3细胞膜细胞表面

第二次课•第五章细胞膜•第一节细胞膜的化学组成和分子结构•第十一章细胞表面•第一节细胞外被与胞质溶胶•第二节细胞表面的特化结构第五章细胞膜第一节细胞膜的化学组成和分子结构细胞膜的化学组成•主要有脂类、蛋白质、糖类、水、无机盐和金属离子。一、膜脂膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇三种类型（一）磷脂：膜脂的基本成分（50％以上）分为二类:甘油磷脂和鞘磷脂①具有一个极性头和两个非极性的尾(脂肪酸链)（心磷脂除外）；②脂肪酸碳链碳原子为偶数,多数碳链由16,18或20个组成；③饱和脂肪酸(如软脂酸)及不饱和脂肪酸(如油酸)；PhospholipidsinplasmamembranesOPOOO-CH2CH2+NH3CH2HCH2COOCOCOOPOOO-CH2C+NH3CH2HCH2COOCOCOOPOOO-CH2CH2+NCH2HCH2COOCOCOCOO-HCH3CH3H3CR1R2R1R2R1R2POOO-CH2HCH2COOCOCOR1R2HOHOHHOHOHHHOHOHOHPEPSPCPIDiphosphatidylglycerol（心磷脂）OCHCOR2CH2CH2OCOR1OPOOOHCH2COHHCH2OPOOOHCH2CHOCOR4CH2OCOR3鞘磷脂•鞘磷脂（sphingomyelin，SM）在脑和神经细胞膜中特别丰富。以鞘胺醇（sphingoine）为骨架，与一条脂肪酸链组成疏水尾部，亲水头部也含胆碱与磷酸结合。原核细胞、植物中没有。•髓鞘的主要成分(二)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；糖脂是两性分子，其结构与鞘磷脂很相似，只是由一个或多个糖残基代替了磷脂酰胆碱而与鞘氨醇的羟基结合。Glycolipids（三）胆固醇•主要存在真核细胞膜上，含量一般不超过膜脂的1/3，植物细胞膜中含量较少，其功能是提高双脂层的力学稳定性，调节双脂层流动性，降低水溶性物质的通透性。•在缺少胆固醇培养基中，不能合成胆固醇的突变细胞株很快发生自溶。（四）脂质体（liposome）脂质体是根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双层膜的趋势而制备的人工膜。直径25~1000nm不等。脂质体可用于：研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质；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(a)水溶液中的磷脂分子团；(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二、膜蛋白基本类型外在(外周)膜蛋白(extrinsic/peripheralmembraneproteins)；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/integralmembraneproteins)。水不溶性蛋白，形成跨膜螺旋，与膜结合紧密，需用去垢剂（离子型去垢剂SDS，非离子型去垢剂Triton-X100）才能从膜上洗涤下来内在膜蛋白与膜脂结合的方式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。脂质锚定蛋白（lipid-anchoredproteins)共价锚定磷脂或脂肪酸，分为两类：•糖磷脂酰肌醇（GPI）连接的蛋白用磷脂酶C（能识别含肌醇的磷脂）处理细胞，能释放出结合的蛋白。许多细胞表面的受体、酶、细胞粘附分子和引起羊瘙痒病的PrPC都是这类蛋白。•另一类脂锚定蛋白与插入质膜内小叶的长碳氢链结合。①,②integralprotein；③,④lipid-anchoredprotein⑤,⑥peripheralprotein；一、片层结构模型J.Danielli&H.Davson1935发现质膜的表面张力比油－水界面的张力低得多，推测膜中含有蛋白质。