第4章质膜及与其直接相关的结构.docx
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第4章质膜及与其直接相关的结构
第4章细胞膜与细胞表面
主要任务和目的：
1.介绍并要求学生了解掌握细胞膜的基本化学组成，细胞膜的结构模式，细胞膜的功能以及其结构，功能相关的某些物理化学和生理学特性。
2.了解掌握与细胞膜直接相关联的细胞表面和表层的一些所谓的物化结构及其功能。
第一节细胞膜与细胞表面的特化结构
细胞膜又俗称质膜。
是指包围在细胞表面的一层极薄的膜，主要有脂质和膜蛋白组成。
细胞膜的基本作用是维护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，在细胞的生存、生长、分裂、分化中也起重要作用。
由于它是细胞中一个最重要部分，而各种生物膜在结构上乃至在许多功能上又都基本一致。
因此对本章的学习介绍不但对认识细胞膜本身，而且对认识了解其他生物膜和它们参与构成的细胞器和细胞结构，均很重要。
主要内容分为四个部分：
构成质膜的主要分子类别；质膜的特性和结构模型；细胞膜的功能；骨架与细胞表面的特化结构。
一、细胞膜的化学组成和结构模式
（一）构成细胞膜的物质分子类别：
主要是脂质、蛋白质和糖三大类。
髓鞘 76-79%
肝细胞，红细胞≈40%
横纹肌≈35%
细菌≈25%-35%（G.Rarp.1984）
每类脂质的相对比例也依细胞的类型的差异较大，甚至极大。
1.脂质，特称膜脂质。
所有脂质分子都具有一个亲水的头部和1-2个疏水的尾部，是所谓双转媒性分子。
主要包括磷脂（Phospholipid）、鞘脂（sphingolipid）和糖脂（glycolipid）三类。
不同类型的细胞，其细胞膜脂质在细胞膜物质总量中的比例变动较大。
①磷脂：
亲疏水极构成磷脂双分子团和脂质体。
脂质体作为药物包装体有重要的医用前景。
②鞘脂：
是鞘氨醇，一种含长的碳氢链的氨基醇的衍生物，鞘氨醇的羟基连上糖类，就是糖脂。
鞘脂的功能：
所知甚少，近期的研究认为它是重要成分，参与调控细胞过程，包括细胞凋亡、细胞周期间歇和生长。
③胆固醇的结构和功能
羟基—极性头部；类固醇环结构—非极性；碳氢尾部—非极性。
调节膜的流动性、加强膜的稳定性、降低水溶性物质通透。
2.蛋白质，特称细胞膜蛋白。
多种多样。
其量（干重）在髓鞘占20%，红血球，肝细胞中的占50%细菌中的占50%-70%
依其位置和提取的易和难分为两类：
⑴.外周蛋白（peripheralprotein），又称为附着蛋白。
整个分子都位于分子膜表面，只需高浓度的盐液（NaCl溶液）即可分离出。
.整合蛋白（integralprotein），又称内在蛋白、跨膜蛋白。
其分子部分或大部分进入细胞膜内；要用去垢剂（detergent）破坏了膜结构才能分离出来。
⑶.脂锚定蛋白（lipid），在跨膜蛋白中，有的其肽链只一次穿越膜；有的则多次穿越膜。
每次穿越的部分，一般长为20个氨基酸，多形成α螺旋；多次穿越膜的，也有形成β片层的。
有些跨膜蛋白，可形成永久开放的或可控开和关的通道或的结构，这样的蛋白特称通道蛋白（ChannelProteins）
3.糖类
以往，参与构成细胞膜的糖类往往被统称为多糖。
实际上并不只是多糖，其中也有单糖；而所谓多糖，其残基也不多（有人认为最多也不超过20个），只是一些寡聚糖类。
