山東大學(xué)細胞第四章

第四章質(zhì)膜和細胞表面細胞膜、質(zhì)膜（cellmembraneorplasmamembrane）包圍在細胞質(zhì)外周的界膜生物膜(biomembrane)質(zhì)膜、細胞內(nèi)膜、線粒體、葉綠體的膜等統(tǒng)稱為生物膜細胞膜（cellmembrane）又稱質(zhì)膜（plasmamembrane），是指圍繞在細胞最外層，由脂類和蛋白質(zhì)組成的薄膜。質(zhì)膜表面寡糖鏈形成細胞外被（cellcoat）或糖萼（glycocalyx）；質(zhì)膜下的表層溶膠中具有膜骨架（細胞骨架成分組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)）。細胞外被、質(zhì)膜和表層胞質(zhì)溶膠構(gòu)成細胞表面。

本章內(nèi)容：第一節(jié)質(zhì)膜的基本結(jié)構(gòu)第二節(jié)質(zhì)膜的化學(xué)組成第三節(jié)細胞外被第四節(jié)細胞鏈接第一節(jié)質(zhì)膜的基本結(jié)構(gòu)J.D.Robertson1959用超薄切片技術(shù)獲得了清晰的細胞膜照片，顯示暗-明-暗三層結(jié)構(gòu)，厚約7.5nm。這就是所謂的“單位膜”模型。S.J.Singer&G.Nicolson1972根據(jù)免疫熒光技術(shù)、冰凍蝕刻技術(shù)的研究結(jié)果，在”單位膜”模型的基礎(chǔ)上提出“流動鑲嵌模型”（fluidmosaicmodel）

。18951917電鏡下質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)單位膜(unitmembrane)

電鏡下生物膜呈現(xiàn)的暗-明-暗三層式膜稱為單位膜。其中暗線是由脂類分子極性頭部和蛋白質(zhì)親水端經(jīng)鋨酸染色后的顯示，明帶為脂類分子和蛋白質(zhì)疏水部分所形成。流動鑲嵌模型脂類分子構(gòu)成膜的基質(zhì)；蛋白有兩種，插入膜中（整合蛋白），或附著于細胞表面（邊周蛋白），表現(xiàn)出分布的不對稱性；膜是流動的，膜分子在膜平面內(nèi)可行各種運動81970年LarryFrye和MichaelEdidin人、鼠細胞融合（cellfusion）實驗證明膜的流動性9◆淋巴細胞的成帽反應(yīng)

通過抗體交聯(lián)膜蛋白分子聚集成斑(patching)、成帽(capping)的現(xiàn)象也是膜蛋白在膜平面?zhèn)认驍U散的例子。

第二節(jié)質(zhì)膜的化學(xué)組成蛋白質(zhì)—20~70%；脂類—30~80%；碳水化合物—10%（糖脂、糖蛋白）質(zhì)膜主要由膜脂和膜蛋白組成，另外還有少量糖，主要以糖脂和糖蛋白的形式存在。膜脂是膜的基本骨架，膜蛋白是膜功能的主要體現(xiàn)者。動物細胞膜通常含有等量的脂類和蛋白質(zhì)。（一）膜脂1、膜脂組成：磷脂、糖脂、膽固醇

磷脂：是構(gòu)成膜脂的基本成分，約占整個膜脂的50％以上。磷脂酰膽堿（卵磷脂）、磷脂酰乙醇胺(腦磷脂)、磷脂酰絲氨酸、磷脂酰肌醇、鞘磷脂糖脂：含糖類殘基的復(fù)合脂類,含量約占脂總量的5％以下，如腦苷脂、神經(jīng)節(jié)苷脂膽固醇:只存在于動物細胞質(zhì)膜中,含量一般不超過膜脂的1/3，其功能是提高雙脂層的力學(xué)穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)雙脂層流動性，降低水溶性物質(zhì)的通透性。