提出了第一个模型——片层结构模型。蛋白质——磷脂——蛋白质蛋白质为球形蛋白细胞膜的分子结构模型二、单位膜模型J.D.Robertson1959用超薄切片技术显示细胞膜暗-明-暗三层结构，蛋白质——磷脂——蛋白质蛋白质为β－折叠三、流动镶嵌模型S.J.Singer&G.Nicolson1972根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果提出。四、脂筏模型（lipidraftsmodel）K.Simonsetal(1997):•富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域(称微区)。介于无序液体与液晶之间的动态结构。•在低温下为抗去垢剂膜（detergent-resistantmembranes）。•一个蛋白质停泊的平台，与膜的信号转导、蛋白质分选均有密切的关系1.脂质双层具有不同的脂筏结构，外层微区主要含有鞘磷脂、胆固醇及GPI-锚定蛋白；2.内层微区主要含许多酰化的蛋白质，特别是信号传导蛋白等。3.脂筏在膜内形成的平台，一方面使许多蛋白质聚集在脂筏内，便于相互作用；另一方面，提供了有利于蛋白质变构的环境，使蛋白质形成有效的构象4.脂筏不仅存在于细胞膜，而且也存在于高尔基体膜上。细胞膜的特性膜的流动性膜的不对称性一、膜的流动性（一）膜脂的流动性脂肪酸链越短,不饱和程度越高,膜脂的流动性越大。温度对膜脂的运动有明显的影响。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。膜脂的5种热运动方式烃链的旋转异构运动沿膜平面的侧向运动（基本运动方式）；脂分子围绕轴心的自旋运动；脂分子尾部的摆动；双层脂分子之间的翻转运动。（二）膜蛋白的流动主要有侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。荧光抗体免疫标记实验成斑现象(patching)或成帽现象(capping)荧光漂白恢复技术用荧光素标记膜蛋白，然后用激光束照射某区域，使其荧光淬灭变暗。但过一段时间，该区域的荧光强度又恢复了。（三）膜的流动性受多种因素影响1.脂肪酸链的长度和不饱和程度2.胆固醇与磷脂的比值3.卵磷脂与鞘磷脂的比值4.膜蛋白与膜脂分子的相互作用（四）膜流动性的生理意义•质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。•当膜的流动性低于一定的阈值时，许多酶的活动和跨膜运输将停止。•如果流动性过高，又会造成膜的溶解。二、膜的不对称性（一）糖脂仅存在于质膜的ES面，是完成其生理功能的结构基础脂质双分子层中，各层所含的磷脂种类有明显不同。（二）膜蛋白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的方向性；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。跨膜蛋白跨越脂质双分子层有一定方向性。糖蛋白糖残基均分布在质膜的ES面膜蛋白颗粒在内外两层中分布的不对称。（三）膜不对称性的生理意义•保证膜功能的方向性，使膜两侧具有不同功能。第十一章细胞表面•细胞表面（cellsurface）是一个复合的结构体系，细胞膜是细胞表面的主体结构，与质膜外侧的细胞外被和质膜内侧的胞质溶胶共同组成了细胞表面。•参与细胞形态的维持、细胞运动、细胞的物质交换等功能一、细胞外被•动物细胞表面的一层富含糖类物质的结构，称为细胞外被或糖萼。往往与膜蛋白或膜脂共价结合。•细胞外被寡糖链糖基的种类、数目、排列顺序和结合部位的差异所表现出的多态性，是细胞识别、黏着、信号接收、通讯、免疫应答等的分子基础。Simplifieddiagramofthecellcoat(glycocalyx)1.保护作用•消化道、呼吸道和生殖道腔面上皮细胞的细胞外被能分泌大量黏液，起润滑作用，也具有阻止病原体入侵的作用。2．细胞识别和细胞粘连•细胞识别(cellrecognition)是指细胞与细胞之间或细胞与大分子之间，通过受体与配体、抗原与抗体的相互作用所产生的相互辨认和鉴别，具有组织特异性。