而且残基数达三个以上的，一般就有分枝，因此是分枝寡聚糖。
细胞膜中的糖类，还有一个特点，就是所有的糖分子都是或与蛋白质或与脂质共价连结在一起的，形成糖脂和糖蛋白。
分O－连接和N－连接两种。
糖蛋白是细胞中最为丰富的蛋白质，真核生物细胞膜上的蛋白质几乎都是糖蛋白，糖蛋白主要存在于细胞质膜上，内膜中糖蛋白极少。
在动物细胞中，糖蛋白几乎是糖萼的主要成分，而在植物细胞中，主要是由糖脂构成膜包被。
内膜系统中的内质网和高尔基体是糖蛋白和糖脂合成的主要场所。
ABO抗原：
人的血型有A型、B型、AB型和O型，是由红细胞膜质或膜蛋白中的糖萼决定的，A血型的人红细胞膜质寡糖链的末端是N－乙酰半乳糖胺，B血型的人红细胞膜质寡糖链的末端是半乳糖，O型则没有这两种糖基，AB型则兼有这两种糖。
（二）细胞膜的结构模型
构成细胞膜的分子究竟彼此间是怎样地相互结合而成细胞膜？
或者说细胞膜的结构或超分子组织究竟如何？
当中有些怎样的规律遵循？
对此，历史上有过大量的研究，提出过多种关于细胞膜结构的Models。
其中具开启性或影响大的是四种：
1925年E.Gorter和F.Grendel于提出的 ThelipidBilayer概念。
（红血球膜脂质铺层实验）。
1.是1935年DanielliJ.F.和H.Davsonr片层结构模型“球蛋白－脂双层－球蛋白”。
（人工脂双层＋globulin的实验）。
主要内容：
膜的骨架是脂肪形成的脂双层结构，在脂双层的内外两侧都有一层蛋白质的包被，即蛋白质－脂－蛋白质的三层结构，且蛋白质以肽链形式包在脂双层的内外两侧。
2.是RobertsonJ.D于1959年提出的“TheUnitmembrane”单位膜结构模型（概念）。
主要内容：
与片层结构模型很相似，只是认为膜脂双分子层内外存在的方式是β叠片状，且膜的外层表面的膜蛋白是糖蛋白。
3.是“TheFluidMosaicModel”，是S.J.Singer和G.Nicolson1972年提出的（Science175（4023）:
720-731）.
这个模型有以下四个基本要点：
①细胞膜中的分子以“脂双层”形式存在，构成膜的基质或骨架，蛋白质分子以各种不同形式嵌入其中。
这就是“镶嵌性”。
嵌入有部分嵌入和横穿膜两种形式，这些蛋白即称为整合蛋白或者内在蛋白。
也有不嵌入脂双层而是只结合在表面的蛋白质，这就是所谓外在蛋白。
②在膜的两个半层中，其膜脂和膜蛋白无论质和量的分布，彼此是不相同的。
有的在一个半层中多，另一个半层少；有的只存在内半层，或者存在外半层。
这就是膜的不对称性。
③细胞膜是流动的，其中的脂质分子和蛋白质分子都可以在膜平面内作侧向的流动。
这就是膜的流动性。
④使脂质和膜蛋白（尤其内在蛋白）能组装成膜结构和维持膜体结构的稳定性的主要作用力，是脂质分子间、蛋白质分子间、脂质分子与蛋白质分子间的疏水性相互作用，以及脂质分子头部和蛋白质子部分区域的疏水作用。
上述四点，尤其其中的镶嵌性、不对称性和流动性等几个概念及其所反映的细胞膜结构或超分子组织结构，是流动镶嵌模型超越于以往任何模型的主要创造之处。
后来又发现糖类是以糖脂和糖蛋白的形式存在于膜的外侧表面。
有何证据证明支持细胞膜（及各种生物膜）确实有镶嵌性，不对称性和流动性这样些特性的结构呢？
怎样设计和进行实验研究才能证明细胞膜是具这样些特点的结构呢？
镶嵌性：
冰冻劈裂—蚀刻复型技术。
1972年以前以有。
流动性：
免疫荧光与细胞融合技术。
