細胞質膜與細胞表面

CELLBIOLOGY細胞生物學C第一章 緒論第二章 細胞基本知識概要第三章 細胞生物學研究方法第四章 細胞質膜與細胞表面第五章 物質跨膜運輸與信號傳遞第六章細胞質基質與內(nèi)膜系統(tǒng)第七章 細胞的能量轉換第八章 細胞核與染色體第九章 核糖體第十章細胞骨架第十一章 細胞增殖及其調(diào)控第十二章 細胞分化與基因表達調(diào)控第十三章 細胞衰老與凋亡第四章細胞質膜與細胞表面

第一節(jié)

細胞質膜與細胞表面特化結構

第二節(jié)細胞連接

第三節(jié)細胞外被與細胞外基質第一節(jié)細胞質膜與細胞表面特化結構細胞膜（plasmamembrane）又稱質膜，是包在細胞最外層，與脂質和蛋白質組成的生物膜。圍繞各種細胞器的膜，稱為細胞內(nèi)膜。質膜和內(nèi)膜在起源、結構和化學組成的等方面具有相似性，故總稱為生物膜（biomembrane）。生物膜是細胞進行生命活動的重要物質基礎。質膜表面寡糖鏈形成細胞外被（cellcoat）或糖萼（glycocalyx）。質膜下的表層溶膠中具有細胞骨架成分組成的網(wǎng)絡結構，除對質膜有支持作用外，還與維持質膜的功能有關，所以這部分細胞骨架又稱為膜骨架。細胞外被、質膜和表層胞質溶膠構成細胞表面。一、概念E.Overton1895發(fā)現(xiàn)凡是溶于脂肪的物質很容易透過植物的細胞膜，而不溶于脂肪的物質不易透過細胞膜，因此推測細胞膜由連續(xù)的脂類物質組成。E.Gorter&F.Grendel1925用有機溶劑提取了人的紅細胞質膜的脂類成分，將其鋪展在水面，測出膜脂展開的面積二倍于細胞表面積，因而推測細胞膜由雙層脂分子組成。二、質膜結構的研究簡史3、J.Danielli&H.Davson1935發(fā)現(xiàn)質膜的表面張力比油－水界面的張力低得多，推測膜中含有蛋白質。提出蛋白質—脂質—蛋白質的三明治式的質膜模型。4、J.D.Robertson1959用超薄切片技術獲得了清晰的細胞膜照片，顯示暗-明-暗三層結構，它由厚約3.5nm的雙層脂分子（明帶）和內(nèi)外表面各厚約2nm的蛋白質構成(暗帶），總厚約7.5nm。認為膜上還具有貫穿脂雙層的蛋白質通道，供親水物質通過，發(fā)展了三明治模型，提出蛋白質—脂質—蛋白質的單位膜模型。5、S.J.Singer&G.Nicolson1972根據(jù)免疫熒光技術、冰凍蝕刻技術的研究結果，提出了“流動鑲嵌模型”。強調(diào)了膜的流動性和膜蛋白分布的不對稱性。流動鑲嵌模型結構示意圖

6、脂筏模型（lipidraftsmodel）（1997）是富含膽固醇和鞘磷脂的微結構域(microdomain）。約70nm左右，是一種動態(tài)結構，位于質膜的外小頁。介于無序液體與液晶之間，稱為有序液體（Liquid-ordered）。在低溫下這些區(qū)域能抵抗非離子去垢劑的抽提，稱為抗去垢劑膜（detergent-resistantmembranes，DRMs）。就像一個蛋白質停泊的平臺，與膜的信號轉導、蛋白質分選均有密切的關系。Mechanismsofraftclustering.(a)Rafts(red)aresmallattheplasmamembrane,containingonlyasubsetofproteins.(b)Raftsizeisincreasedbyclustering,leadingtoanewmixtureofmolecules.Thisclusteringcanbetriggeredindifferentway.Overton(1890s):LipidnatureofPM;19591972三、生物膜結構特征1、細胞膜由流動的雙脂層和嵌在其中的蛋白質組成。膜的流動性是生物膜的基本特征之一,是細胞進行生命活動的必要條件。2、磷脂分子以疏水性尾部相對，極性頭部朝向水相組成生物膜骨架；3、蛋白質或嵌在雙脂層表面，或嵌在其內(nèi)部，或橫跨整個雙脂層，表現(xiàn)出分布的不對稱性。膜蛋白是賦予生物膜功能的主要決定者；4、磷脂雙分子層是組成生物膜的基本結構成分,尚未發(fā)現(xiàn)膜結構中起組織作用的蛋白；四、膜脂——生物膜的基本組成成分（一）成分：膜脂主要包括磷脂、糖脂和膽固醇三種類型。磷脂：膜脂的基本成分（50％以上）；分為二類:

