细胞生物学 第四章细胞表面

细胞膜与细胞表面特化结构 细胞膜(cellmembrane)又称质膜(plasmamembrane),是指围绕在细胞最外层,由脂质和蛋 白质组成的生物膜。

细胞表面（是位于细胞最外侧的一个复合结构和多功能体系。）

• 细胞质膜（生物膜）
  • 细胞质膜化学组成
    • 膜脂（骨架成分50%左右）
      • 磷脂
        • 亲水端（极性端）：磷脂酰胆碱（胆碱、磷酸基团）和甘油
        • 疏水端（非极性端）
      • 鞘脂（包括糖脂）
        • 鞘磷脂
        • 糖脂
      • 固醇
        • 膜的稳定型↑、膜的通透性↓
      • 脂质体（磷脂分子在水中自发形成的、稳定的、 双分子层的人工膜）
        • 应用：（1）研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质。 （2）脂质体中裹入DNA可用于基因转移。 （3）在临床治疗中脂质体作为药物或酶等载体。
    • 膜糖（1~10%）
      • 功能：（1）提高膜的稳定性，增强膜蛋白对蛋白酶的抗性—保护作用。 （2）参与细胞的信号识别和细胞的黏着、糖蛋白中的糖链可帮助新合成的蛋白质正确的折叠、维持正确的三维构象、运输和定位，作为独特的“服装”。 （3）已知的红细胞的ABO血型抗原是糖脂。
    • 膜蛋白（蛋白质功能成分40%左右）
      • 内在膜蛋白\膜整合蛋白
        • 镶嵌或横跨脂双层的膜结合蛋白
        • 去垢剂：离子型去垢剂（SDS）、非离子型去垢剂（Trition X-100）
      • 外周蛋白:位于磷脂双分子层表面，通过非共价键与膜脂或膜蛋白发生相互作用。
      • 脂锚定膜蛋白:位于脂双层表面，与脂双层内的脂分子 共价连接的膜结合蛋白
  • 基本特征
    • 流动性：是所有生物膜的基本特征，是细胞生长增殖等生命活动的必要条件；流动状态受细胞代谢过程的调节
      • 膜脂的流动性
        • 四种基本运动方式
          • 侧向扩散
          • 旋转运动
          • 摆动和伸缩振荡
          • 翻转运动
        • 膜脂的状态：液晶相（溶胶相）、晶胶相（凝胶相）
        • 影响因素
          • 相变温度
          • 磷脂分子的结构（尾部长度、不饱和脂肪酸链的不饱和程度、胆固醇本身相变温度低，流动性较好）
      • 膜蛋白的流动性
        • 六种运动方式
          • 随机扩散
          • 静止
          • 定向运动
          • 受周围蛋白影响，运动范围很小
          • 受膜骨架影响，运动范围有限
          • 受胞外基质影响
        • 运动受限
    • 不对称性
      • 膜脂的不对称性（化学组成）
      • 膜蛋白的不对称性（结构域方向性）
    • 不均一性
    • 细胞质膜相关的膜骨架
      • 在红细胞膜下面还有一个丰富的网络体系—膜骨架
  • 功能概述
    • 边界作用
    • 组织和定位作用
    • 物质交换作用
    • 信号检测与转导作用
    • 建立细胞间的联系
• 细胞的社会联系
  • 细胞通讯（信号转导）
  • 细胞连接
    • 封闭链接（细胞和细胞）
      • 主要存在于有腔上皮顶端的相邻细胞间器官
    • 锚定链接：细胞和细胞、细胞和细胞外基质
      • 广泛分布于动物的各种组织中
      • 功能：增强组织中细胞承受机械力的能力
      • 分类
        • 肌动蛋白丝（微丝）参与形成的锚定连接
          • 黏着连接
            • 黏着斑（细胞与胞外基质间）
            • 黏着带（细胞间）
        • 中间丝参与形成的锚定连接
          • 桥粒连接
            • 桥粒（细胞间）
            • 半桥粒（细胞与胞外基质间）
    • 通讯连接
      • 间隙连接（动物细胞）
        • 使相邻细胞实现代谢偶联或电偶联