1.膜质流动的几种形式：
侧向扩散（lateralshift）
旋转（rotate）
翻转扩散（flip-flop）
弯曲（flex）
膜本身成分的影响：
胆固醇，在相变温度以上可减少流动性，以下则增加流动性：
不饱和脂肪酸链多增加流动性，反之则反；膜蛋白会限制脂质的流动性（界面脂），牢固连接使脂质蛋白分子的流动限制在局部区域，等等。
2.膜蛋白的流动
流动镶嵌模型是一种受到最普遍赞同的生物膜结构型。
至今，在人们对细胞膜（和整个生物膜）结构的认识中，流动镶嵌模型表述的要点是基本的内容。
如果也有所发展，深化和补充的话，则主要是在于膜的流动性方向，更多的则是在膜的流动性不是绝对的而是受许多因素的影响。
例如：
温度的影响：
温度越高流动性越大，反之则相反；低于相变温度，脂质层则从液晶态变为固晶态；在相变温度附近，局部的温度会使细胞膜出现分相——板块镶嵌模型的依据！
荧光漂白恢复技术。
膜的不对称性：
冰冻劈裂—蚀刻复型技术。
细胞膜小泡技术——免疫荧光显微技术，细胞化学技术。
1.膜质的不对称性
主要表现在膜两侧分布的各类脂的含量比例不同，各种细胞膜质不对称性差异很大。
2.膜蛋白的不对称性
膜蛋白的分布是绝对不对称的，每种膜蛋白在膜内都有特定的排布方向。
3.膜糖的不对称性
膜糖均匀分布在动物细胞的外表面。
砭脂类的不对称性分布。
二、细胞膜的功能
1.为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境
2.选择性物质运输,包括代谢底物的输入和代谢产物的输出，伴随能量的传递
3.提供细胞识别位点，完成细胞内外信息传递
4.为多种酶提供结合位点，帮助酶促反应高效有序地进行
5.介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接
6.细胞膜参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构
人类红细胞质膜结构的研究
膜骨架的影响：
红细胞的膜骨架发达，细胞膜的流动性均较低，不发达的细胞则较高。
TheStructureofRedBloodCellPlasmalemina——显示细胞膜结构特征的一个实例。
利用制备ghosts进行化学成分定性分析技术，利用冰冻劈裂和蚀刻复型技术，利用负染色技术，利用血影缝合及制备正向和外翻小泡技术加免疫荧等技术，研究细胞膜，得出该种细胞膜的结构特点。
红细胞膜骨架的形成
膜骨架蛋白的主要成分包括：
血影蛋白、肌动蛋白、原肌球蛋白、锚定蛋白、带4.1蛋白、内收蛋白等红细胞膜细胞质面的外周蛋白。
首先是血影蛋白与带4.1蛋白、肌动蛋白的相互作用，然后带4.1蛋白同血型糖蛋白相互作用，最后是锚定蛋白与血影蛋白、带3蛋白的相互作用。
膜骨架：
细胞膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构，它参与维持细胞膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。
第二节细胞连接
细胞的连接:
指多细胞有机体细胞间和细胞与胞外基质之间通过质膜的相对永久性的连接关系。
细胞连接对组织的维持和细胞间进行协同功能活动具有重要的作用。
一、紧密连接（斑快连接）
紧密连接：
是封闭连接的主要形式，它将相邻细胞的质膜密切地连接在一起阻止溶液中的分子沿细胞间隙渗入体内。