甘油磷脂和鞘磷脂，主要特征：

①具有一個極性頭部和兩個非極性的尾部（心磷脂除外）；②脂肪酸碳鏈碳原子為偶數(shù),大多數(shù)由16,18或20個組成；③含有飽和脂肪酸(如軟脂酸)和不飽和脂肪酸(如油酸)；糖脂：糖脂普遍存在于原核和真核細胞的質膜上（5％以下）,神經(jīng)細胞糖脂含量較高；膽固醇和中性脂類：膽固醇存在于真核細胞膜上（30%以下），對增加膜的穩(wěn)定性以及降低水溶性物質通透性起重要作用。細菌質膜不含有膽固醇，但某些細菌的膜脂中含有甘油脂等中性脂類。沿膜平面的側向運動（基本運動方式）,其擴散系數(shù)為10-8cm2/s；脂分子圍繞軸心的自旋運動；脂分子尾部的擺動；雙層脂分子之間的翻轉運動，發(fā)生頻率還不到脂分子側向交換頻率的10－10。但在內(nèi)質網(wǎng)膜上,新合成的磷脂分子翻轉運動發(fā)生頻率很高。（二）膜脂運動方式膜脂分子的運動(三）影響膜脂流動性的因素膽固醇：膽固醇的含量增加會降低膜的流動性。脂肪酸鏈的飽和度：脂肪酸鏈所含雙鍵越多越不飽和，使膜流動性增加。脂肪酸鏈的鏈長：長鏈脂肪酸相變溫度高，膜流動性降低。卵磷脂/鞘磷脂：該比例高則膜流動性增加，是因為鞘磷脂粘度高于卵磷脂。其他因素：溫度、酸堿度、離子強度等。（三）脂質體（liposome）脂質體是根據(jù)磷脂分子可在水相中形成穩(wěn)定的脂雙層膜的趨勢而制備的人工膜。研究膜脂與膜蛋白及其生物學性質；脂質體中裹入DNA可用于基因轉移；在臨床治療中,脂質體作為藥物或酶等載體脂質體的應用：脂質體的類型

(a)水溶液中的磷脂分子團； (b)球形脂質體； (c)平面脂質體膜； (d）用于疾病治療的脂質體的示意圖(a)五、膜蛋白是膜功能的主要體現(xiàn)者。據(jù)估計核基因組編碼的蛋白質中30%左右的為膜蛋白。根據(jù)膜蛋白與脂分子的結合方式，可分為：整合蛋白（integralprotein）：水不溶性蛋白外周蛋白（peripheralprotein）：水溶性蛋白脂錨定蛋白（lipid-anchoredprotein）。（一）膜蛋白的分類整合蛋白為跨膜蛋白（tansmembraneproteins），是兩性分子。與膜的結合非常緊密，只有用去垢劑才能從膜上洗滌下來。去垢劑：是一端親水一端疏水的兩性小分子,是分離與研究膜蛋白的常用試劑。如離子型去垢劑SDS，非離子型去垢劑Triton-X100。SDSTriton-X100Theuseofmilddetergentsforsolubilizing,purifying,andreconstitutingfunctionalmembraneproteinsystems.整合蛋白的跨膜結構域可以是1至多個疏水的α螺旋，形成親水通道的整合蛋白跨膜區(qū)域有兩種組成形式，一是由多個兩性α螺旋組成親水通道；二是由兩性β折疊組成親水通道。外周蛋白靠離子鍵或其它較弱的鍵與膜表面的蛋白質分子或脂分子的親水部分結合，因此只要改變?nèi)芤旱碾x子強度甚至提高溫度就可以從膜上分離下來，有時很難區(qū)分整合蛋白和外周蛋白，主要是因為一個蛋白質可以由多個亞基構成，有的亞基為跨膜蛋白，有的則結合在膜的外部。脂錨定蛋白（lipid-anchoredprotein）可以分為兩類：糖磷脂酰肌醇(glycophosphatidylinositol，GPI)連接的蛋白，GPI位于細胞膜的外小葉，用磷脂酶C（能識別含肌醇的磷脂）處理細胞，能釋放出結合的蛋白。許多細胞表面的受體、酶、細胞粘附分子和引起羊瘙癢病的PrPC都是這類蛋白。另一類脂錨定蛋白與插入質膜內(nèi)小葉的長碳氫鏈結合。Figure10-13.Sixwaysinwhichmembraneproteinsassociatewiththelipidbilayer.Mosttrans-membraneproteinsarethoughttoextendacrossthebilayerasasingleahelix(1)orasmultipleahelices(2);someofthese"single-pass"and"multipass"proteinshaveacovalentlyattachedfattyacidchaininsertedinthecytoplasmicmonolayer(1).Othermembraneproteinsareattachedtothebilayersolelybyacovalentlyattachedlipid-eitherafattyacidchainorprenylgroup-inthecytoplasmicmonolayer(3)or,lessoften,viaanoligosaccharide,toaminorphospholipid,phosphatidylinositol,inthenoncytoplasmicmonolayer(4).Finally,manyproteinsareattachedtothemembraneonlybynoncovalentinteractionswithothermembraneproteins(5)and(6).Howthestructurein(3)isformedisillustratedinFigure10-14.Membraneproteins①,②integralprotein；③,④lipid-anchoredprotein；⑤,⑥peripheralproteinFigure10-14.Thecovalentattachmentofeitheroftwotypesoflipidgroupscanhelplocalizeawater-solubleproteintoamembraneafteritssynthesisinthecytosol.

