最新第四章 细胞膜与细胞表面PPT文档.ppt

学习的目的,1、掌握细胞膜的分子组成及结构模型；2、了解细胞膜骨架及其它表面特化结构；3、掌握细胞外基质的主要成分及其特点；4、掌握细胞表面的主要粘着因子；5、掌握细胞连接的主要类型及其特点；,第一节 细胞膜与细胞表面特化结构,细胞膜（cell membrane）又称质膜(Plasma membrane)，是区分细胞内部与周围环境的动态屏障，也是细胞物质交换和信息传递的通道。细胞质膜及其两侧,主要是外侧的附属物合起来称为细胞表面，它是一种具有许多生命功能的界面,与细胞的许多生命活动有关,一、质膜的化学组成,主要由膜脂和膜蛋白组成，另有少量糖，以糖脂和糖蛋白形式存在。膜脂是膜的基本骨架，膜蛋白是膜功能的主要体现者。,（一）膜脂,主要有磷脂、鞘磷脂、糖脂和胆固醇。1、磷脂：是构成膜脂的基本成分，占总膜脂50以上。结构：以甘油为骨架，结合2个脂肪酸链和1个磷酸基团，磷酸基团上再连接胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇等。特点：具1个极性头和2个非极性的尾。,线粒体内膜和某些细菌质膜上的心磷脂具3个非极性区。,磷脂的脂肪酸碳链,多为偶数，由16，18或20个碳原子组成。常含不饱和脂肪酸，并多为顺式，顺式不饱和脂肪酸在烃链中产生30度的弯曲。,2、鞘磷脂,以鞘胺醇为骨架，与1条脂肪酸链组成尾部，头部也与磷酸结合。脑和神经细胞富含鞘磷脂，原核细胞和植物无鞘磷脂。,鞘磷脂,3、糖脂,是含糖而不含磷酸的脂类，普遍存在于原核和真核细胞的质膜上，约占总膜脂的5，神经细胞膜约占5-10。也是两性分子。结构与鞘磷脂相似，只是由一个或多个糖残基代替了磷脂酰胆碱。,最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂，只有一个半乳糖残基作极性头部；变化最多、最复杂的糖脂是神经节苷脂，头部包含一个或几个唾液酸和糖的残基。,糖脂的结构：1.半乳糖脑苷脂，2.GM1神经节苷脂，3.唾液酸,神经节苷脂是神经元质膜中具特征性成分。家族性白痴病患者就是细胞内缺乏氨基己糖脂酶，不能将神经节苷脂GM2 加工成GM3，GM2累积在神经细胞中，使中枢神经系统退化。,人的ABO血型也是由糖脂所决定,4、胆固醇,仅存在真核细胞膜上，动物细胞膜上含量高，植物细胞中含量少。分子结构：分3部分，羟基作极性头部，非极性的类固醇环和一个碳氢链尾。特点：分子较其它膜脂小，双亲性低,胆固醇,功能：提高脂双层稳定性，调节脂双层流动性，降低水溶性物质的通透性。在无胆固醇培养基中，不能合成胆固醇的突变细胞株很快发生自溶。,5、脂质体（liposome）,一种人工膜。在水面，磷脂分子亲水头部插入水中，疏水尾部伸向空气，搅动后形成双层脂分子的球形脂质体。可用于转基因，或制备的药物，利用脂质体可以和细胞膜融合的特点，将药物送入细胞内部。,脂质体,（二）膜蛋白,依与脂分子的结合方式，可分为：1、整合蛋白(integral protein)2、外周蛋白(peripheral protein)3、脂锚定蛋白(lipid-anchored protein)。,、整合蛋白；、脂锚定蛋白；、外周蛋白,1、整合蛋白(integral protein),多为跨膜蛋白（transmembrane proteins），两性分子，疏水部分位于脂双层内部，亲水部分位于脂双层外部。整合蛋白可以是单次跨膜、多次跨膜、多亚基跨膜等，一般含25-50%的螺旋。,典型的单次跨膜蛋白：跨膜区域是右手a螺旋，二硫键和寡聚糖链都在非细胞质面。而在细胞质面，由于细胞内还原性环境，不形成二硫键。,形成亲水通道的整合蛋白跨膜区域有两种组成形式：一、由多个两性螺旋组成亲水通道：人红细胞膜上的带3蛋白。二、由两性折叠组成亲水通道：线粒体内膜上的孔蛋白。,整合蛋白的分离,由于有疏水结构域，整合蛋白与膜的结合非常紧密，只有用去垢剂(detergent)才能从膜上洗涤下来，常用的有：（1）离子型去垢剂SDS；（2）非离子型去垢剂Triton-X100。