该连接在上皮组织尤其管,肾小管和胰腺等单层柱状上皮细胞之间突出的一类细胞连接方式。
其主要的特点是每个上皮细胞在近管腔端（游离端,顶端）的四周质膜内，有关的跨膜蛋白一个紧接一个的排列形成一至多条环行于四周的所谓“嵴线”。
各条线彼此分支吻合,在相邻细胞之间形成线网，彼此就通过排成嵴线的蛋白质相互紧密连接并且牢固的结合在一起，犹如细胞膜被焊接线焊接在一起一般。
研究还表明，由于紧密连接的存在，上述上皮细胞组织游离面一侧（管和泡的颈）和基底面一侧，不仅细胞本身的细胞膜不能相互移动到对侧，而且胞外液态环境中的物质分子（包括水）也不能通过细胞间隙透过到对侧。
因此除了使上述上皮细胞牢固连接在一起，使组织保持稳定的结构外，牢固连接对上皮细胞保持两侧膜成形和相应功能的分工（如定向的跨膜细胞物质运输），以及对保持管道和细胞内外环境的稳定性差异和防止消化道中有害微生物等侵入组织等都具有及其重要的作用。
冷冻蚀刻后两种蛋白的抗体标记，occuludin和clandin参与紧密连接的构成。
二、锚定连接
是一类专把相邻细胞的细胞骨架系统，并把细胞的骨架系统与胞外基质的蛋白质纤维网架系统连成一个整体，从而使多细胞有机体的细胞（除了那些游走性的和流动性的），固定于恒定位置，使细胞以上的结构层次保持牢固性和有序性的细胞连接。
1.桥粒与半桥粒
桥粒连接是细胞之间的连接，是上皮组织中优势的胞间连接方式之一，其他如肌肉组织中亦存在。
这种连接和结构特点和各结构的部分分子组成如幻灯所示。
半桥粒是细胞与胞外基底膜之间的连接方式。
顾名思义只半个桥粒。
其结构特点和各结构部分的构成分子特点如投影片所示。
2.粘着带和粘着斑
①粘着带是柱状上皮细胞间普遍存在的另一种连接形式。
其结构特点和化学组成如幻灯片所示。
要强调的是：
第一，附着带亦被视为带状桥粒，但从图片可看出：
它并无致密斑致密样的结构存在，细胞骨架有关部分是“直接”附着到质膜上；胞内附着连接的骨架部分是肌动蛋白纤维而非中间纤维（角蛋白纤维）；且肌动蛋白纤维是聚集成束，成为从胞内环贴于质膜下的收缩性环，而非散发到胞内基质中；肌动蛋白纤维对质膜（进而也是胞内连接蛋白）的附着是通过一组可视为微丝集合蛋白质组成的复合体来实现，不像桥粒中的角蛋白纤维那样直接附在桥粒板上。
真正完成细胞间连接的跨膜连接分子与桥粒中的芯蛋白到是类似，因为都属于钙结合的贴着蛋白家族。
②粘着斑是细胞与胞外基质之间的一种点（块）状分布的连接方式。
在人工培养的能贴壁生长的细胞中，它们与培养的器皿之间也会形成此种连接。
与附着带连接相同的是，细胞内连接的骨架成分也是微丝，而与之不同的是：
跨膜的连接分子与半桥粒类似是属于被称为整合（整联）蛋白的细胞表面基质受体家族；胞内把微丝与细胞膜（和跨膜连接蛋白）连接起来，虽也是一种附着蛋白复合体但组成成分稍有不同，既含附着斑蛋白和α–辅肌动蛋白等，还含有踝蛋白。
粘着斑的结构
参与黏着带连接的主要蛋白是钙黏着蛋白和肌动蛋白。
钙黏着蛋白是一种跨膜蛋白，属Ca2＋依赖性的细胞黏着分子，所以这种连接也是钙依赖性的。
粘着斑的电镜照片
三、通讯连接
介导细胞间电信号或化学信号传递的细胞间连接方式。
分为两个亚类：
1.间隙连接（gapjunction）
广泛存在各种组织的细胞内。
呈大小不等的丛集或斑块和成片分布。
因连接部位胞间的距离仅约2-3nm，十分狭窄，固而被称为间隙连接。
