1、第四章 细胞(xbo)质膜与细胞(xbo)表面,细胞质膜与细胞表面特化结构(jigu)细胞连接 细胞外被与细胞外基质,第一页，共一百一十二页。,第一节 细胞质膜与细胞表面(biomin)特化结构,细胞质膜(plasma membrane),又称细胞膜(cell membrane)。细胞内膜(intracellular membrane);生物膜(biomembrane)细胞质膜的结构模型 膜脂生物膜的基本组成成分 膜蛋白 确定膜蛋白方向的实验(shyn)程序 光脱色恢复技术 分子生物学技术在膜蛋白研究上的应用生物膜结构特征 细胞质膜的功能 膜骨架与细胞表面的特化结构,第二页，共一百一十二页。,
2、第二节 细胞(xbo)连接,细胞连接的功能分类 封闭连接 锚定(mo dn)连接通讯连接 细胞表面的粘连分子,第三页，共一百一十二页。,一、胞质膜的结构(jigu)模型,研究简史结构(jigu)模型生物膜结构,第四页，共一百一十二页。,结构(jigu)模型,E.Gorter和FGrendel（1925）:“蛋白质-脂类-蛋白质”三夹板质膜结构模型 J.D.Robertson（1959年）：单位膜模型(unit membrane model)S.J.Singer和G.Nicolson（1972）：生物膜的流动(lidng)镶嵌模型(fluid mosaic model)K.Simons et a
3、l(1997):脂筏模型（lipid rafts model）Functional rafts in Cell membranes.Nature 387:569-572,第五页，共一百一十二页。,生物膜结构(jigu),磷脂双分子层是组成生物膜的基本结构成分,尚未发现膜结构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,膜蛋白是赋予生物膜功能的主要(zhyo)决定者；生物膜是磷脂双分子层嵌有蛋白质的二维流体。“Central dogma”of membrane biology,第六页，共一百一十二页。,膜的流动性,膜脂的流动性 膜脂的流动性主要由脂分子本身的性质决定的,
4、脂肪酸链越短,不饱和程度越高,膜脂的流动性越大。温度(wnd)对膜脂的运动有明显的影响。在细菌和动物细胞中常通过增加不饱和脂肪酸的含量来调节膜脂的相变温度以维持膜脂的流动性。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。膜蛋白的流动 荧光抗体免疫标记实验 成斑现象(patching)或成帽现象(capping)膜的流动性受多种因素影响；细胞骨架不但影响膜蛋白的运动，也影响其周围的膜脂的流动。膜蛋白与膜脂分子的相互作用也是 影响膜流动性的重要因素,第七页，共一百一十二页。,膜的不对称性,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膜蛋白
5、与糖蛋白的不对称性 膜蛋白的不对称性是指每种膜蛋白分子在细胞膜上都 具有明确(mngqu)的方向性；糖蛋白糖残基均分布在质膜的ES面(GO+3HBH4 labeling)；膜蛋白的不对称性是生物膜完成复杂的在时间与空间上 有序的各种生理功能的保证。,第八页，共一百一十二页。,二、膜脂生物膜的基本(jbn)组成成分,成分：膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固 醇三种(sn zhn)类型。膜脂的种热运动方式 脂质体（liposome）,第九页，共一百一十二页。,膜脂成分(chng fn),磷脂：膜脂的基本成分（50以上）分为二类:甘油磷脂和鞘磷脂 主要(zhyo)特征：具有一个极性头和两个非极性的尾(脂肪
6、酸链)（心磷脂除外）；脂肪酸碳链碳原子为偶数,多数碳链由 16,18或20个组成；饱和脂肪酸(如软脂酸)及不饱和脂肪 酸(如油酸)；糖脂：糖脂普遍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；胆固醇：胆固醇存在于真核细胞膜上（30%以下），细菌质膜不含有胆固醇，但某些细菌的膜脂中含有甘油脂等中性脂类。,第十页，共一百一十二页。,运动(yndng)方式,沿膜平面的侧向运动（基本运动方式）,其扩散系数为10-8cm2/s；脂分子围绕(wiro)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，发生频率还不到脂分子侧向交换频率的1010。但在内质网膜上,新合成的磷脂分子翻转
7、运动发生频率很高。,第十一页，共一百一十二页。,脂质体（liposome）,脂质体是根据磷脂分子(fnz)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,第十二页，共一百一十二页。,脂质体的类型(lixng),(a)水溶液中的磷脂(ln zh)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,第十三页，共一百一十二页。,脂质体的应用(yngyng),研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质(xngzh)；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,第十四页，共一百一十二页。,三、膜蛋白,基本类型内在(nizi)膜
8、蛋白与膜脂结合的方式外在膜蛋白与膜脂结合的方式 去垢剂(detergent),第十五页，共一百一十二页。,外在(外周)膜蛋白(extrinsic/peripheral membrane proteins)；水溶性蛋白,靠离子键或其它弱键与膜内表 面的蛋白质分子或脂分子极性头部非共价结合，易分离。内在（整合）膜蛋白(intrinsic/integral membrane proteins)。水不溶性蛋白，形成跨膜螺旋，与膜结合紧密，需用去垢剂使膜崩解后才可分离。脂质锚定蛋白（lipid-anchored proteins)通过(tnggu)磷脂或脂肪酸锚定，共价结合。,基本(jbn)类型,第十六