,阴离子去垢剂十二烷基磺酸钠(SDS)和非离子型去垢剂Triton X-100 的结构,Solubilizing membrane proteins with a mild detergent.The detergent disrupts the lipid bilayer and brings the proteins into solution as protein-lipid-detergent complexes.The phospholipids in the membrane are also solubilized by the detergent.,2、外周蛋白,靠离子键或其它较弱的键与膜表面的蛋白质或脂的亲水部分结合，改变溶液离子强度或提高温度可从膜上分离。整合蛋白和外周蛋白有时难区分，部分蛋白质由多亚基构成，有的亚基为跨膜蛋白，有的则是外周蛋白。,3、脂锚定蛋白（lipid-anchored protein）,（1）是糖磷脂酰肌醇(GPI)连接的蛋白，GPI位于细胞膜的外小页。许多细胞表面的受体、酶、细胞粘着分子和引起羊瘙痒病的PrPC属这类蛋白。（2）与插入质膜内小页的长碳氢链结合，如三聚体GTP结合调节蛋白的 和亚基。,二、膜的结构模型及特点,(一)结构模型 有关膜结构的研究开始于19世纪末，1890年，Overton提出了脂肪栅膜结构；1925年，Gorter等根据Langmuir利用水盘展脂单层的技术，提出了脂双层结构；直到1935年才认识到膜蛋白的存在，并提出了膜脂和膜蛋白结构模型,1、片层结构模型,1935，Danielli 等通过测定甘油三酯在水中的表面张力，并与细胞表面张力相比较，提出了双分子片层模型或三明治模型。要点：（1）膜骨架为脂双层；（2）脂双层内外都有一层极薄的蛋白；（3）蛋白质为非折叠的完全伸展的肽链；（4）膜上有孔，表面也为蛋白质覆盖。,2、单位膜结构模型,1959年，Robertson通过电镜观察，发现细胞膜类似铁轨，呈暗-明-暗结构。总厚度7.5nm，中间层3.5nm，内外两层各2nm，并推测暗层为蛋白质，透明层为脂，并建议将这种结构称为单位膜。要点：（1）蛋白质为单层折叠片状，多为糖蛋白；（2）膜两侧蛋白质分布不对称。,3、流动镶嵌模型,1966年，Singer和Nicolson提出。要点：（1）蛋白质不是伸展的片层，而是以折叠的球形镶嵌在脂双层中，呈不对称分布；（2）膜具有一定的流动性，不是封闭的板块结构，以适应细胞各种功能的需要。,(二)膜的不对称性,1、膜脂的不对称性：是指在膜的两侧各类脂的含量不同。糖脂的分布呈完全不对称，只分布于膜的外小页。,哺乳动物细胞质膜中存在的四种主要磷脂.其中三种是甘油的衍生物，另一种是鞘氨醇的衍生物。黄色是磷酯酰乙醇胺，绿色是磷酯酰丝氨酸，红色是磷酯酰胆碱，棕色是鞘磷脂。,人红血细胞脂双层中磷脂和糖脂的不对称分布：黄色：磷酯酰乙醇胺，绿色：磷酯酰丝氨酸，红色：磷酯酰胆碱，棕色：鞘磷脂。兰色的六角形：糖脂。胆固醇一般认为在脂双层中均等分布。,2、膜蛋白的不对称性,膜蛋白的分布是绝对不对称的，一方面，在膜内外两侧，蛋白分布的数量不一样，同时，每种膜蛋白在膜内都有特定的排布方向。,（三）膜的流动性,1、膜流动性的表现形式A、膜脂的运动 脂的流动是造成膜流动的主要原因，膜脂的运动主要有3种方式：（1）侧向扩散（lateral diffusion）（2）旋转（rotation）（3）翻转扩散（transverse diffusion）,B、膜蛋白的运动,（1）随机移动：在整个膜上随机移动；（2）定向移动：从膜的一端向另一端定向移动；（3）局部扩散：在局部位置作旋转扩散和侧向扩散。,2、膜流动性的研究方法,（1）人鼠细胞融合实验,（2）荧光漂白恢复技术(FRAP),（3）细胞的成斑成帽反应,3、影响膜流动性的因素,A、影响膜脂流动的因素：（1）温度：影响膜脂的相变；（2）脂肪链的长度；（3）脂肪酸的饱和度；（4）胆固醇含量。,Influence of cis-double bonds in hydrocarbon chains.The double bonds make it more difficult to pack the chains together and therefore make the lipid bilayer more difficult to freeze.,B、限制蛋白质运动的因素,（1）质膜下的细胞骨架与膜蛋白结合限制蛋白质的移动；（2）细胞外基质的成分与膜蛋白结合限制了膜蛋白的移动；（3）细胞间的蛋白质相互作用限制了蛋白质移动；,限制细胞膜中蛋白质侧向运动的四种方式：（A）蛋白质自身能够组成大的聚合物；（B）蛋白质与细胞外的大分子物质结合；（C）蛋白质与细胞骨架结合；（D）蛋白质同相邻细胞上的蛋白质结合。