動(dòng)物細(xì)胞中，膽固醇對(duì)膜的流動(dòng)性起重要的雙向調(diào)節(jié)作用。膜脂分子的運(yùn)動(dòng)1.側(cè)向擴(kuò)散：同一平面上相鄰的脂分子交換位置。2.旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：膜脂分子圍繞與膜平面垂直的軸進(jìn)行快速旋轉(zhuǎn)。3.擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)：膜脂分子圍繞與膜平面垂直的軸進(jìn)行左右擺動(dòng)。4.伸縮震蕩：脂肪酸鏈沿著與縱軸進(jìn)行伸縮震蕩運(yùn)動(dòng)。5.翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：膜脂分子從脂雙層的一層翻轉(zhuǎn)到另一層。是在翻轉(zhuǎn)酶（flippase）的催化下完成。6.旋轉(zhuǎn)異構(gòu)：脂肪酸鏈圍繞C-C鍵旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致異構(gòu)化運(yùn)動(dòng)。

Ⅱ膜蛋白的分子運(yùn)動(dòng)主要有側(cè)向擴(kuò)散和旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散兩種運(yùn)動(dòng)方式?？捎霉饷撋謴?fù)技術(shù)（fluorescencerecoveryafterphotobleaching，F(xiàn)RAP）和細(xì)胞融合技術(shù)檢測(cè)側(cè)向擴(kuò)散。旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散指膜蛋白圍繞與膜平面垂直的軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，膜蛋白的側(cè)向運(yùn)動(dòng)受細(xì)胞骨架的限制，破壞微絲的藥物如細(xì)胞松弛素B能促進(jìn)膜蛋白的側(cè)向運(yùn)動(dòng)。

圖1利用細(xì)胞融合技術(shù)觀察蛋白質(zhì)運(yùn)動(dòng)1970年LarryFrye等人將人和和鼠的細(xì)胞膜用不同熒光抗體標(biāo)記后，讓兩種細(xì)胞融合，雜種細(xì)胞一半發(fā)紅色熒光、另一半發(fā)綠色熒光，放置一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)兩種熒光抗體均勻分布。（2）膜的不對(duì)稱性質(zhì)膜內(nèi)外兩層的組分和功能的差異，稱為膜的不對(duì)稱性。膜脂的不對(duì)稱性：同一種脂分子在脂雙層中呈不均勻分布，如：PC（磷脂酰膽堿）和SM（鞘磷脂）主要分布在外小葉，PE（磷脂酰乙醇胺）和PS（磷脂酰絲氨酸）分布在內(nèi)小葉。用磷脂酶處理完整的人類(lèi)紅細(xì)胞，80%的PC降解，PE和PS分別只有20%和10%的被降解。膜脂的不對(duì)稱性還表現(xiàn)在膜表面具有膽固醇和鞘磷脂等形成的微結(jié)構(gòu)域—脂伐。膜蛋白的不對(duì)稱性：每種膜蛋白分子在細(xì)胞膜上都具有特定的方向性和分布的區(qū)域性，如各種激素的受體分布在細(xì)胞膜外表面。復(fù)合糖的不對(duì)稱性：糖脂和糖蛋白只分布于細(xì)胞膜的外表面。

圖2膜各個(gè)斷面的名稱ES，質(zhì)膜的細(xì)胞外表面（extrocytopasmicsurface）；PS，質(zhì)膜的原生質(zhì)表面（protoplasmicsurface）；EF（extrocytopasmicface），質(zhì)膜的細(xì)胞外小頁(yè)斷裂面；PF（protoplasmicface），原生質(zhì)小頁(yè)斷裂面。2細(xì)胞膜的基本功能（1）為細(xì)胞的生命活動(dòng)提供相對(duì)穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境；（2）選擇性的物質(zhì)運(yùn)輸，包括代謝底物的輸入與代謝產(chǎn)物的排出；（3）提供細(xì)胞識(shí)別位點(diǎn)，并完成細(xì)胞內(nèi)外信息的跨膜傳遞；（4）為多種酶提供結(jié)合位點(diǎn)，使酶促反應(yīng)高效而有序地進(jìn)行；（5）介導(dǎo)細(xì)胞與細(xì)胞、細(xì)胞與基質(zhì)之間的連接；（6）參與形成具有不同功能的細(xì)胞表面特化結(jié)構(gòu)。二、細(xì)胞外被與細(xì)胞外基質(zhì)（一）細(xì)胞外被