9、页，共一百一十二页。,膜蛋白的跨膜结构域与脂双层分子的疏水核心的相互作用。跨膜结构域两端携带正电荷的氨基酸残基与磷脂分子带 负电的极性头形成离子键，或带负电的氨基酸残基通过 Ca2+、Mg2+等阳离子与带负电的磷脂极性头相互作用。某些(mu xi)膜蛋白在细胞质基质一侧的半胱氨酸残基上共价结 合脂肪酸分子,插入脂双层之间,进一步加强膜蛋白与脂 双层的结合力,还有少数蛋白与糖脂共价结合。,第十七页，共一百一十二页。,去垢剂是一端(ydun)亲水、另一端(ydun)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）SDS:CH3-(C
10、H2)11-OSO3-Na+CH3 CH3 CH3 C CH2 C(O-CH2-CH2)10-OH CH3 CH3,第十八页，共一百一十二页。,四、确定(qudng)膜蛋白方向的实验程序,胰酶消化(xiohu)法 同位素标记法,第十九页，共一百一十二页。,五、光脱色(tu s)恢复技术(fluorescence recovery after photobleaching,FRAP),研究膜蛋白或膜脂流动性的基本(jbn)实验技术之一。程序：根据荧光恢复的速度可推算出膜蛋白或膜脂扩散速度。,第二十页，共一百一十二页。,生物膜结构(jigu)的特征,膜的流动性：生物膜的基本特征之一,细胞进行生命(
11、shngmng)活动的必要条件。膜的不对称性 膜的分相现象。,第二十一页，共一百一十二页。,七、细胞质膜的功能(gngnng),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(jyu)不同功能的细胞表面特化结构。,第二十二页，共一百一十二页。,八、膜骨架与细胞表面(biomin)的特化结构,细胞质膜常常与膜下结构(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
12、结构以完成特定的功能(gngnng)。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,第二十三页，共一百一十二页。,红细胞质膜蛋白及膜骨架(gji),红细胞质膜蛋白的SDS-PAGE 红细胞膜骨架(gji)的结构,第二十四页，共一百一十二页。,一、细胞连接(linji)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(tn
13、gxn)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)。,第二十五页，共一百一十二页。,锚定(mo dn)连接(anchoring junctions),与中间(zhngjin)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),第二十六页，共一百一十二页。,二、封闭(fngb)连接,紧密连接是封闭连接
14、的主要形式，存在于上皮细胞之间紧密连接的结构 紧密连接的功能形成渗漏屏障，起重要的封闭作用；隔离作用，使游离端与基底面质膜上的膜蛋白行使(xngsh)各自不同的膜功能；支持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）,第二十七页，共一百一十二页。,三、锚定(mo dn)连接,锚定连接在组织(zzh)内分布很广泛,在上皮组织(zzh),心肌和子宫颈等组织(zzh)中含量尤为丰富锚定连接的类型、结构与功能锚定连接的结构组成,第二十八页，共一百一十二页。,锚定连接的类型(lixng)、结构与功能,与中间纤维相连
15、的锚定连接桥粒:铆接相邻细胞，提供细胞内中间纤维的锚定位点，形成整体网络，起支持和抵抗外界压力与张力的作用。半桥粒:半桥粒与桥粒形态类似,但功能和化学组成不同。它通过细胞质膜上的膜蛋白整合素将上皮细胞固着在基底膜上,在半桥粒中，中间纤维不是穿过而是终止于半桥粒的致密斑内。与肌动蛋白纤维相连的锚定连接 粘合带：位于紧密连接下方,相邻细胞间形成一个连续(linx)的带状结构。间隙约1520nm,也称带状桥粒(belt desmosome)。粘合斑:细胞通过肌动蛋白纤维和整连蛋白与细胞外基质之间的连接方式。,第二十九页，共一百一十二页。,锚定(mo dn)连接的结构组成,通过锚定连接将相邻细胞的骨架
16、系统或将细胞与基质相连形 成一个坚挺、有序的细胞群体。锚定连接具有两种不同形式:与中间纤维相连的锚定连接主要包括桥粒和半桥粒；与肌动蛋白纤维相连的锚定连接主要包括粘合带与粘合斑。构成锚定连接的蛋白(dnbi)可分成两类:细胞内附着蛋白(attachment proteins),将特定的细胞骨架成分(中间纤维或微丝)同连接复合体结合在一起(desmoplakin)跨膜连接的糖蛋白,其细胞内的部分与附着蛋白相连,细胞 外的部分与相邻细胞的跨膜连接糖蛋白相互作用或与胞外 基质相互作用。(desmoglein,desmocollin),第三十页，共一百一十二页。,四、通讯(tngxn)连接,间隙连接：分布广泛，几乎所有的动物 组织中都存在间隙连接。神经细胞间的化学突触 存在于可兴奋细胞之间的细胞连接方式,它通过释放(shfng)神经递质来传导神经冲动。胞间连丝：高等植物细胞之间通过胞间 连丝相互连接,完成细胞间的通讯联络。胞间连丝结构 胞间连丝的功能,第三十一页，共一百一十二页。,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(tioji)机制间隙连接的通透性是可以调节的,第