,细胞连接也限制蛋白质的流动,三、细胞膜的功能,1.界膜与渗透屏障。2.使细胞内区室化及功能定位。3.为物质运输提供通道，并进行调节。4.含细胞外信号受体，并进行信号转导。5.参与细胞间的相互作用。,四、膜骨架与细胞表面特化结构,细胞表面的特化结构主要包括：膜骨架、鞭毛和纤毛、微绒毛及细胞的变形足等等，分别与细胞形态的维持、细胞运动、细胞的物质交换等功能有关。,（一）膜骨架,人红血细胞是研究膜结构和膜骨架理想材料,1、红细胞血影,红细胞分离低渗溶液红细胞吸水膨胀红细胞破裂内容物流出质膜重排封闭没有任何内容物的红细胞（血影）,2、红细胞的特性,寿命120d，一生行程500km，并要穿过直径小于自身直径一半的脾窦，经受各种瓣膜涡流的冲击。,3、红细胞膜骨架,红细胞质膜内侧一种特殊结构，是由膜蛋白与纤维蛋白组成的网架结构。,4、红细胞膜蛋白与膜骨架,SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳分析：红细胞膜中约有15种蛋白质，参与膜骨架形成的蛋白有：（1）血影蛋白（spectrin）；（2）血型糖蛋白 A（glycophorin A）；（3）带3蛋白（band 3 protein）；（4）锚定蛋白（ankyrin）；（5）带4.1蛋白；（6）肌动蛋白（actin）；,血影蛋白是膜骨架的基本成分，在红细胞膜中是以四聚体形式存在，每个四聚体又是由两个二聚体组成，每个二聚体进一步又是由两条反向平行的a链 and b链组成。b链上的磷酸基团是二聚体相互结合组成四聚体的部位。,5、膜骨架的形成,分三步：（1）四聚体血影蛋白在带4.1蛋白的帮助下与肌动蛋白寡聚体结合组成膜骨架的基本网络；（2）带4.1蛋白以静电稳定地同血型蛋白结合；（3）锚定蛋白与带3蛋白及血影蛋白相互作用，将骨架蛋白锚定在质膜上。,（二）微绒毛（microvilli）,动物细胞表面伸出的细长指状突起，直径约0.1m。长度因细胞不同。微绒毛的内芯由肌动蛋白丝束组成，蛋白丝间由微绒毛蛋白和丝束蛋白横桥相连。肌动蛋白丝束与质膜间有侧臂(含myosin I和钙调蛋白)相连，将肌动蛋白丝束固定。,微绒毛的存在扩大了细胞的表面积，有利于细胞同外环境的物质交换。小肠上的微绒毛，使细胞的表面积扩大了30倍，大大有利于大量吸收营养物质。,糖萼与微绒毛,（三）皱褶,某些细胞表面的扁形突起，称皱褶或片足。皱褶形态上不同于微绒毛，宽而扁，高几微米。巨噬细胞表面普遍存在这种结构，与吞噬颗粒物质有关。,巨噬细胞表面的皱褶,（四）内褶,是质膜由细胞表面内陷形成的结构，同样具有扩大了细胞表面积的作用。常见于液体和离子交换活动比较旺盛的细胞。,内褶,(五)纤毛(cilium)和鞭毛(flagellium),在发生和结构上并没有差别，都来源于中心粒，均由9+2微管构成。有的细胞靠纤毛(草履虫)或鞭毛(精子)在液体中穿行；有的细胞（动物上皮细胞）纤毛的摆动是推动物质越过细胞表面，进行物质运送。,昆虫精子鞭毛横切（9+2微管结构）,第二节 细胞外被与细胞外基质,细胞外被（cell coat），又称糖萼（glycocalyx）或糖被，曾用以指细胞质膜外的一层粘多糖物质，但外被中的糖都与蛋白质或脂组成糖蛋白或糖脂，是细胞膜的正常结构部分。,糖被,细胞外基质（extracellular matrix，ECM）,是存在于细胞外的、由细胞自身分泌的大分子物质构成的网络结构。细胞外基质将细胞粘连在一起形成组织，同时形成一个巨大的细胞外网架结构，在组织内起支撑作用；并通过信号转导系统影响细胞的形状、代谢、功能、迁移、增殖和分化。,细胞外基质的大分子物质种类繁多，大致可分四类：（1）胶原；（2）非胶原糖蛋白：纤连蛋白和层粘连蛋白（3）糖氨聚糖与蛋白聚糖；（4）弹性蛋白,细胞外基质的成分,细胞外基质主要成分形状、大小的比较.绿色为蛋白质；红色为糖胺聚糖。,一、胶原（collagen）,是动物体内含量最丰富的蛋白质，约占人体蛋白质总量的30以上。遍布体内各种组织，是细胞外基质中最重要的水不溶性纤维，是细胞外基质的骨架。可由成纤维细胞、软骨细胞、成骨细胞及某些上皮细胞合成并分泌到细胞外。,成纤维细胞周围的胶原纤维,1、种类和结构,已发现的胶原有20余种，由不同基因编码，具不同的化学结构及免疫学特性。、及型胶原为有横纹的纤维形。胶原的基本结构是原胶原，原胶原是由三条肽链形成三股螺旋。