(A)Afattyacidchain(eithermyristicorpalmiticacid)isattachedviaanamidelinkagetoanamino-terminalglycine.(B)Aprenylgroup(eitherfarnesyloralongergeranylgeranylgroup-bothrelatedtocholesterol)isattachedviaathioetherlinkagetoacysteineresiduethatisfourresiduesfromthecarboxylterminus.Followingthisprenylation,theterminalthreeaminoacidsarecleavedoffandthenewcarboxylterminusismethylatedbeforeinsertionintothemembrane.Thestructuresoftwolipidanchorsareshownunderneath:(C)amyristylanchor(a14-carbonsaturatedfattyacidchain),and(D)afarnesylanchor(a15-carbonunsaturatedhydrocarbonchain).膜蛋白的跨膜結構域與脂雙層分子的疏水核心的相互作用。跨膜結構域兩端攜帶正電荷的氨基酸殘基與磷脂分子帶負電的極性頭形成離子鍵，或帶負電的氨基酸殘基通過Ca2+、Mg2+等陽離子與帶負電的磷脂極性頭相互作用。某些膜蛋白在細胞質基質一側的半胱氨酸殘基上共價結合脂肪酸分子，插入脂雙層之間，進一步加強膜蛋白與脂雙層的結合力，還有少數(shù)蛋白與糖脂共價結合。（二）內(nèi)在膜蛋白與膜脂結合的方式（三）膜蛋白的分子運動主要有側向擴散和旋轉擴散兩種運動方式?？捎霉饷撋謴图夹g和細胞融合技術檢測側向擴散。膜蛋白的側向運動受細胞骨架的限制，破壞微絲的藥物如細胞松弛素B能促進膜蛋白的側向運動。膜流動性的生理意義質膜的流動性是保證其正常功能的必要條件。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。膜的流動性受多種因素影響；細胞骨架不但影響膜蛋白的運動，也影響其周圍的膜脂的流動。膜蛋白與膜脂分子的相互作用也是影響膜流動性的重要因素。利用細胞融合技術觀察蛋白質運動

Figure10-34.Experimentdemonstratingthemixingofplasmamembraneproteinsonmouse-humanhybridcells.

Themouseandhumanproteinsareinitiallyconfinedtotheirownhalvesofthenewlyformedheterocaryonplasmamembrane,buttheyintermixwithtime.Thetwoantibodiesusedtovisualizetheproteinscanbedistinguishedinafluorescencemicroscopebecausefluoresceinisgreenwhereasrhodamineisred.(BasedonobservationsofL.D.FryeandM.Edidin,J.CellSci.7:319-335)Figure10-35.Antibody-inducedpatchingandcappingofacell-surfaceproteinonawhitebloodcell.Thebivalentantibodiescross-linktheproteinmoleculestowhichtheybind.Thiscausesthemtoclusterintolargepatches,whichareactivelyswepttothetailendofthecelltoforma"cap."Thecentrosome,whichgovernsthehead-tailpolarityofthecell,isshowninorange.成斑現(xiàn)象(patching)或成帽現(xiàn)象(capping)研究膜蛋白或膜脂流動性的基本實驗技術之一。

程序：

根據(jù)熒光恢復的速度可推算出膜蛋白或膜脂擴散速度。（四）光脫色恢復技術(fluorescencerecoveryafterphotobleaching,FRAP)

ThelateraldiffusionofmembranelipidscandemonstratedexperimentallybyatechniquecalledFluorescenceRecoveryAfterPhotobleaching(FRAP).

用光脫色恢復技術觀察蛋白質運動六、膜的不對稱性質膜內(nèi)外兩層的組分和功能的差異，稱為膜的不對稱性。（一）細胞膜各部分的名稱樣品經(jīng)冰凍斷裂處理后，細胞膜可從脂雙層中央斷開，各斷面命名為：ES，細胞外表面（extrocytoplasmicsurface）；EF，細胞外小頁斷面（extrocytoplasmicface）；PS，原生質表面（protoplasmicsurface）；PF，原生質小頁斷面（protoplasmicface）。EFPF小鼠肝細胞膜冰凍蝕刻（二）膜脂的不對稱性：同一種脂分子在脂雙層中呈不均勻分布，如：PC和SM主要分布在外小葉，PE和PS分布在內(nèi)小葉。用磷脂酶處理完整的人類紅細胞，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構域——脂筏。（三）膜蛋白的不對稱性：膜蛋白的不對稱性是指每種膜蛋白分子在細胞膜上都具有明確的方向性；膜蛋白的不對稱性是生物膜完成復雜的在時間與空間上有序的各種生理功能的保證。（四）復合糖的不對稱性：糖脂和糖蛋白只分布于細胞膜的外表面。是完成其生理功能的結構基礎。SM-鞘磷脂PC-卵磷脂PS-磷脂酰絲氨酸PE-磷脂酰乙醇氨PI-磷脂酰肌醇CI-膽固醇膜蛋白與糖蛋白的不對稱性七、細胞質膜的功能為細胞的生命活動提供相對穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境;選擇性的物質運輸,包括代謝底物的輸入與代謝產(chǎn)物的排除,并伴隨著能量的傳遞;提供細胞識別位點,并完成細胞內(nèi)外信息跨膜傳遞;為多種酶提供結合位點,使酶促反應高效而有序地進行;介導細胞與細胞、細胞與基質之間的連接;質膜參與形成具有不同功能的細胞表面特化結構。1.Definetheboundariesofthecellanditsorganelles.2.Svidemechanismsforcell-to-cellcontact,communicationandadhesion八、骨架與細胞表面的特化結構細胞質膜常常與膜下結構(主要是細胞骨架系統(tǒng))相互聯(lián)系,協(xié)同作用,并形成細胞表面的某些特化結構以完成特定的功能。（一）膜骨架指細胞質膜下與膜蛋白相連的由纖維蛋白組成的網(wǎng)架結構,它參與維持細胞質膜的形狀并協(xié)助質膜完成多種生理功能。（二）紅細胞的生物學特性膜骨架賦予紅細胞質膜既有很好的彈性又具有較高強度。膜骨架是質膜下纖維蛋白組成的網(wǎng)架結構；位于細胞質膜下約0.2μm厚的溶膠層。作用：維持質膜的形狀并協(xié)助質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）。（三）紅細胞質膜蛋白及膜骨架經(jīng)SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳分析，血影成分主要有：血影蛋白(spectrin)：由結構相似的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。帶三蛋白：是陰離子載體，通過交換Cl－，使HCO3－進入紅細胞。為二聚體，每個單體含929個氨基酸，跨膜12次。錨蛋白（ankyrin）：與血影蛋白和帶3蛋白的胞質部相連，將血影蛋白網(wǎng)絡連接到質膜上。血型糖蛋白：單次跨膜糖蛋白，約有131個氨基酸，N端在膜外側，結合16條寡糖鏈；C-端在胞質面，鏈較短，與帶4.1蛋白相連。血型糖蛋白與MN血型有關，其功能尚不明確。紅細胞膜骨架的構成：血影蛋白四聚體游離端與短肌動蛋白纖維（約13～15單體）相連，形成血影蛋白網(wǎng)絡。通過兩個錨定點固定在質膜下方：通過帶4.1蛋白與血型糖蛋白連結；通過錨蛋白與帶3蛋白相連。這一骨架系統(tǒng)賦與了紅細胞質膜的剛性與韌性，得以幾百萬次地通過比它直徑還小的微血管、動脈、靜脈。Adducin內(nèi)收蛋白第二節(jié)細胞連接細胞連接的功能分類封閉連接錨定連接通訊連接細胞表面的粘連分子一、細胞連接分類（一）封閉連接(occludingjunctions) 緊密連接(tightjunction)（二）錨定連接(anchoringjunctions)（三）通訊連接(communicatingjunctions) 間隙連接(gapjunction)； 神經(jīng)細胞間的化學突觸(chemicalsynapse)；植物細胞中的胞間連絲(plasmodesmata)。（一）封閉連接緊密連接是封閉連接的主要形式，主要存在于上皮細胞之間緊密連接的結構