指細(xì)胞膜外表面覆蓋的一層多糖物質(zhì)，其中的糖與細(xì)胞膜中的蛋白分子或脂質(zhì)分子是共價(jià)結(jié)合的，形成糖蛋白和糖脂，是細(xì)胞膜的正常結(jié)構(gòu)組分，它不僅對(duì)膜蛋白起保護(hù)作用，而且在細(xì)胞識(shí)別中起重要作用。（二）細(xì)胞外基質(zhì)（extracellularmatrix，ECM）指分布于細(xì)胞外空間，由細(xì)胞分泌的蛋白和多糖所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。為細(xì)胞的生存及活動(dòng)提供適宜的場(chǎng)所，并決定和維持器官和組織的形態(tài)，還通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)影響細(xì)胞的形狀、代謝、功能、遷移、增殖和分化。細(xì)胞種類(lèi)細(xì)胞外結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)纖維水化基質(zhì)組分粘連分子動(dòng)物細(xì)胞細(xì)胞外基質(zhì)膠原、彈性蛋白氨基聚糖、蛋白聚糖纖粘連蛋白、層粘連蛋白植物細(xì)胞細(xì)胞壁纖維素半纖維素、伸展蛋白果膠動(dòng)物細(xì)胞的細(xì)胞外基質(zhì)1膠原—賦于組織強(qiáng)度2彈性蛋白—賦于組織彈性3氨基聚糖與蛋白聚糖—使組織耐壓4層粘連蛋白和纖粘連蛋白—使細(xì)胞粘著動(dòng)物細(xì)胞的細(xì)胞外基質(zhì)膠原纖維纖粘連蛋白蛋白聚糖層粘連蛋白膜整聯(lián)蛋白1膠原膠原是動(dòng)物體內(nèi)含量最豐富的蛋白質(zhì)。①功能：膠原是細(xì)胞外基質(zhì)中最主要的水不溶性纖維糖蛋白，含量也最高，剛性及抗張力強(qiáng)度最大，構(gòu)成細(xì)胞外基質(zhì)的骨架結(jié)構(gòu)。②類(lèi)型：發(fā)現(xiàn)有20多種，目前了解最多的是Ⅰ～Ⅳ型膠原。③結(jié)構(gòu)：膠原纖維的基本結(jié)構(gòu)單位是原膠原。原膠原由三條相同或不同的肽鏈形成三股螺旋，一級(jí)結(jié)構(gòu)具有Gly-x-y重復(fù)序列。④合成：在粗糙內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成帶有信號(hào)肽的前原膠原，切除信號(hào)肽并化學(xué)修飾（包括糖基化）由高爾基體分泌到細(xì)胞外，在兩種專一性不同的蛋白水解酶作用下，分別切去N端前肽及C端前肽，成為原膠原。原膠原進(jìn)而聚合成膠原纖維。

圖3（a）膠原纖維的分子結(jié)構(gòu)與形成過(guò)程(Ⅰ～Ⅶ)；（b）膠原纖維的電鏡照片

2彈性蛋白彈性蛋白是彈性纖維的主要成分。彈性纖維主要存在于脈管壁及肺。彈性纖維與膠原纖維共同存在，分別賦于組織以彈性及抗張性。為高度疏水的非糖基化蛋白，沒(méi)有Gly-x-y序列，但富含甘氨酸和脯氨酸，很少含有羥脯氨酸，不含羥賴氨酸。構(gòu)象呈無(wú)規(guī)則卷曲狀，通過(guò)Lys殘基相互交聯(lián)。3氨基聚糖與蛋白聚糖①氨基聚糖：由重復(fù)二糖單位構(gòu)成的無(wú)分枝長(zhǎng)鏈多糖。其二糖單位通常是氨基已糖（氨基葡萄糖或氨基半乳糖）和糖醛酸，如透明質(zhì)酸（HA）、硫酸軟骨素（CS）、硫酸角質(zhì)素（KS）以及肝素等。②蛋白聚糖：蛋白聚糖是氨基聚糖（除透明質(zhì)酸外）與核心蛋白質(zhì)的絲氨酸殘基共價(jià)連結(jié)形成的巨分子。

圖4左，蛋白聚糖；中，蛋白聚糖多聚體；右，