,胶原的结构（左模式图，右电镜照片）,型胶原的原胶原由二条1链及一条2链构成。每条链均含重复的Gly-X-Y序列。X常为Pro（脯氨酸），Y常为羟脯氨酸或羟赖氨酸残基。重复的Gly-X-Y序列使链卷曲为左手螺旋，每圈含3个氨基酸残基。三股这样的螺旋再相互盘绕成右手超螺旋，即原胶原。,典型胶原分子的结构.(A)胶原氨基酸链的模型，每个球代表一个氨基酸。链中含约1000个氨基酸，并呈左手螺旋排列，每个螺旋包括3个氨基酸残基，并且3个氨基酸中含1个甘氨酸。所以胶原的氨基酸序列是由重复的 Gly-X-Y 序列构成。X通常为脯氨酸，Y通常为羟脯氨酸。(B)胶原分子的模型，图示胶原是由3条a链相互缠绕形成的3股螺旋。,2、胶原的合成与装配,胶原蛋白先在RER上合成，称前链，其两端各具一段不含Gly-X-Y序列的前肽。3条前链的C端前肽借二硫键形成链间交联，使3条前链“对齐”排列。再从C端向N端形成三股螺旋结构。前肽部分呈非螺旋卷曲。带前肽的三股螺旋分子称原胶原(procollagen)。,前链在形成三股螺旋前，脯氨酸及赖氨酸残基需进行羟基化修饰。脯氨酸的羟化需脯氨酰-4羟化酶及脯氨酰-3羟化酶催化。Vc是两种酶的辅助因子。Vc缺乏使脯氨酸不能羟化，不能形成原胶原，致非羟化的前链降解。膳食中缺乏维生素C可导致血管、肌腱、皮肤变脆，易出血，称坏血病。,原胶原在高尔基体被修饰后以膜泡形式分泌到细胞外。在细胞外，原胶原被两种专一性的水解酶切除N端和C端前肽，再通过侧向共价交联，相互呈阶梯式排列，聚合成胶原纤维。胶原纤维中的交联键是由侧向相邻的赖氨酸或羟赖氨酸残基氧化后所产生的两个醛基间进行缩合而形成的。,The cross-links are formed in several steps.First,certain lysine and hydroxylysine residues are deaminated by the extracellular enzyme lysyl oxidase to yield highly reactive aldehyde groups.The aldehydes then react spontaneously to form covalent bonds with each other or with other lysine or hydroxylysine residues.Most of the cross-links form between the short nonhelical segments at each end of the collagen molecules.,由原胶原装配成原纤维时，原胶原蛋白呈1/4交替平行排列，一个原胶原分子的头部与下一个原胶原分子的尾部有一个小的间隔。电镜下可见67nm的横纹。,由于成熟胶原的肽链不含前肽，不能再“对齐”排列，胶原变性后不能自然复性重新形成三股螺旋。,原胶原是可溶性蛋白，经共价交联后成为具有抗张强度的不溶性胶原。胚胎及新生儿的胶原因缺乏分子间的交联而易于抽提。随年龄增长，交联日益增多，皮肤、血管及各种组织变得僵硬，成为老化的一个重要特征。,3、胶原的分布与功能,型胶原分布最广泛，存在于皮肤、肌腱、韧带和骨中，常形成粗的纤维束，具很强的抗张强度。型胶原主要存在于软骨中；型胶原形成微细的纤维网，广泛分布于伸展性强的组织（结缔组织）；型胶原形成二维网格样的结构，是基膜的主要成分和支架。,二、糖胺聚糖与蛋白聚糖,1糖胺聚糖（glycosaminoglycan，GAG）GAG是由重复二糖单位构成的无分枝长链多糖。二糖单位常由氨基已糖（氨基葡萄糖或氨基半乳糖）和糖醛酸组成。硫酸角质素中糖醛酸由半乳糖代替。糖胺聚糖依糖基的组成、连接方式、硫酸化程度及位置可分6种：透明质酸、硫酸软骨素、硫酸皮肤素、硫酸乙酰肝素、肝素、硫酸角质素。,左，蛋白聚糖；中蛋白聚糖多聚体；右，糖胺聚糖,透明质酸（hyaluronic acid，HA）,是唯一不发生硫酸化的氨基聚糖。在胚胎发育中起有重要作用。分子全部由葡萄糖醛酸及乙酰氨基葡萄糖二糖单位重复构成。糖链长，可含10万个糖基。HA分子表面有大量带负电荷的亲水性基团，可结合大量水分子，能形成粘稠的胶体，占据很大的空间，产生膨胀压。,HA也是唯一能以游离形式存在的糖胺聚糖，其他糖胺聚糖均与核心蛋白质共价结合构成蛋白聚糖。,2蛋白聚糖（proteoglycan）,是糖胺聚糖(除透明质酸)与核心蛋白质上的丝氨酸残基共价结合形成的大分子物质。