緊密連接的功能形成滲漏屏障，起重要的封閉作用；隔離作用，使游離端與基底面質膜上的膜蛋白行使各自不同的膜功能；支持功能緊密連接嵴線中的兩類蛋白： 封閉蛋白（occludin），跨膜四次的膜蛋白（60KD）； claudin蛋白家族（現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)15種以上）緊密連接的結構Figure

19-2

Theroleoftightjunctionsintranscellulartransport.

Transportproteinsareconfinedtodifferentregionsoftheplasmamembraneinepithelialcellsofthesmallintestine.Thissegregationpermitsavectorialtransferofnutrientsacrosstheepithelialsheetfromthegutlumentotheblood.Intheexampleshown,glucoseisactivelytransportedintothecellbyNa+-drivenglucosesymportsattheapicalsurface,anditdiffusesoutofthecellbyfacilitateddiffusionmediatedbyglucosecarriersinthebasolateralmembrane.Tightjunctionsarethoughttoconfinethetransportproteinstotheirappropriatemembranedomainsbyactingasdiffusionbarrierswithinthelipidbilayeroftheplasmamembrane;thesejunctionsalsoblockthebackflowofglucosefromthebasalsideoftheepitheliumintothegutlumen.Tightjunctions封閉作用（二）錨定連接錨定連接在組織內(nèi)分布很廣泛,在上皮組織,心肌和子宮頸等組織中含量尤為豐富

Figure

19-6

Anchoringjunctionsinanepithelialtissue.Highlyschematizeddrawingofhowsuchjunctionsjoincytoskeletalfilamentsfromcelltocellandfromcelltoextracellularmatrix.

AnchoringjunctionsFigure

19-7

Constructionofananchoringjunction.

Highlyschematizeddrawingshowingthetwoclassesofproteinsthatconstitutesuchajunction:intracellularattachmentproteinsandtransmembranelinkerproteins.

錨定連接的類型、結構與功能與中間絲相連的錨定連接橋粒(desmosome)

鉚接相鄰細胞，提供細胞內(nèi)中間絲的錨定位點，形成整體網(wǎng)絡，起支持和抵抗外界壓力與張力的作用。半橋粒(hemidesmosome)

半橋粒與橋粒形態(tài)類似,但功能和化學組成不同。它通過細胞質膜上的膜蛋白整合素將上皮細胞固著在基底膜上,

在半橋粒中，中間絲不是穿過而是終止于半橋粒的致密斑內(nèi)與肌動蛋白纖維相連的錨定連接粘合帶(adhesionbelt)：位于緊密連接下方,相鄰細胞間形成一個連續(xù)的帶狀結構。間隙約15～20nm,也稱帶狀橋粒(beltdesmosome)。粘合斑(focaladhesion)：細胞通過肌動蛋白纖維與細胞外基質之間的連接方式。

橋粒Figure

19-12

Desmosomes.