腦苷脂鞘磷脂卵磷脂

2.膜脂的特性（1）共同結(jié)構(gòu)特點：雙親性分子

自動裝配自我閉合自我裝配：

(a)水溶液中的磷脂分子團；(b)球形脂質(zhì)體；(c)平面脂質(zhì)體膜；

自我封合：

可形成——脂質(zhì)體（liposome）

脂質(zhì)體(liposome):系指將藥物包封于類脂質(zhì)雙分子層內(nèi)而形成的微型泡囊體。

脂質(zhì)體的用途：

a）研究膜脂與膜蛋白及其生物學(xué)性質(zhì)的實驗材料

b）用于基因轉(zhuǎn)移的工具；

c）臨床治療作為生物大分子與藥物的運載體

（2）膜脂的流動性相變（phase

transition）：脂雙層由流動性較大的液晶態(tài)到凝膠化的晶態(tài)的相互轉(zhuǎn)變稱為相變，引起相變的溫度稱相變溫度。相變溫度以上膜脂分子的5種運動：旋轉(zhuǎn)異構(gòu)運動、側(cè)向移動、旋轉(zhuǎn)運動、左右擺動、翻轉(zhuǎn)運動

影響膜脂流動性的因素：1、不飽和順式雙鍵多，分子彎曲，排列有序性降低，另外相變溫度也降低，膜的流動性增高（如花生油和豬油）2、脂肪酸鏈越短，相變溫度低，膜的流動性高3、膽固醇在相變溫度以上增加膜脂的有序性，抑制磷脂分子的脂肪酸鏈的旋轉(zhuǎn)異構(gòu)運動，降低膜的流動性；4、卵磷脂/鞘磷脂的比值高，卵磷脂脂肪酸不飽和程度高，流動性高。5、膜脂結(jié)合膜蛋白后，也影響膜脂的流動性。

3、膜脂分布的不對稱性（1）內(nèi)外兩層膜脂種類、數(shù)量分布明顯不同PC和SM主要分布在外小葉;PE和PS分布在內(nèi)小葉。鞘磷脂磷脂酰膽堿磷脂酰乙醇胺磷脂酰絲氨酸磷脂總量質(zhì)膜外側(cè)面質(zhì)膜內(nèi)側(cè)面20623962510人紅細胞膜膜脂分布SMsphingomyclin鞘磷脂PCphosphotidlcholine磷脂酰膽堿PSphosphotidylserine磷脂酰絲氨酸PEphosphotidylethanolamine磷脂酰乙醇氨PIphosphotidylinositol磷脂酰肌醇CIcholesterol膽固醇?；D(zhuǎn)移酶磷酸酶膽堿磷酸轉(zhuǎn)移酶磷脂的合成發(fā)生在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的細胞質(zhì)溶質(zhì)面轉(zhuǎn)位酶、翻轉(zhuǎn)酶、脂層爬行酶維持膜的不對稱性（2）糖脂只分布于非細胞質(zhì)側(cè)

4、質(zhì)膜上的脂筏質(zhì)膜上散布著主要由鞘脂、膽固醇、糖脂組成的脂微區(qū)，比周圍的脂雙層要厚，稱為脂筏（lipid

raft），主要載著執(zhí)行特定功能的膜蛋白，與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、物質(zhì)跨膜運輸?shù)扔嘘P(guān)。28膜脂的功能◆構(gòu)成膜的基本骨架,去除膜脂，膜則解體◆膜脂為某些膜蛋白(酶)維持構(gòu)象、表現(xiàn)活性提供環(huán)境。有很多酶的活性依賴于膜脂的存在。有些膜蛋白只有在特異的磷脂頭部基團存在時才有功能。（二）膜蛋白1、分類

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）和脂錨定蛋白（lipid-anchoredprotein）。

整合蛋白或內(nèi)在蛋白(integralprotein)：占膜蛋白的70-80%，整合蛋白以不同程度嵌插在脂雙分子層中，一次或多次穿膜，與脂雙層分子結(jié)合緊密，只有用去垢劑處理，使膜崩解后才能將它們分離出來。大多數(shù)整合蛋白在質(zhì)膜外表面結(jié)合有寡糖鏈，從而成為糖蛋白。周邊蛋白(peripheralprotein)：占膜蛋白的20-30%，分布在膜的內(nèi)外表面，與膜結(jié)合較弱，用溫和的方法如改變?nèi)芤旱碾x子強度或濃度，可將它們從膜上分離下來。脂錨定蛋白(Lipid-anchoredproteins)：通過與膜脂形成共價鍵結(jié)合到膜上2、膜蛋白的流動性