        • 神经冲动传导
        • 参与早期胚胎发育
      • 胞间连丝（植物细胞）
  • 细胞黏着
    • 细胞黏着分子
      • 分类
        • 钙黏蛋白（细胞间连接）
        • 选择素
        • 整连蛋白（细胞间与胞外基质连接）
        • 免疫球蛋白超家族
      • 介导细胞识别与黏着方式
        • 同亲型结合
        • 异亲型结合
        • 衔接分子依赖性结合
  • 细胞外基质
    • 分布于细胞外，主要由成纤维细胞合成与分泌的蛋白质和多糖构成的复杂网状结构
    • 作用
      • 为细胞提供了机械的保护装置
      • 对与其接触的细胞的存活、发育、迁移、增殖、形态以及其他生产功能产生重要调调控。
    • 组成
      • 结构蛋白
        • 强
        • 强度和韧性
        • 胶原纤维
          • 基本结构单位：原胶原
          • 水产动物体内胶原蛋白含量高于陆生动物
          • 在鱼类中，胶原广泛分布在鱼皮和鱼骨，包含真皮、骨、鳞、肌肉、软骨、脊索等处。
        • 弹性蛋白
          • 弹性纤维主要存在于脉管壁及肺组织，少量存在于皮肤、肌腱及疏松结缔组织中，赋予组织弹性。
      • 蛋白聚糖
        • 弹
        • 赋予细胞外基质抗压能力
        • 糖胺聚糖
      • 黏着蛋白
        • 黏
        • 将胞外基质的其它成分与细胞膜上的跨膜蛋白的整联蛋白联系起来。
        • 纤连蛋白
        • 层黏连蛋白
      • 基膜
        • 作用
          • 将上皮细胞与结缔组织分开，使上皮细胞锚定在基膜上
          • 分子筛
          • 细胞筛
        • 组织形式
          • 结缔组织、肌肉肌细胞质膜、基膜
          • 上皮细胞
            • 结缔组织、基膜
          • 肾小球
            • 上皮细胞、基膜、内皮细胞
• 细胞的信号转导
  • 细胞信号转导概述
    • 细胞通讯基本方式
      • 接触依赖性通讯（直接接触通讯）
      • 间隙链接（动物细胞）胞间连丝（植物）
      • 化学信号的传递（间接通讯）：细胞通过分泌化学物质（信号分子）
        • 内分泌
        • 旁分泌
        • 化学突触
        • 自分泌
    • 关键分子
      • 信号分子
        • 物理信号：声光电温度变化等
        • 化学信号：第一信使、配体
          • 亲脂性信号分子：直接穿过质膜与胞质或核中的受体结合（固醇类激素、甲状腺、维生素D等脂溶性分子）
          • 亲水性信号分子：不能穿过质膜，与靶细胞膜上受体特异性结合（神经递质、生长因子、大多数激素）
          • 气体脂溶性信号分子：NO
      • 受体
        • 细胞内受体
        • 细胞表面受体
          • 离子通道偶联受体
          • G-蛋白偶联受体（GPCRs）
            • 结构：由α、β、γ三个亚基组成（三体G蛋白）
            • 分类
              • 激活离子通道
              • 激活或抑制腺苷酸环化酶，以cAMP为第二信使
              • 激活磷脂酶C，以IP3和DAG作为双信使
            • GPCR介导离子通道的调控
            • 以cAMP为第二信使的信号通路
            • 磷脂酰肌醇双信使信号通路
          • 酶联受体
            • 受体酪氨酸激酶（RTK）
              • RTK-Ras蛋白信号通路
              • PI3K-PKB蛋白信号通路
            • 受体丝氨酸/苏氨酸激酶
            • 受体酪氨酸磷酸酯酶
            • 受体鸟苷酸环化酶