在间隙连接中，真正把相邻细胞连接起来的结构单元是连接子（connexon），即由6个跨膜的蛋白质亚基平行聚集形成的一种通道蛋白。
相邻细胞的连接子一对一地连接起来形成一个个沟通两细胞的跨双膜通道——间隙连接的基本单元。
因此，间隙连接实际上是一类相邻细胞的质膜彼此“连续”的通道和连接。
通道的直径约1.5-2.0nm，糖、核苷酸等小分子和离子可以自由通过。
通道又是可开可关的，受外来信号和胞内Ca2+调节。
不同组织，间隙连接有稍不同的性质，这可能是连接子的蛋白稍有不同的结果，但总是属于一个家族。
间隙连接在代谢耦联、冲动传递以及早期胚胎发育和细胞分化中具有极重要的作用。
2.胞间连丝（plasmodesmate）
是植物细胞间唯一的连接方式。
初少数特化细胞外，高等植物细胞间的通讯和物质运输主要靠胞间连丝。
胞间连丝是相邻细胞之间由穿越细胞壁而彼此连接的，外表为细丝状的细胞质，直径约20-40nm。
据最近十多年研究，有人提出一种新的结构模型可图示：
在结构上，胞间连丝虽与动物细胞间的间隙连接根本不同，但功能是类似的：
可直接进行电通讯；可直接进行化学通讯和一些代谢物、营养物的交流。
一般来说，能通过胞间连接的分子是不超过800D。
但在有的情况下（如根端和根冠）表面细胞之间。
小的物质并不能通过，在有的情况下（如病毒感染时），病毒颗粒也可通过它感染邻近细胞。
可见，胞间连丝对物质的运输是可以被调节的。
其调节机制还不清楚。
3.细胞表面的粘着因子
同种类型细胞的彼此粘连是许多组织结构的基本特征。
这种细胞与细胞间的粘连是由特定的细胞粘着因子钙粘素等介导的。
第三节细胞外被与细胞外基质
细胞外被又称糖萼，是细胞膜的正常结构组分它不仅对膜蛋白起保护作用，而且在细胞识别中起重要作用。
细胞外基质（extracellularmatrix）：
是指由细胞分泌到胞外，分布于细胞外空间的分泌蛋白和多糖所控制的纤维性网络结构。
细胞外基质在细胞的分化、迁移，组织器官乃至整个机体的构成及其中各组成成分的有序性维持，以及组织的抗压扩张，乃至物质过滤等诸多方面都具有重要的不可缺少的功能作用。
细胞基质主要有以下种类：
一、胶原（collagen）
分子构成特点和类型
胶原是细胞外基质中最重要的一类不溶于水的纤维蛋白，也是动物体内最丰富的一类蛋白，其量在总量的20-30％以上。
胶原分子被称为原胶原，是由三条肽链以右螺旋方式相互环绕而成的明显的绞索样三螺旋。
其中的肽链被称为α–链，所取构象为右螺旋。
目前为止，所发现的α–链有约15种，各有自己的基因编码，可见胶原的基因是一个大家族。
按理，约25种不同的α–链可形成上千种胶原蛋白分子。
但实际上，目前发现的胶原蛋白只有15种，被命名为Ⅰ—ⅩⅤ型，其中了解最多的是Ⅰ—ⅠⅤ型。
各型胶原的表达有一定程度的组织特异性，如Ⅰ型主要在皮肤、肌腱、骨和韧带等，Ⅱ型主要在软骨、髓核、玻璃体等，不同的胶原分子形成不同基质纤维结构。
胶原分子结构的另一个特殊点是一级结构首尾串接的Gly—X—Y三联体（三肽）重复序列组成。
其中Gly为甘氨酸，X为任何氨基酸，但一般是proline；Y亦为任意氨基酸，但经常为Hyp或Hyl。
每个三联体即环绕成一团α-螺旋。
Ⅰ型胶原的结构与合成。
Ⅳ型胶原的结构与合成
IX型胶原
胶原的功能：
1.提供水不溶框架,决定细胞外基质的机械性质
2.三维结构决定组织的特有性能
3.提供基质与其他组分结合,形成功能复合体
4.促进细胞生长
二、蛋白聚糖