一个核心蛋白质分子上可以连接1至100个以上GAG链。所连接的GAG链可以是同种也可以是不同种。,核心蛋白质的丝氨酸残基(常有Ser-Gly-X-Gly序列)装配上糖胺聚糖(GAG)链是高尔基复合体中进行。其糖基化过程：通过逐个转移糖基，首先合成由四糖组成的连接桥(Xyl-Gal-Gal-GlcUA)，然后再延长糖链，并对所合成的重复二糖单位进行硫酸化及差向异构化修饰。,蛋白聚糖中的GAG与核心蛋白间的连接。四个糖组成的序列先连接在丝氨酸上，然后 GAG链的其它部分被合成，一次添加一个糖基。,许多蛋白聚糖单体常以非共价键与HA形成多聚体。在这种蛋白聚糖多聚体种，HA作为一个长轴，将蛋白聚糖连接在一起，形成更大更复杂的蛋白聚糖复合体。,蛋白聚糖的功能：（1）因带负电荷，能结合大量阳离子，形成水合层，进而形成胶状物，使组织具较大可塑性和抗挤压能力。（2）透明质酸能游离形式存在，起润滑作用。（3）蛋白聚糖多聚体能与胶原结合形成网络；（4）可作为细胞粘着的位点，在胚胎发育中对细胞的移动具作用。,二、纤连蛋白和层粘连蛋白,1、纤连蛋白(fibronectin，FN)：是一种大型的糖蛋白，存在于所有脊椎动物，分子含糖4.59.5，糖链结构依组织细胞来源及分化状态而异。,FN以可溶形式存在于血浆及各种体液中，称血浆FN；以不溶形式存在于细胞外基质及细胞表面，称细胞FN。各种FN均由相似的亚基(220KD)组成，是同一基因编码的产物。血浆FN(450KD)由二条相似的肽链在C端以二硫键联成V字形二聚体；细胞FN为多聚体。,FN的每个亚基都是由若干个结构域组成，结构域之间由对胰蛋白酶敏感的肽链连接。有些结构域能与其它ECM（如胶原、蛋白聚糖）结合，使细胞外基质形成网络；有些能与细胞表面受体结合，使细胞粘着在ECM上。,FN将细胞连接到细胞外基质上,FN肽链中的一些短肽序列为细胞表面的各种FN受体识别与结合的最小结构单位。在肽链中央的与细胞相结合的模块中存在RGD（Arg-Gly-Asp）序列，为与细胞表面某些整合素受体识别与结合的部位。化学合成的RGD三肽可抑制细胞在FN基质上粘附。,FN的结构模型,FN的功能,介导细胞粘着促进细胞迁移,三、层粘连蛋白（laminin，LN）,LN也是一种大型糖蛋白，与型胶原一起构成基膜，是胚胎发育中最早出现的细胞外基质成分。LN由一条重链（）和二条轻链（、）以二硫键交联而成，外形呈十字形，三条短臂都由肽链的N端序列构成。每条短臂包括二个球区及二个短杆区，长臂也由杆区及球区构成。,LN的结构模型,LN分子中至少存在8个与细胞结合的位点。如，在长臂靠近球区的链上有IKVAV五肽序列可与神经细胞结合。鼠LN1链上的RGD序列，可与v3整合素结合。已发现7种LN分子，8种亚单位（1，2，3，1，2，3，1，2），分别由8个基因编码。,LN是含糖量很高（15-28）的糖蛋白，具50条左右N连接的糖链，是糖链结构最复杂的糖蛋白，且LN的多种受体是识别与结合其糖链结构的。,LN的功能,（1）在基膜的组装中起重要作用；（2）使细胞固定在基膜上；（3）在胚胎发育中起作用,四、弹性蛋白（elastin）,弹性蛋白由二种类型短肽段交替排列构成。一是疏水短肽，赋予分子以弹性；另一为富含丙氨酸及赖氨酸残基的螺旋，负责在相邻分子间形成交联。,弹性蛋白结构模型,弹性蛋白的氨基酸组成似胶原，富于甘氨酸及脯氨酸，但少含羟脯氨酸，不含羟赖氨酸，没有Gly-X-Y序列，不形成规则的三股螺旋结构。弹性蛋白分子间的交联比胶原更复杂。通过赖氨酸残基参与的交联形成富于弹性的网状结构,弹性纤维主要存在于脉管壁及肺，在其它组织中也存在。弹性纤维与胶原纤维共同存在，分别赋予组织以弹性及抗张性。老年组织中弹性蛋白的生成减少，降解增强，以致组织失去弹性。,狗的动脉血管扫描电镜照片：示弹性纤维网络.,Elastin,五、基膜（basal lamina）,是一种复合的细胞外结构，通常位于上皮和内皮细胞的基底面，是细胞外基质特化的区域。在肌肉、脂肪和施旺细胞（schwann cell）表面也存在。,基膜是由不同的蛋白纤维组成的网状结构，主要成分为LN和型胶原，还有巢蛋白（entactin）、基底膜蛋白（perlecan）、装饰蛋白（decorin）等。其中，LN与巢蛋白（entactin）形成1:1紧密结合的复合物，通过巢蛋白与型胶原结合。,基膜的结构,基膜的功能,（1）对组织起支撑作用；（2）作为渗透性屏障；（3）决定细胞的极性，影响细胞的迁移。