(A)Anelectronmicrographofthreedesmosomesbetweentwoepithelialcellsintheintestineofarat.(B)Anelectronmicrographofasingledesmosomebetweentwoepidermalcellsinadevelopingnewt,showingclearlytheattachmentofintermediatefilaments.(C)Aschematicdrawingofadesmosome.Onthecytoplasmicsurfaceofeachinteractingplasmamembraneisadenseplaquecomposedofamixtureofintracellularattachmentproteins(includingplakoglobinanddesmoplakins).Eachplaqueisassociatedwithathicknetworkofkeratinfilaments,whichareattachedtothesurfaceoftheplaque.Transmembranelinkerproteins,whichbelongtothecadherinfamilyofcell-celladhesionmolecules,bindtotheplaquesandinteractthroughtheirextracellulardomainstoholdtheadjacentmembranestogetherbyaCa2+-dependentmechanism.(A,fromN.B.Gilula,inCellCommunication,pp.1-29;B,fromD.E.Kelly,JCB.28:51-59)橋粒半橋粒

Figure

19-13

Thedistributionofdesmosomesandhemidesmosomesinepithelialcellsofthesmallintestine.

Thekeratinfilamentnetworksofadjacentcellsareindirectlyconnectedtooneanotherthroughdesmosomesandtothebasallaminathroughhemidesmosomes.

Figure

19-8

Adhesionbeltsbetweenepithelialcellsinthesmallintestine.Thisbeltlikeanchoringjunctionencircleseachoftheinteractingcells.Itsmostobviousfeatureisacontractilebundleofactinfilamentsrunningalongthecytoplasmicsurfaceofthejunctionalplasmamembrane.Theactinfilamentsarejoinedfromcelltocellbytransmembranelinkerproteins(cadherins),whoseextracellulardomainbindstotheextracellulardomainofanidenticalcadherinmoleculeontheadjacentcell.Adhesionbelts粘著帶Catenin-連環(huán)蛋白Cadherin-鈣粘著蛋白粘合斑Table19-2

AnchoringJunctionsJunctionTransmembraneLinkerProteinExtracellularLigandIntracellularCytoskeletalAttachmentSomeIntracellularAttachmentProteinsAdherens(cell-cell)cadherin(E-cadherin)cadherininneighboringcellactinfilamentscatenins,vinculin,

-actinin,plakoglobinDesmosomecadherin(desmogleins&desmocollins)cadherininneighboringcellintermediatefilamentsdesmoplakins,plakoglobin

Adherens(cell-matrix)integrinextracellularmatrixproteinsactinfilamentstalin,vinculin,

-actininHemidesmosomeintegrinextracellularmatrix(basallamina)proteinsintermediatefilamentsdesmoplakinlikeprotein錨定連接的結構

●通過錨定連接將相鄰細胞的骨架系統(tǒng)或將細胞與基質相連形成一個堅挺、有序的細胞群體。錨定連接具有兩種不同的形式:與中間絲相連的錨定連接主要包括橋粒和半橋粒；

與微絲相連的錨定連接主要包括粘合帶與粘合斑。●構成錨定連接的蛋白可分成兩類:

細胞內(nèi)附著蛋白(attachmentproteins),將特定的細胞骨架成分(中間絲或微絲)同連接復合體結合在一起;

跨膜連接的糖蛋白,其細胞內(nèi)的部分與附著蛋白相連,細胞外的部分與相鄰細胞的跨膜連接糖蛋白相互作用或與胞外基質相互作用。四、通訊連接

（一）、間隙連接：

分布廣泛，幾乎存在于所有的動物組織中。

1、間隙連接結構間隙連接處相鄰細胞質膜間的間隙為2～3nm。連接子(connexon)中心形成一個直徑約1.5nm的孔道。間隙連接結構

Figure

19-14

Determiningthesizeofagap-junctionchannel.

Whenfluorescentmoleculesofvarioussizesareinjectedintooneoftwocellscoupledbygapjunctions,moleculessmallerthanabout1000daltonscanpassintotheothercellbutlargermoleculescannot.gap-junctionchannelFigure

19-15

Amodelofagapjunction.

Thedrawingshowstheinteractingplasmamembranesoftwoadjacentcells.Theapposedlipidbilayers(red)arepenetratedbyproteinassembliescalledconnexons(green),eachofwhichisthoughttobeformedbysixidenticalproteinsubunits(calledconnexins).Twoconnexonsjoinacrosstheintercellulargaptoformacontinuousaqueouschannelconnectingthetwocells.Figure

19-16

Gapjunctionsasseenintheelectronmicroscope.

Thin-section(A)andfreeze-fracture(B)electronmicrographsofalargeandasmallgapjunctionbetweenfibroblastsinculture.In(B)eachgapjunctionisseenasaclusterofhomogeneousintramembraneparticlesassociatedexclusivelywiththecytoplasmicfractureface(Pface)oftheplasmamembrane.(FromN.B.Gilula,inCellCommunication[R.P.Cox,ed.],pp.1-29)Figure

19-18

Summaryofthevariouscelljunctionsfoundinanimalcellepithelia.