1.蛋白聚糖（proteoglyoan）的概念
蛋白聚糖是除透明质酸外的其他氨基聚糖与有关通过丝氨酸残基和连接性四聚糖共价连接成的巨大的羽毛状的分子，其中的蛋白称作核心蛋白p。
当然，不同的蛋白聚糖，其氨基聚糖的数量和种类比例不同，最巨大的如软骨基质中的蛋白聚糖，氨基聚糖数（侧链数）超过100，平均每20个氨基酸残基上即连有一个GAG。
小的中每条核心蛋白只结合有一条GAG。
蛋白的大小是异质性的，分子量可达10KD到60KD以上。
巨大程度可达一个细菌大小。
2.功能
蛋白聚糖除保水、抗压和润滑等作用外，还具有如下的意义和功能：
①有的与某些专门基质连接，共同构成特殊的胞外基质复合结构，如基底膜，就由含少量硫酸肝的“小”分子量蛋白聚糖与胶原等结合，构成基底膜的结构性组成。
②调节有些信号的活性。
例如，成纤维细胞生长因子（FGF）它结合于蛋白聚糖的硫酸肝素上，似乎是这种因子能激活某些细胞（体外和组织外）受体的一个必要条件。
而转化生长因子β（TGF-β）结合到许多蛋白聚糖的核心蛋白上其活性则被抑制。
③有些蛋白聚糖起核心蛋白是连接在细胞表面脂双层上，有的其核心蛋白甚至是一种跨膜蛋白。
这样的蛋白聚糖，能作为一种辅助受体起作用。
例如多配体蛋白聚糖，其核心蛋白为跨膜蛋白，侧链为硫酸肝素和硫酸软骨束，存在于成纤细胞、上皮细胞等多类细胞中，与基质受体蛋白一起成为胶原纤连蛋白以及其他与其结合的基质蛋白受体。
三、层粘连蛋白和纤粘连蛋白
1.层粘连蛋白（laminin）
由条多肽链结合成的。
两条β链都各有一段长约70nm的α-螺旋，它的此段肽段相互环绕形成双螺旋结构，横向并贴到α-链上，整个分子的形状结构如幻灯：
其中的所谓细胞表面受体就是整合家族中的一种。
Integrin（整合蛋白、整膜蛋白，在半桥粒和附着斑中称为跨膜连接蛋白）有α和β两亚基组成。
其基质受体部位所识别结合的是基质的Arg-Gly-Aspaa序列。
层粘连蛋白是基底膜的主要构成成分之一，对基底膜基质网片的形成，对细胞附着和记性与分化，以及N元的生长，具重要作用。
2.纤粘连蛋白（fibronecyin）
由A、B两个亚基构成的糖蛋白，羟醛端以2个二硫键连接，整个分子为V形。
两个亚基都折叠成若干杆状结构域，具有与细胞表面受体结合的结合位点，其中与细胞结合部位中的Arg-Gly-Asp-Ser四肽是识别细胞的最小单位。
粘连蛋白结构上主要功能是介导细胞与胞外基质以及胞外多种成分相互附着和连接，形成统一网架（而细胞内部所主要的是肌动蛋白纤维）。
同时促进胚胎细胞的迁移和分化，促进血凝中血小板附着面管受损部位。
A链、B链目前已发现20多种，但与其他基质成分不同，他们并不是不同基因的产物，而是同一基因（有若干内含子）的转录及mRNA不同拼接的结果。
3.纤连蛋白
高分子量糖蛋白，含糖4.5％～9.5％，由两条相似的A链和B链组成，整个分子呈V型。
4.弹性蛋白
弹性纤维的主要成分。
主要存在于脉管壁及肺，亦少量存在于皮肤、肌腱及疏松结缔组织中。
5.基膜（basallamina）
是一种复合的细胞外结构，通常位于上皮和内皮的基底层，是细胞外基质的特异区。
基膜的分子结构：
由不同的蛋白纤维组成的网状结构，主要成分有LN，IV型胶原、巢蛋白、肌腱蛋白、钙结合蛋白、硫酸肝素糖蛋白等。
鸡胚胎角膜基膜的扫描电镜图
植物细胞壁
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