,六、植物的细胞外结构：细胞壁,细胞壁对于植物的形态具有决定性作用。作用：（1）提供机械强度；（2）使细胞免受渗透和机械伤害；（3）免受病虫害。,1、细胞壁的化学组成,1）纤维素(cellulose):由葡萄糖构成的多聚体；2）半纤维素(hemicellulose):由几种单糖构成的异质多聚体；3）果胶(pectin):由半乳糖醛酸和它的衍生物组成的异质多聚体。4）木质素(lignin):由聚合的芳香醇构成。5）糖蛋白(glycoprotein):伸展蛋白（extensin）,2、初生壁（primary cell wall）,是细胞生长期形成的。主要由纤维素、半纤维素、果胶和糖蛋白组成；初生壁中果胶含量较高，结构较松散，有利于细胞壁进一步扩展。,初生壁的结构模型：显示两种主要的多糖网络。呈相互垂直排列的纤维素微纤维（绿色）通过半纤维素（红色）的氢键胶连成网络。这个网络与果胶网络（兰色）交织在一起。纤维素和半纤维素赋予细胞壁以延展性，果胶网络赋予细胞壁抗压能力。初生壁中，纤维素、半纤维素和果胶的含量几乎相等，中层则富含果胶，将细胞粘合在一起。,3、次生壁（secondary cell wall）,是细胞停止生长后分泌形成的。主要成分是纤维素和木质素，不含果胶。结构紧凑、坚硬。,第三节 细胞识别与粘着,细胞识别（cell recognition）是指细胞对同种或异种，同源或异源细胞，以及对自己或异己分子的认识和鉴别。细胞粘着（cell adhesion）是指相邻细胞或细胞与细胞外基质以某种方式粘合在一起，组成组织或与其他组织分开。,从次序上讲，细胞识别在先，细胞粘着在后，识别是粘着的基础。在粘着的基础上，细胞再通过各种连接方式，将细胞紧密地连接在一起，形成各种组织。,一、细胞识别和粘着的机制,细胞识别主要是糖的作用，特别是糖被在细胞识别中起的重要作用。糖被中的糖链虽然很短，但由于其结合方式的多种多样，能形成大量不同的识别基团。引起细胞粘着的主要是膜蛋白，将参与细胞粘着的分子称为细胞粘着分子。,二、细胞粘着分子（cell adhesion molecule，CAM）,是参与细胞与细胞间及细胞与细胞外基质间粘着的分子。细胞粘着分子都是跨膜糖蛋白，结构由3部分组成：1、胞外区，肽链的N端，带糖链，负责与配体识别；2、跨膜区，多为一次跨膜；3、胞质区，肽链C端，与细胞骨架相连。,细胞粘着因子的作用机制有三种模式：（1）两相邻细胞表面的同种CAM分子间的相互识别与结合（亲同性粘着）；（2）两相邻细胞表面的互补CAM分子间的相互识别与结合（亲异性粘着）；（3）两相邻细胞表面的相同CAM分子借细胞外的连接分子相互识别与结合。,细胞粘着分子的作用方式,可分为五类：（1）钙粘素；（2）选择素（selectin）；（3）免疫球蛋白超家族（Ig-superfamily）；（4）整联蛋白；（5）透明质酸粘素。,一、钙粘素（cadherin）,钙粘素属亲同性CAM，其作用依赖于Ca2。对胚胎发育中的细胞识别、迁移、组织分化及成体组织器官的形成具重要作用。,已鉴定出30种以上钙粘素，分布于不同的组织。研究较清楚的有：（1）E-钙粘素（存在于表皮）；（2）N-钙粘素（神经）；（3）P-钙粘素（胎盘）。,典型的钙粘素分子结构图：细胞外部分折叠成5个相似的结构域，其中3个含Ca2+-结合位点。离质膜最远的结构域介导细胞与细胞粘着。在这个结构域中的His-Ala-Val序列与介导作用有关。细胞质区域通过大量的附着蛋白与肌动蛋白纤维相连，这些附着蛋白包括3个连锁蛋白（catenin）和一个目前尚不知特性的蛋白。,钙粘素的作用,1、介导细胞连接：介导上皮细胞相互粘着，是粘合带的主要成分，桥粒中也有钙粘素。2、参与细胞分化：对胚胎细胞的分化及成体组织（上皮及神经）构筑有重要作用。3、抑制细胞迁移：癌细胞表面E钙粘素减少，致癌细胞易从瘤块脱落，侵袭与转移。,钙粘素介导细胞粘着的模式图,二、选择素（selectin）,选择素属亲异性CAM，其作用依赖于Ca2。主要参与白细胞与脉管内皮细胞之间的识别与粘合。,选择素的胞外区由三个结构域构成：（1）N端的C型凝集素结构域；（2）EGF样结构域；（3）重复次数不同的补体结合蛋白结构域；通过凝集素结构域来识别糖蛋白及糖脂分子上的糖配体。,选择素结构模型,炎症部位，嗜中性白细胞上的寡聚糖与内皮细胞上的选择素相互作用，并暂时粘着在内皮细胞上。