•细胞外被的寡糖链糖基的排列顺序构成细胞表面的“密码”，相当于细胞的“指纹”，是细胞识别的分子基础；细胞表面存在寡糖的专一性受体，对相应序列的寡糖链具有识别作用。因此，细胞识别的实质是分子识别。Threemechanismsbywhichcell-surfacemoleculescanmediatecell-celladhesion.thatdependsonanextracellularlinkermoleculeseemstobeleastcommon.•细胞黏附(celladhesion)•同种细胞之间、异种细胞之间或细胞与基质大分子之间相互识别后，在细胞黏附因子(celladhesionmolecule，CAM)介导下产生细胞黏着,CAM富含唾液酸，黏着力强。•黏着是同种细胞形成组织、器官的基础。实验证明•Townes和Holtfreter（1955）把两栖类动物的原肠胚3个胚层的细胞分散后，混合培养，结果3个胚层的细胞均自行分类聚集，分别参加其来源胚层的组建。如果将鸡胚细胞和小鼠胚细胞分散后相混培养，各种细胞仍按来源组织分别聚集，但相聚细胞只具有组织的专一性，而没有物种的分辨能力。3．决定血型•细胞膜抗原多为细胞表面的糖蛋白或糖脂。•不同血型的差别实质是红细胞膜抗原的不同，红细胞膜上糖蛋白或糖脂的糖基差异决定了血型的不同。•ABO4种血型抗原的寡糖链基本结构相同，即具有相同的H抗原；寡糖链末端的糖基不同，A型者为N-乙酰半乳糖，构成A抗原；B型者为半乳糖，构成B抗原；AB型者两种糖基都有，形成AB抗原；O型者两种糖基均无，仅有H抗原。4．抑制增殖•在体外细胞培养时，正常细胞生长分裂达到一定密度、细胞密切接触时，即停止生长，称为接触抑制。•接触抑制的机制与细胞表面寡糖链相互接触所导致的细胞表面被封闭，继而抑制细胞间物质和信息传递密切相关。二、膜下溶胶层（膜骨架）•膜骨架是质膜下纤维蛋白组成的网架结构；位于细胞质膜下约0.2μm厚的溶胶层。•作用：维持质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。•成熟的动物血红细胞是研究膜骨架的理想材料■没有细胞核、细胞器和内膜系统；质膜是唯一的膜结构；■行程∶500,000米,要多次穿过小于自身直径一半的微小通道（微血管、动脉、静脉）;又要经过心脏内瓣膜涡流冲击，■要在脾脏内经受少氧、低pH值的不利条件;但始终保持结构的完整。骨架系统赋与了红细胞质膜的刚性与韧性•红细胞经低渗处理，细胞破裂释放出内容物，留下一个保持原形的空壳，称为血影（ghost）。成分主要有：•血影蛋白：由结构相似的α链、β链组成一个异二聚体，两个二聚体头与头相接连形成一四聚体。•锚蛋白：与血影蛋白和带3蛋白相连，将血影蛋白网络连接到质膜上。•带三蛋白：是阴离子载体，通过交换Cl－，使HCO－3进入红细胞。为二聚体。每个单体含929个氨基酸，穿膜12次。•血型糖蛋白：单次跨膜糖蛋白，与带4.1蛋白相连血影蛋白四聚物锚蛋白血型糖蛋白•是细胞表面伸出的细长突起，广泛存在于动物细胞表面。•直径约为0.1μm。内芯由肌动蛋白丝束组成。肌动蛋白丝之间由许多微绒毛蛋白（villin）和丝束蛋白（fimbrin）组成的横桥相连。•作用：扩大了细胞的表面积，有利于细胞同外环境的物质交换。如小肠上微绒毛，使细胞表面积扩大了30倍。三、质膜的特化结构（一）微绒毛microvilli小鼠肾曲管上皮细胞微绒毛，冰冻蚀刻•SEMimageofalveolar(Lung)macrophageattackingE.coli.（二）皱褶（ruffle）细胞表面的扁形突起，也称为片足（lamellipodia）。在巨噬细胞的表面上，普遍存在着皱褶结构，与吞噬颗粒物质有关。Infolding（三）内褶内褶（infolding）是质膜由细胞表面内陷形成的结构，以相反的方式扩大了细胞的表面积。这种结构常见于液体和离子交换活动比较旺盛的细胞。（四）纤毛和鞭毛•纤毛（cilia）和鞭毛（flagella）是细胞表面伸出的条状运动装置。二者在发生和