Thisdrawingisbasedonepithelialcellsofthesmallintestine.角蛋白2、間隙連接的蛋白成分已分離20余種構成連接子的蛋白,屬同一蛋白家族,其分子量26—60KD不等；連接子蛋白具有4個α-螺旋的跨膜區(qū)，是該蛋白家族最保守的區(qū)域。連接子蛋白的一級結構都比較保守,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。3、間隙連接的功能及其調(diào)節(jié)機制（1）間隙連接在代謝偶聯(lián)中的作用允許小分子代謝物和信號分子通過，是細胞間代謝偶聯(lián)的基 礎。

代謝偶聯(lián)現(xiàn)象在體外培養(yǎng)細胞中的證實。 代謝偶聯(lián)在協(xié)調(diào)細胞群體的生物學功能方面起重要作用。（2）間隙連接在神經(jīng)沖動信息傳遞過程中的作用： 電突觸(electronicjunction)快速實現(xiàn)細胞間信號通訊 間隙連接調(diào)節(jié)和修飾相互獨立的神經(jīng)元群的行為。電突觸（4）間隙連接的通透性是可以調(diào)節(jié)的

降低胞質中的pH值和提高自由Ca2+的濃度都可以使其通透性降低間隙連接的通透性受兩側電壓梯度的調(diào)控及細胞外化學信號的調(diào)控（3）間隙連接在早期胚胎發(fā)育和細胞分化過程中的作用：胚胎發(fā)育中細胞間的偶聯(lián)提供信號物質的通路,從而為某一特定細胞提供它的“位置信息”，并根據(jù)其位置影響其分化。腫瘤細胞之間間隙的連接明顯減少或消失，間隙聯(lián)接類似“腫瘤抑制因子”。Figure

11-33

Threeclassesofchannelproteins.

Thepostulatedrelationshipbetweenthenumberofproteinsubunitsandporediameter.(AdaptedfromB.Hille,IonicChannelsofExcitableMembranes,2nded.Sunderland,MA:Sinauer,1992.)Figure

19-17

Aproposedmodelforhowgap-junctionchannelsmaycloseinresponsetoariseinCa2+orafallinpHinthecytosol.

Asmallrotationofeachsubunitclosesthechannel.ThemodelisbasedonanimageanalysisofelectronmicrographsofrapidlyfrozentissueinwhichthestructureofgapjunctionchannelsintheirpresumedopenstatewascomparedwiththeirstructureinaCa2+-inducedclosedstate.ItispossiblethatasimilarmechanismoperatesintheopeningandclosingofthegatedionchannelsdiscussedinChapter11.(AfterP.N.T.UnwinandP.D.Ennis,Nature307:609-613)（二）胞間連絲：

高等植物細胞之間通過胞間連絲相互連接,完成細胞間的通訊聯(lián)絡。胞間連絲的功能

實現(xiàn)細胞間由信號介導的物質有擇性的轉運；

實現(xiàn)細胞間的電傳導；

在發(fā)育過程中，胞間連絲結構的改變可以調(diào)節(jié)植物細胞間的物質運輸。胞間連絲結構連絲微管Figure

19-19

Plasmodesmata.

(A)Thecytoplasmicchannelsofplasmodesmatapiercetheplantcellwallandconnectallcellsinaplanttogether.(B)Eachplasmodesmaislinedwithplasmamembranecommontotwoconnectedcells.Itusuallyalsocontainsafinetubularstructure(20-40nm),thedesmotubule,derivedfromsmoothendoplasmicreticulum.

Figure

19-20

Plasmodesmataasseenintheelectronmicroscope.

(A)Longitudinalsectionofaplasmodesmafromawaterfern.Theplasmamembranelinestheporeandiscontinuousfromonecelltothenext.Endoplasmicreticulumanditsassociationwiththecentraldesmotubulecanbeseen.(B)Asimilarplasmodesmaincross-section.(CourtesyofR.Overall.)（三）神經(jīng)細胞間的化學突觸

存在于可興奮細胞之間的細胞連接方式,它通過釋放神經(jīng)遞質來傳導神經(jīng)沖動。神經(jīng)細胞間的化學突觸五、細胞表面的粘著因子

同種類型細胞間的彼此粘連是許多組織結構的基本特征。細胞與細胞間的粘連是由特定的細胞粘著因子所介導的。(一）粘著因子的特征粘著因子均為整合膜蛋白，在胞內(nèi)與細胞骨架成分相連；多數(shù)要依賴Ca2+或Mg2+才起作用。同種類型細胞間的彼此粘連前軟骨細胞心臟心室細胞Figure

19-23

Organ-specificadhesionofdissociatedvertebrateembryocellsdeterminedbyaradioactivecell-bindingassay.

Therateofcelladhesioncanbemeasuredbydeterminingthenumberofradioactivelylabeledcellsboundtothecellaggregatesaftervariousperiodsoftime.Therateofadhesionisgreaterbetweencellsofthesamekind.Inacommonlyusedmodificationofthisassay,cellslabeledwithafluorescentorradioactivemarkerareallowedtobindtoamonolayerofunlabeledcellsinculture.（二）粘著因子類型

鈣粘素（Cadherins）

選擇素（Selectin） 免疫球蛋白超家族的CAM(Ig-Superfamily，IgSF) 整合素（Integrins） 質膜整合蛋白聚糖也介導細胞間的粘著。屬同親性依賴Ca2+的細胞粘連糖蛋白，對胚胎發(fā)育中的細胞識別、遷移和組織分化以及成體組織器官構成具有主要作用。所謂細胞表面粘著因子的同親性和異親性的分別是指，看他們是介導的是相同的細胞因子間的識別和粘著，還是介導不同的細胞因子間的識別和粘著。相同的就叫同親性，不同的就為異親性。1、鈣粘素（Cadherins）

Figure

19-24

Schematicdrawingofatypicalcadherinmolecule.