運動方式主要為:側(cè)向擴散（側(cè)向移動）；旋轉(zhuǎn)運動

證明膜蛋白運動性：細胞融合Cellfusion成斑和成帽現(xiàn)象Patching&Capping光脫色熒光恢復(fù)技術(shù)FRAPFRAP:fluorescencerecoveryafterphotobleaching細胞融合成斑和成帽現(xiàn)象3、影響膜蛋白流動性的因素（1）周圍膜脂的性質(zhì)和相態(tài)(如二油酰卵磷脂相變溫度：-22度，豆蔻：24度）（2）質(zhì)膜相關(guān)結(jié)構(gòu)的作用（3）細胞骨架的作用（微管抑制，微絲促進）膜流動性的生理意義質(zhì)膜的流動性是保證其正常功能的必要條件。例如跨膜物質(zhì)運輸、細胞信息傳遞、細胞識別、細胞免疫、細胞分化以及激素的作用等等都與膜的流動性密切相關(guān)。當膜的流動性低于一定的閾值時，許多酶的活動和跨膜運輸將停止。反之如果流動性過高，又會造成膜的溶解。37膜蛋白主要行使功能：◆物質(zhì)運輸?shù)鞍住裘福河行┦敲福呋嚓P(guān)的代謝反應(yīng);◆連接蛋白：有些是連接蛋白,起連接作用；◆受體：起信號接收和傳遞作用。生物膜的共同特征鑲嵌性流動性不對稱性蛋白質(zhì)極性三、膜骨架（非重點，了解）膜骨架是質(zhì)膜下纖維蛋白組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；位于細胞質(zhì)膜下約0.2μm厚的溶膠層。作用：維持質(zhì)膜的形狀并協(xié)助質(zhì)膜完成多種生理功能。成熟的哺乳動物血紅細胞沒有核和內(nèi)膜系統(tǒng)，是研究膜骨架的理想材料。紅細胞經(jīng)低滲處理，細胞破裂釋放出內(nèi)容物，留下一個保持原形的空殼，稱為血影（ghost）。血影蛋白錨蛋白血型糖蛋白血影成分主要有：血影蛋白：由結(jié)構(gòu)相似的α鏈、β鏈組成異二聚體，兩個二聚體頭與頭相接連形成四聚體。錨蛋白（ankyrin）：與血影蛋白和帶3蛋白的胞質(zhì)部相連，將血影蛋白網(wǎng)絡(luò)連接到質(zhì)膜上。帶3蛋白：跨膜蛋白帶4.1蛋白血型糖蛋白：單次跨膜糖蛋白,與MN血型有關(guān)。Figure10-26.Thespectrin-basedcytoskeletononthecytoplasmicsideofthehumanredbloodcellmembrane.Thestructureisshownschematicallyin(A)andinanelectronmicrographin(B).Thearrangementshownin(A)hasbeendeducedmainlyfromstudiesontheinteractionsofpurifiedproteinsinvitro.Spectrindimersassociatehead-to-headtoformtetramersthatarelinkedtogetherintoanetlikemeshworkbyjunctionalcomplexescomposedofshortactinfilaments(containing13actinmonomers),tropomyosin,whichprobablydeterminesthelengthoftheactinfilaments,band4.1,andadductin.Thecytoskeletonislinkedtothemembranebytheindirectbindingofspectrintetramerstosomeband3proteinsviaankyrinmolecules,aswellasbythebindingofband4.1proteinstobothband3andglycophorin(notshown).Theelectronmicrographin(B)showsthecytoskeletononthecytoplasmicsideofaredbloodcellmembraneafterfixationandnegativestaining.(B,courtesyofT.ByersandD.Branton,PNSA.82:6153-6157)第三節(jié)細胞外被（cellcoat)糖萼——細胞外被

動物細胞表面：糖脂、糖蛋白的糖鏈

寡糖鏈——9種單糖基組成：D—葡萄糖；D—半乳糖；D—甘露糖；L—巖澡糖；L—阿拉伯糖；D—木糖；N—乙?！狣—葡萄糖胺；N—乙酰—D—半乳糖胺；N—乙酰神經(jīng)氨酸（唾液酸）