            • 酪氨酸蛋白激酶连接受体
      • 第二信使
        • cAMP、cGMP、钙离子、DAG、IP3
      • 分子开关
        • 受磷酸化或去磷酸化调控开关
        • 受GTP/GDP结合调控开关
    • 信号转导系统及其特异性
      • 细胞内信号蛋白复合物的装配
        • 基于支架蛋白的信号复合物的装配
        • 在活化受体上信号复合物的装配
        • 肌醇磷脂锚定位点结合的信号复合物
      • 信号转导系统的主要特性
        • 特异性、放大作用、脱敏或适应、整合
        • 信号转导通过细胞表面受体来控制的两种细胞内的应答反应（快反应、慢反应）
  • 细胞内受体介导的信号转导
    • 细胞内核受体与基因表达调控
      • 亲脂性信号分子：直接穿过质膜，与胞质或核中受体结合
      • 气体脂溶性信号分子：NO
    • NO介导的信号转导
      • 血管内皮细胞和神经细胞是NO的生成细胞、只作用于邻近细胞、无专门的储存及释放调节机制、进入靶细胞后直接作用于鸟苷酸环化酶（效应物）
  • 细胞信号转导的整合与控制
    • 具有发散或收敛的特点
    • 细胞信号通路的交叉对话
    • 信号的调控：受体的脱敏与下调
• 物质的跨膜运输
  • 膜转运蛋白与小分子物质的跨膜运输
    • 两类膜转运蛋白
      • 载体蛋白
        • 主动运输：需要细胞提供代谢能量
        • 被动运输—协助扩散：不需要细胞提供代谢能量
        • 疏水的跨膜蛋白、高度的选择性、速度慢、饱和动力学性质
      • 通道蛋白
        • 离子通道
          • 电压门通道（叶枕细胞）
          • 配体门通道
          • 实例：神经冲动传导
          • 压力激活通道（内耳耳蜗通过声波感知声音）
        • 孔蛋白
        • 水孔蛋白（眼泪、口水）：水分子借助质膜上的水孔蛋白实现快速跨膜转运
        • 被动运输
        • 疏水的跨膜蛋白、门控的、速度快、无饱和动力学
    • 小分子物质的跨膜运输
      • 简单扩散
        • 顺浓度梯度/顺电化学梯度（下山）、不需要代谢能（消耗势能）、不需要膜转运蛋白、能通过的物质较少
      • 被动运输（协助扩散）
        • 顺浓度梯度/顺电化学梯度（下山）、不需要代谢能（消耗势能）、需要膜转运蛋白
        • 通道蛋白：水分子的运输—水孔蛋白（调节细胞渗透压、保持细胞正常的生理状态、避免出现一些病理问题）
        • 载体蛋白：进食后将葡萄糖转运至细胞内
      • 主动运输
        • 逆浓度梯度/逆电化学梯度（上山）、需要消耗细胞代谢能（ATP）、需要膜转运蛋白，仅限于载体蛋白
        • ATP驱动泵
          • P型驱动泵（Na+-K+泵、Ca2+离子泵、质子泵、H+/K+交换器）
          • F型驱动泵
          • V型驱动泵
          • ABC超家族
        • 协同转运蛋白
          • 逆浓度梯度间接消耗ATP、常见于动物和植物细胞中
        • 光能驱动
  • 胞吞作用与胞吐作用
    • 胞吞作用
      • 吞噬作用
        • 原生动物：摄取食物
        • 动物免疫细胞中的巨噬细胞和中性粒细胞：摄取营养物，清除病原体、衰老、凋亡的细胞
        • 吞噬作用是一个信号触发的过程（相互接触在一起后完成吞噬行为）
      • 胞饮作用
        • 几乎发生于所有真核细胞
        • 连续摄入溶液及可溶性小分子（不需要相互接触）
        • 胞饮泡直径一般小于吞噬泡直径
      • 网格蛋白依赖的胞吞作用、胞膜窖依赖的胞吞作用
    • 胞吐作用
      • 细胞组成型（真核细胞）
      • 调节型（特化的分泌细胞）
• 紧密连接：相邻细胞的质膜发生点状融合，成串排列的跨膜蛋白相互作用，形成对合的封闭带（脊线）
  • 功能：连接作用
  • 形成渗透屏障：血脑屏障（BBB）
  • 维持细胞极性