Theextracellularpartoftheproteinisfoldedintofivesimilardomains,threeofwhichcontainCa2+-bindingsites.Theextracellulardomainfarthestfromthemembraneisthoughttomediatecell-celladhesion;thesequenceHis-Ala-Valinthisdomainseemstobeinvolved,aspeptideswiththissequenceinhibitcadherin-mediatedadhesion.Thecytoplasmictailinteractswiththeactincytoskeletonviaanumberofintracellularattachmentproteins,includingthreecateninproteins.a-catenin（連環(huán)蛋白）isstructurallyrelatedtovinculin（粘著斑蛋白）.Xrepresentsuncharacterizedattachmentproteinsinvolvedincouplingcadherinstoactinfilaments.Cadherin屬異親性依賴于Ca2+的能與特異糖基識別并相結合的糖蛋白，其胞外部分具有一凝集素（lectin）結構域。主要參與白細胞與脈管內(nèi)皮細胞之間的識別與粘著。P(Platelet)選擇素、E(Endothelial)選擇素和L(Leukocyte)選擇素。2、選擇素（Selectin）Figure

10-42

Theprotein-carbohydrateinteractionthatinitiatesthetransientadhesionofneutrophilstoendothelialcellsatsitesofinflammation.

(A)ThelectindomainofP-selectinbindstothespecificoligosaccharideshownin(B),whichispresentonbothcell-surfaceglycoproteinandglycolipidmolecules.Thelectindomainoftheselectinsishomologoustolectindomainsfoundonmanyothercarbohydrate-bindingproteinsinanimals;becausethebindingtotheirspecificsugarligandrequiresextracellularCa2+,theyarecalledC-typelectins.Athree-dimensionalstructureofoneoftheselectindomains,determinedbyx-raycrystallography,isshownin(C);itsboundsugariscoloredblue.Gal=galactose;GlcNAc=N-acetylglucosamine;Fuc=fucose;NANA=sialicacid.Selectin分子結構中具有與免疫球蛋白類似的結構域的CAM超家族。介導同親性細胞粘著或介導異親性細胞粘著但其粘著作用不依賴Ca2+，其中N-CAMs在神經(jīng)組織細胞間的粘著中起主要作用。3、免疫球蛋白超家族的CAM

Figure

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SchematicdrawingoffourformsofNCAM.

Theextracellularpartofthepolypeptidechainineachcaseisfoldedintofiveimmunoglobulinlikedomains(andoneortwootherdomainscalledfibronectin（纖連蛋白）t

ypeIIIrepeatsforreasonsthatwillbecomeclearlater).Disulfidebonds(showninred)connecttheendsofeachloopformingeachIg-likedomain.NCAM由和兩個亞基形成的異源二聚體糖蛋白。人體細胞中已發(fā)現(xiàn)16種鏈和8種鏈，它們相互配合形成22種不同的二聚體聯(lián)蛋白，可與不同的配基結合，從而介導細胞與基質、細胞與細胞之間的粘著。4、整聯(lián)蛋白（Integrins）（三）粘著方式

細胞與細胞連接類型細胞與細胞連接主要成員Ca2+或Mg2+依賴性胞內(nèi)骨架成分與細胞連接關系鈣粘素

選擇素免疫球蛋白類血細胞整合素E、N、P-鈣粘素橋粒-鈣粘素P-選擇素N-細胞粘著分子Lb2+++-+肌動蛋白纖維中等纖維

肌動蛋白纖維粘著帶橋粒---細胞與基質連接

整合素

質膜蛋白聚糖約20種類型6b4Syndecans++-肌動蛋白纖維中等纖維肌動蛋白纖維粘著斑半橋粒-細胞中主要的粘連分子家族

細胞連接類型粘連分子胞外胞內(nèi)某些結合蛋白細胞骨架類型細胞與細胞連接橋粒

鈣粘素橋粒芯蛋白橋粒芯膠蛋白

相鄰細胞的鈣粘素橋粒斑蛋白橋粒斑球蛋白中等纖維粘著帶鈣粘素(E-鈣粘素)同上粘著斑蛋白連還蛋白微絲

細胞與胞外基質半橋粒整合素（α64）胞外基質蛋白（基底膜蛋白）橋粒斑蛋白-like中等纖維粘著斑整合素

胞外基質蛋白踝蛋白粘著斑蛋白α-actinin

微絲與細胞錨定連接相關的粘連分子

Figure

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Asummaryofthejunctionalandnonjunctionaladhesivemechanismsusedbyanimalcellsinbindingtooneanotherandtotheextracellularmatrix.

Thejunctionalmechanismsareshowninepithelialcells,whilethenonjunctionalmechanismsareshowninnonepithelialcells.Ajunctionalinteractionisoperationallydefinedasonethatcanbeseenasaspecializedregionofcontactbyconventionaland/orfreeze-fractureelectronmicroscopy.Notethattheintegrinsandcadherinsareinvolvedinbothnonjunctionalandjunctionalcell-cell(cadherins)andcell-matrix(integrins)contacts.Thecadherinsgenerallymediatehomophilicinteractions,whereastheintegrinsmediateheterophilicinteractions.Boththecadherinsandintegrinsactastransmembranelinkersanddependonextracellulardivalentcationstofunction;forthisreason,mostcell-cellandcell-matrixcontactsaredivalent-cation-dependent.Theselectinsandintegrinscanalsoactasheterophiliccell-celladhesionmolecules:theselectinsbindtocarbohydrate,whilethecell-bindingintegrinsbindtomembersoftheimmunoglobulinsuperfamily.Theintegrinsandintegralmembraneproteoglycansthatmediatenonjunctionaladhesiontotheextracellularmatrixarediscussedlater.非錨定連接的細胞間粘著方式1.鈣粘素；2.免疫球蛋白類細胞粘著分子3.選擇素；4.整合素；5.質膜整合蛋白聚糖非錨定連接（nonjunctionaladhesion）的細胞粘連分子及其作用部位Figure

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Importanceofthecytoskeletonincelladhesion.