膀胱上皮細胞表面的糖被，釕紅染色的電鏡超薄切片糖鏈構(gòu)成細胞外被細胞外被中，糖蛋白和神經(jīng)節(jié)苷脂的寡糖鏈帶有唾液酸末端，顯負電荷。質(zhì)膜的許多重要生理功能和細胞外被有關(guān)（一）細胞識別“物以類聚”：每種細胞寡糖鏈的單糖殘基具有一定的排列順序，編成了細胞表面的密碼，它是細胞的”指紋”，為細胞的識別形成了分子基礎(chǔ)。同時細胞表面尚有寡糖的專一受體，對具有一定序列的寡糖鏈具有識別作用。因此，細胞識別實質(zhì)上是分子識別。（二）決定血型：A、B、O三種血型抗原的糖鏈結(jié)構(gòu)基本相同，只是糖鏈末端的糖基有所不同。A型血的糖鏈末端為N-乙酰半乳糖；B型血為半乳糖；AB型兩種糖基都有，O型血則缺少這兩種糖基。（三）具有酶活性細胞識別與構(gòu)成細胞外被的寡糖鏈密切相關(guān)：（1）每種細胞寡糖鏈的單糖殘基有一定的排列順序：細胞的“指紋”（2）細胞表面尚有寡糖的專一受體。細胞間粘著方式

第四節(jié)細胞連接多細胞生物的組織中，細胞與細胞間和細胞與細胞外基質(zhì)間往往形成一些結(jié)構(gòu)關(guān)系，這些結(jié)構(gòu)稱為細胞連接（celljunction）。按功能分：封閉連接（occludingjunction）

錨定連接（anchoringjunction）通訊連接（communicatingjunction）按結(jié)構(gòu)分：9種（P65表）

流動鑲嵌模型脂類分子構(gòu)成膜的基質(zhì)；蛋白有兩種，插入膜中（整合蛋白），或附著于細胞表面（邊周蛋白），表現(xiàn)出分布的不對稱性；膜是流動的，膜分子在膜平面內(nèi)可行各種運動一、封閉連接代表：緊密連接，上皮細胞與四周相鄰細胞通過膜上整合蛋白對合形成密封條索封閉細胞間隙的連接方式。相臨細胞跨膜蛋白對應(yīng)相接“焊接”成條狀——嵴線，嵴線縱橫交錯，匯合成網(wǎng)狀，達到封閉、連接目的。

緊密連接的功能：細胞連接封閉細胞間隙，阻止物質(zhì)從細胞間隙通過。封閉作用的強弱與封閉“焊接線”的疏密有關(guān)。隔離膜上蛋白，限制膜蛋白的自由擴散，使其定位于膜上的某一區(qū)域。緊密連接封閉隔離作用無脊椎動物中的隔狀連接二、錨定連接特點：通過骨架系統(tǒng)將細胞與相鄰細胞或細胞與基質(zhì)之間連接起來。分類：粘和帶、粘和斑：與肌動蛋白相連橋粒、半橋粒：與中間纖維相連61錨定連接的作用1、連接肌動蛋白絲（1）黏合帶(adhesion

belt)：相鄰細胞間有間隙，間隙中相鄰細胞跨膜糖蛋白相互黏合，在細胞內(nèi)跨膜糖蛋白通過附著蛋白與肌動蛋白微絲相連，微絲平行質(zhì)膜環(huán)繞呈帶狀。

小腸上皮細胞上的黏合帶電鏡下的細胞連接緊密連接黏合帶橋粒黏合帶的結(jié)構(gòu)：a.跨膜糖蛋白----鈣粘蛋白(cadherin)十幾種：E-鈣黏蛋白，N-鈣黏蛋白，P-鈣黏蛋白…b.附著蛋白：α-、β-、γ-鎖連蛋白，α-輔肌動蛋白等c.成束肌動蛋白絲（微絲）沿質(zhì)膜內(nèi)側(cè)呈連續(xù)帶使相鄰細胞粘合在一起構(gòu)成“肌動蛋白絲-附著蛋白-鈣粘蛋白-相鄰細胞”的跨細胞網(wǎng)絡(luò)。常位于上皮細胞頂端，緊密連接下方。質(zhì)膜間隙15-20nm也稱黏合連接(adherens