(A)P-selectin的凝集素结构域与特定的寡聚糖结合。(B)与选择素结合的寡聚糖结构：GlcNAc=N-乙酰葡萄糖胺；NANA=唾液酸。,Selectin,已知选择素有三种类型：L-选择素、E-选择素及P-选择素。E选择素及P选择素所识别与结合的糖为唾液酸化及岩藻糖化的N-乙酰氨基乳糖结构（sLeX及sLeA）。sLeA结构存在于白细胞表面。多种肿瘤细胞表面也有sLeX及sLeA结构。,P-选择素存在于血小板及内皮细胞。炎症时，活化的内皮细胞表面首先出现P-选择素，随后出现E-选择素。炎症组织释放的白细胞介素I（IL-1）及肿瘤坏死因子（TNF）等可活化脉管内皮细胞，刺激E选择素的合成。,L-选择素存在于各种白细胞表面，参与炎症部位白细胞出脉管过程。白细胞表面的L-选择素，与活化内皮细胞表面的P-及E-选择素识别与结合，召集血液中的白细胞在炎症部位的脉管内皮上粘附，最后穿过血管进入炎症部位。,三、免疫球蛋白超家族（Ig-superfamily，Ig-SF）,免疫球蛋白超家族的分子中都含类似免疫球蛋白（Ig）结构域，作用不依赖于Ca2。了解最多的是NCAMs，它们在神经细胞粘着中起主要作用。,NCAM,除免疫球蛋白结构域外，还有T细胞受体，B细胞受体，及细胞粘着因子等。有的是亲同性CAM：神经细胞粘着因子(NCAM)及血小板-内皮细胞粘着因子(Pe-CAM)；有的是亲异性CAM，如细胞间粘着分子(I-CAM)及脉管粘着分子(V-CAM)等。I-CAM及V-CAM的配体是整合素。,Ig-SF介导的亲同性粘着,四、整联蛋白（integrin）,整联蛋白是由 和两个亚基形成的异二聚体。已发现16种亚单位和9种亚单位。按不同组合构成20余种整联蛋白。亚单位的N端有结合二价阳离子的结构域，胞质区都有一个非常保守的KXGFFKR序列，与整合素活性的调节有关。,整联蛋白,整联蛋白可以介导细胞与细胞外基质，及细胞与细胞之间的粘着，其识别的主要部位是配体上的RGD序列。整联蛋白在信号转导上起有重要作用。,含1亚基的整联蛋白主要介导细胞与细胞外基质间的粘着。含2亚基的整联蛋白存在于各种白细胞表面，介导细胞间的相互作用。含3亚基的整联蛋白主要存在于血小板表面，介导血小板的聚集，并参与血栓形成。4可与肌动蛋白及相关蛋白质结合，64整合素以层粘连蛋白为配体，参与形成半桥粒,第四节 细胞连接（cell junction）,细胞与细胞间或细胞与细胞外基质的联系结构称细胞连接，是局部细胞膜特化形成。可分3大类：1、封闭连接（occluding junction）；2、锚定连接（anchoring junction）；3、通讯连接（communicating junction）。,一、封闭连接（occluding junction）,（一）紧密连接（tight junction）存在于脊椎动物上皮细胞间，长约50-400nm，相邻细胞间质膜紧密结合，没有缝隙。,紧密连接位于上皮细胞的上端,电镜下可见，连接区域具蛋白质形成的焊接线（嵴线）网络，封闭了细胞与细胞间的空隙。紧密连接的焊接线由跨膜蛋白构成，主要的跨膜蛋白有claudin和occludin。,紧密连接的模式图,消化道上皮、膀胱上皮、脑毛细血管内皮等细胞间都有紧密连接。其作用是：封闭相邻细胞间的接缝，防止溶液中的分子沿细胞间隙渗入体内，保证了机体内环境的相对稳定。,(A)模式图：显示添加在上皮细胞一侧的示踪物不能通过紧密连接处；(B)电镜照片：显示无论是从上皮细胞尖部（左）还是基底部（右）添加高电子密度物质，都不能透过紧密连接处。,（二）间壁连接(septate junctions),存在于无脊椎动物上皮细胞的封闭连接。连接蛋白呈梯子状排列，形状非常规则，被连接的细胞内成分为肌动蛋白纤维。,间壁连接存在于无脊椎动物,二、锚定连接,（一）粘合带与粘合斑 1、粘合带（adhesion belt）呈带状环绕细胞，一般位于上皮细胞紧密连接的下方。在连接处相邻细胞的间隙约1520nm。,粘着带的模式图,粘合带位于紧密连接下方,参与粘着带连接的是钙粘素。两个细胞的钙粘素细胞外结构域相互作用形成桥，使两者连接起来，但并不融合，保留1520nm的间隙。,粘合带结构模型,粘合带处的质膜下方有与质膜平行排列的肌动蛋白纤维束，钙粘蛋白通过附着蛋白与肌动蛋白束相结合。因此，相邻细胞中的肌动蛋白丝束通过钙粘蛋白和附着蛋白形成了一个广泛的网络，把相邻细胞联系在一起。