Thisdrawingillustrateswhycell-adhesionmoleculesmustbelinkedtothecytoskeletoninordertomediaterobustcell-cellorcell-matrixadhesion.Inreality,manyadhesionproteinswouldprobablybepulledfromthecellwithbitsofattachedmembrane,andtheholesleftinthemembranewouldimmediatelyreseal.第三節(jié)

細胞外被與細胞外基質一、基本概念二、膠原(collagen)三、氨基聚糖和蛋白聚糖四、層粘連蛋白和纖粘連蛋白五、彈性蛋白(elastin)六、植物細胞壁一、基本概念（一）細胞外被(cellcoat)又稱糖萼(glycocalyx)結構組成：指細胞質膜外表面覆蓋的一層粘多糖物質，實際指細胞表面與質膜中的蛋白或脂類分子共價結合的寡糖鏈。功能： 不僅對膜蛋白起保護作用，而且在細胞識別中起重要作用。膀胱上皮細胞表面的糖被，釕紅染色的電鏡超薄切片 （梁鳳霞，丁明孝）

粘多糖（二）細胞外基質(extracellularmatrix)

結構組成：指分布于細胞外空間，由細胞分泌的蛋白和多糖所構成的網(wǎng)絡結構。

主要功能：

構成支持細胞的框架，負責組織的構建；

胞外基質三維結構及成份的變化，改變細胞微環(huán)境從 而對細胞形態(tài)、生長、分裂、分化和凋亡起重要的調(diào)控 作用。

胞外基質的信號功能

網(wǎng)絡結構膠原蛋白纖連蛋白層粘連蛋白蛋白聚糖細胞外基質Figure

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Cellssurroundedbyspacesfilledwithextracellularmatrix.

Theparticularcellsshowninthislow-powerelectronmicrographarethoseinanembryonicchicklimbbud.Thecellshavenotyetacquiredtheirspecializedcharacteristics.(CourtesyofCheryllTickle.)成纖維細胞（三）真核細胞的細胞外結構（extracellularstructures）

膠原是胞外基質最基本結構成份之一，動物體內(nèi)含量最豐富的蛋白（總量的30％以上）。二、膠原(collagen)

（一）常見的膠原類型及其在組織中的分布

膠原是細胞外基質中最主要的水不溶性纖維蛋白；

Ⅰ～Ⅲ型膠原含量最豐富，形成類似的纖維結構；但并非所有膠原 都形成纖維； Ⅰ型膠原纖維束,主要分布于皮膚、肌腱、韌帶及骨中，具有很 強的抗張強度; Ⅱ型膠原主要存在于軟骨中; Ⅲ型膠原形成微細的原纖維網(wǎng)，廣泛分布于伸展性的組織，如 疏松結締組織; Ⅳ型膠原形成二維網(wǎng)格樣結構，是基膜的主要成分及支架。（二）膠原及其分子結構

膠原纖維的基本結構單位是原膠原；原膠原是由三條肽鏈盤繞成的三股螺旋結構；原膠原肽鏈具有Gly-x-y（甘氨酸-脯氨酸-羥脯氨酸/羥賴氨酸）重復序列，對膠原纖維的高級結構的形成是重要的；在膠原纖維內(nèi)部，原膠原蛋白分子呈1/4交替平行排列,形成周期性橫紋。原膠原膠原原纖維膠原纖維（三）膠原的合成與加工

前體肽鏈在粗面內(nèi)質網(wǎng)合成，并形成前原膠原(preprocollagen)； 前原膠原(preprocollagen)是原膠原的前體和分泌形式， 在粗面內(nèi)質網(wǎng)合成、加工與組裝，經(jīng)高爾基體分泌；前原膠原在細胞外由兩種專一性不同的蛋白水解酶作用,分別切去N-末端前肽及C-末端前肽，成為原膠原（procollagen）；原膠原進而聚合裝配成膠原原纖維（collagenfibril）、膠原纖維（collagenfiber）。（a）膠原纖維的分子結構與形成過程(Ⅰ～Ⅶ)；（b）膠原纖維的電鏡照片

三股螺旋結構（四）膠原的功能

膠原在胞外基質中含量最高，剛性及抗張力強度最大，構成細胞外基質的骨架結構，細胞外基質中的其它組分通過與膠原結合形成結構與功能的復合體。在不同組織中，膠原組裝成不同的纖維形式，以適應特定功能的需要。膠原可被膠原酶特異降解，而參入胞外基質信號傳遞的調(diào)控網(wǎng)絡中。三、氨基聚糖和蛋白聚糖（一）糖胺聚糖（glycosaminoglycan）糖胺聚糖是由重復的二糖單位構成的長鏈多糖。 二糖單位之一是氨基己糖(氨基葡萄糖或氨基半乳糖)+糖醛酸;氨基聚糖分為:透明質酸、4-硫酸軟骨素、6-硫酸軟骨素、硫酸皮膚素、硫酸乙酰肝素、肝素和硫酸角質素等。透明質酸(hyaluronicacid)及其生物學功能 透明質酸是增殖細胞和遷移細胞的胞外基質主要成分，也是蛋白聚糖的主