junction)，中間連接(intermediate

junction)黏合帶的功能：連接細胞，增強組織的機械牢固性（2）黏合斑(adhesionplaque)肌動蛋白束參與的細胞與細胞外基質(zhì)之間的黏合連接。也稱點狀黏合（focal

adhesion）主要結(jié)構(gòu)和功能特點：通過整聯(lián)蛋白同細胞外基質(zhì)相連，而不是與另一個細胞的表面相連。附著蛋白：為黏著斑蛋白和α-輔肌動蛋白肌動蛋白束黏合斑2、連接中間絲（1）橋粒（desmosome）：相鄰兩細胞的胞質(zhì)斑由跨膜糖蛋白（鈣黏蛋白）黏合在一起。呈紐扣狀，質(zhì)膜內(nèi)側(cè)有胞質(zhì)斑，許多中間絲與其相連，也稱斑狀黏合。橋粒的完整性依賴于Ca2+的存在。中間絲成分依細胞類型不同而不同。橋粒位于黏合帶下方

橋粒的結(jié)構(gòu)模型

相鄰細胞間形成紐扣狀結(jié)構(gòu)，細胞膜之間的間隙約30nm，質(zhì)膜下方有細胞質(zhì)附著蛋白質(zhì)，如片珠蛋白、橋粒斑蛋白等，形成一厚約15～20nm的致密斑。斑上有中間絲相連。相鄰兩細胞的胞質(zhì)斑由鈣粘蛋白相連?！駱蛄９δ埽簣皂g的細胞連接。

橋粒連接的細胞耐受機械壓力，使上皮細胞不因外界張力而分離。在皮膚、口腔、食道表皮等易受斯拉和摩擦處橋粒多。天皰瘡病理：自身免疫性皮膚病由于患者對自身的一種或多種橋粒連接蛋白產(chǎn)生抗體，結(jié)果破壞橋粒結(jié)構(gòu)，使上皮層細胞松開，組織液通過細胞間隙漏入上皮，導(dǎo)致嚴重的表皮大皰。（2）半橋粒（hemidesmosome）位于上皮基底層細胞的基底部，橋粒的一半，加強上皮細胞與基質(zhì)的關(guān)系，防止細胞在受力時與基膜分開半橋粒與橋粒的差別∶參與連接跨膜蛋白是整聯(lián)蛋白（不是鈣粘蛋白）；整聯(lián)蛋白與細胞外基質(zhì)相連（不是與相鄰細胞）；附著蛋白為網(wǎng)蛋白Hemidesmosomes錨定連接將相鄰細胞的骨架系統(tǒng)或?qū)⒓毎c基質(zhì)相連形成一個細胞群體。錨定連接具有兩種不同形式:

與肌動蛋白纖維相連的錨定連接主要包括黏合帶與黏合斑

與中間絲相連的錨定連接主要包括橋粒和半橋粒

三、通訊連接1.間隙連接：大多數(shù)動物組織中2.胞間連絲：植物細胞間3.化學(xué)突觸：神經(jīng)細胞間和神經(jīng)—肌肉間1、間隙連接（gapjunction）動物組織細胞間廣泛分布的連接方式，基本結(jié)構(gòu)單位是連接子，連接子由6個跨膜蛋白圍成直徑1.5nm的通道，相鄰細胞質(zhì)膜上的兩個連接子對接形成間隙連接，允許分子量在1000道爾頓以下離子或分子通過。每個間隙連接含數(shù)百個連接子。間隙連接的蛋白成分已分離20余種構(gòu)成連接子的蛋白,屬同一蛋白家族。連接子蛋白的一級結(jié)構(gòu)都較保守,并有相似的抗原性。不同類型細胞表達不同的連接子蛋白，間隙連接的孔徑與調(diào)控機制有所不同?！糸g隙連接的通透性調(diào)節(jié)：

膜電位、PH值、Ca2+濃度、外界化學(xué)信號（如肝細胞對胰高血糖素的反應(yīng)）等。間隙連接的主要功能：

代謝偶聯(lián)