,2、粘合斑(adhesion plaque),是细胞与细胞外基质间的一种连接方式，参与连接的是整联蛋白（integrin）通过整联蛋白把细胞中的肌动蛋白束和细胞外基质纤连蛋白连接起来。体外培养的成纤维细胞就是通过粘着斑附着在瓶壁上。,（二）桥粒(desmosome)与半桥粒,1、桥粒：存在于承受强拉力的组织中，如皮肤、口腔、食管等处的上皮细胞间和心肌中。常位于粘着带下方。相邻细胞间形成纽扣状结构，细胞膜间的间隙约30nm，桥粒也是通过钙粘素将相邻细胞连接起来。,桥粒模式图及电镜照片,质膜下方有附着蛋白质，如片珠蛋白、桥粒斑蛋白等，形成厚约1520nm的致密斑，与中间纤维相连。中间纤维因细胞类型而异，上皮细胞中为角蛋白丝（keratin），心肌细胞中为结蛋白丝（desmin）。因此相邻细胞中的中间纤维通过细胞质斑和钙粘素构成了细胞骨架网络。,桥粒的结构模型,2、半桥粒（hemidesmosome）,是上皮细胞基底面与基膜间的连接方式，结构类似桥粒，与桥粒不同的是：（1）只在质膜内侧形成桥粒斑结构，另一侧为基膜；（2）跨膜连接蛋白为整联蛋白(integrin)而不是钙粘素，整联蛋白是胞外基质的受体；（3）细胞内的附着蛋白为角蛋白(keratin)。,半桥粒连接上皮细胞基面和基膜,半桥粒处的64整合素,小肠上皮细胞中桥粒与半桥粒的分布：角蛋白纤维（keratin）通过桥粒和半桥粒连接，在细胞间及细胞与细胞外基质间形成一个网络,三、通讯连接,是一种特殊的细胞连接方式，除有机械的细胞连接作用外，还可在细胞间形成电偶联或代谢偶联。动物细胞的通讯连接为间隙连接（gap junction）；植物细胞的通讯连接为细胞间连丝（plasmodesmata）,（一）间隙连接（gap junction）,存在于几乎所有动物细胞中。连接处相邻细胞间有24nm的缝隙，且连接区域比紧密连接大得多，直径可达0.3m。基本单位是连接子(connexon)，由6个相同或相似跨膜蛋白亚单位环绕而成，直径8nm，中心形成一直径约1.5nm孔道。,左：电镜照片；右：冰冻蚀刻,左，连接子电镜照片；右，间隙连接模型,向细胞内注射分子量不同的染料，证明间隙连接的通道可允许分子量小于1200Dalton的物质通过。表明细胞内的小分子，如无机盐离子、糖、氨基酸、核苷酸和维生素等有可能通过间隙连接的孔隙。,间隙连接的通透性是可调节的。在实验条件下，降低细胞PH值，或升高钙离子浓度均可降低间隙连接的通透性。当细胞破损时，大量钙离子进入，导致间隙连接关闭，以免正常细胞受到伤害。,间隙连接的功能,1、参与细胞分化：胚胎发育早期，间隙连接可建立小分子物质浓度梯度，为细胞提供“位置信息”，诱导细胞向一定方向分化。2、协调代谢：把不能利用次黄嘌呤合成核酸的成纤维细胞和野生型共同培养，两种细胞都能合成核酸。3、构成电紧张突触：平滑肌、心肌、神经末梢间均有这种连接。可将电兴奋传递到相邻细胞。,（二）胞间连丝（plasmodesmata）,是植物细胞特有的通讯连接。由穿过细胞壁的质膜围成的通道，直径20-40nm。通道中有一由膜围成的筒状结构，称连丝小管，由SER特化而成，管的两端与SER相连。连丝小管与胞间连丝的质膜间，填充有一圈胞质溶胶，一些小分子可通过胞质溶胶环。,胞间连丝结构模型,植物细胞胞间连丝的电镜照片：（A）侧面图；（B）正面图,胞间连丝在功能上与动物细胞的间隙连接类似，允许小于1000Da的分子通过。与间隙连接不同，胞间连丝的孔能扩张。某些植物病毒能制造特殊的蛋白质同胞间连丝结合，使胞间连丝孔径扩大，使病毒粒子在细胞间散播和感染。植物自身也能合成移动蛋白介导细胞间的大分子运输。,（三）化学突触（synapse）,是存在于可兴奋细胞间的一种连接方式，其作用是通过释放神经递质来传导兴奋。结构上包括3个部分：突触前膜(presynaptic membrane)；突触后膜(postsynaptic membrane)；突触间隙(synaptic cleft)。,化学突触的结构模型,神经元的突起末梢膨大呈球形，称突触小体(synaptic knob)。突触前膜：突触小体的膜；突触后膜：与突触前膜相对的胞体膜或突起的膜；突触间隙：两膜之间的间隙。宽约20-30nm，含有粘多糖和糖蛋白等。,突触小体内有许多囊泡，称突触小泡(synaptic vesicle)，内含神经递质。当神经冲动传到突触前膜，突触小泡释放神经递质，与突触后膜的受体结合，使配体门离子通道打开，引起突触后膜去极化或超极化。,几种细胞连接类型的比较,