细 胞 生 物 学 CELL BIOLOGY 河南农业大学生命科学学院植物科学系 C

第一章 绪论 第二章 细胞基本知识概要 第三章 细胞生物学研究方法 第四章 细胞质膜与细胞表面 第五章 物质跨膜运输与信号传递 第六章 细胞质基质与内膜系统 第七章 细胞的能量转换 第八章 细胞核与染色体 第九章 核糖体 第 十 章 细胞骨架 第十一章 细胞增殖及其调控 第十二章 细胞分化与基因表达调控 第十三章 细胞衰老与凋亡

第一节 细胞质膜与细胞表面特化结构 第二节 细胞连接 第三节 细胞外被与细胞外基质 第四章 细胞质膜与细胞表面 第一节 细胞质膜与细胞表面特化结构 第二节 细胞连接 第三节 细胞外被与细胞外基质

第一节 细胞质膜与细胞表面特化结构 一、概念 第一节 细胞质膜与细胞表面特化结构 一、概念 细胞膜（plasma membrane）又称质膜，是包在细胞最外层，与脂质和蛋白质组成的生物膜。围绕各种细胞器的膜，称为细胞内膜。 质膜和内膜在起源、结构和化学组成的等方面具有相似性，故总称为生物膜（biomembrane）。生物膜是细胞进行生命活动的重要物质基础。 质膜表面寡糖链形成细胞外被（cell coat）或糖萼（glycocalyx）。 质膜下的表层溶胶中具有细胞骨架成分组成的网络结构，除对质膜有支持作用外，还与维持质膜的功能有关，所以这部分细胞骨架又称为膜骨架。 细胞外被、质膜和表层胞质溶胶构成细胞表面。

二、质膜结构的研究简史 E. Overton 1895 发现凡是溶于脂肪的物质很容易透过植物的细胞膜，而不溶于脂肪的物质不易透过细胞膜，因此推测细胞膜由连续的脂类物质组成。 E. Gorter & F. Grendel 1925 用有机溶剂提取了人的红细胞质膜的脂类成分，将其铺展在水面，测出膜脂展开的面积二倍于细胞表面积，因而推测细胞膜由双层脂分子组成。

3、J. Danielli & H. Davson 1935 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。提出蛋白质—脂质—蛋白质的三明治式的质膜模型。

4、J. D. Robertson 1959 用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，显示暗-明-暗三层结构，它由厚约3 4、J. D. Robertson 1959 用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，显示暗-明-暗三层结构，它由厚约3.5nm的双层脂分子（明带）和内外表面各厚约2nm的蛋白质构成(暗带），总厚约7.5nm。 认为膜上还具有贯穿脂双层的蛋白质通道，供亲水物质通过，发展了三明治模型，提出蛋白质—脂质—蛋白质的单位膜模型。

5、S. J. Singer & G. Nicolson 1972　根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果，提出了“流动镶嵌模型”。强调了膜的流动性和膜蛋白分布的不对称性。

流动镶嵌模型结构示意图

6、脂筏模型（lipid rafts model）（1997） 是富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域(microdomain）。 约70nm左右，是一种动态结构，位于质膜的外小页。 介于无序液体与液晶之间，称为有序液体（Liquid-ordered）。 在低温下这些区域能抵抗非离子去垢剂的抽提，称为抗去垢剂膜（detergent-resistant membranes，DRMs）。 就像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。

Mechanisms of raft clustering Mechanisms of raft clustering. (a) Rafts (red) are small at the plasma membrane, containing only a subset of proteins. (b) Raft size is increased by clustering, leading to a new mixture of molecules. This clustering can be triggered in different way.

1959 1972 Overton(1890s): Lipid nature of PM;

三、生物膜结构特征 1、细胞膜由流动的双脂层和嵌在其中的蛋白质组成。膜的流动性是生物膜的基本特征之一, 是细胞进行生命活动的必要条件。 2、磷脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相组成生物膜骨架； 3、蛋白质或嵌在双脂层表面，或嵌在其内部，或横跨整个双脂层，表现出分布的不对称性。膜蛋白是赋予生物膜功能的主要决定者； 4、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；

四、膜脂——生物膜的基本组成成分 （一）成分：膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固醇三种类型。 磷脂：膜脂的基本成分（50％以上）；分为二类: 甘油磷脂和鞘磷脂，主要特征： ①具有一个极性头部和两个非极性的尾部（心磷脂除外）； ②脂肪酸碳链碳原子为偶数,大多数由16,18或20个组成； ③含有饱和脂肪酸(如软脂酸)和不饱和脂肪酸(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； 胆固醇和中性脂类：胆固醇存在于真核细胞膜上（30%以下），对增加膜的稳定性以及降低水溶性物质通透性起重要作用。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。

（二）膜 脂 运 动 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； 脂分子围绕轴心的自旋运动； （二）膜 脂 运 动 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10－10。但在内质网膜上,新合成的磷脂分子翻转运动发生频率很高。

膜脂分子的运动

(三）影响膜脂流动性的因素 胆固醇：胆固醇的含量增加会降低膜的流动性。 脂肪酸链的饱和度：脂肪酸链所含双键越多越不饱和，使膜流动性增加。 脂肪酸链的链长：长链脂肪酸相变温度高，膜流动性降低。 卵磷脂/鞘磷脂：该比例高则膜流动性增加，是因为鞘磷脂粘度高于卵磷脂。 其他因素：温度、酸碱度、离子强度等。

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。 （三） 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。 脂质体的应用： 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

脂质体的类型 (a) (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

五、膜蛋白 （一）膜蛋白的分类 是膜功能的主要体现者。据估计核基因组编码的蛋白质中30%左右的为膜蛋白。根据膜蛋白与脂分子的结合方式，可分为： 整合蛋白（integral protein）：水不溶性蛋白 外周蛋白（peripheral protein）：水溶性蛋白 脂锚定蛋白（lipid-anchored protein）。

整合蛋白为跨膜蛋白（tansmembrane proteins），是两性分子。与膜的结合非常紧密，只有用去垢剂才能从膜上洗涤下来。 去垢剂：是一端亲水一端疏水的两性小分子,是分离与研究膜蛋白的常用试剂。如离子型去垢剂SDS，非离子型去垢剂Triton-X100。 SDS Triton-X100

The use of mild detergents for solubilizing, purifying, and reconstituting functional membrane protein systems.

整合蛋白的跨膜结构域可以是1至多个疏水的α螺旋，形成亲水通道的整合蛋白跨膜区域有两种组成形式，一是由多个两性α螺旋组成亲水通道；二是由两性β折叠组成亲水通道。 外周蛋白靠离子键或其它较弱的键与膜表面的蛋白质分子或脂分子的亲水部分结合，因此只要改变溶液的离子强度甚至提高温度就可以从膜上分离下来，有时很难区分整合蛋白和外周蛋白，主要是因为一个蛋白质可以由多个亚基构成，有的亚基为跨膜蛋白，有的则结合在膜的外部。

脂锚定蛋白（lipid-anchored protein）可以分为两类： 糖磷脂酰肌醇(glycophosphatidylinositol，GPI)连接的蛋白，GPI位于细胞膜的外小叶，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。

Membrane proteins Figure 10-13. Six ways in which membrane proteins associate with the lipid bilayer. Most trans-membrane proteins are thought to extend across the bilayer as a single a helix (1) or as multiple a helices (2); some of these "single-pass" and "multipass" proteins have a covalently attached fatty acid chain inserted in the cytoplasmic monolayer (1). Other membrane proteins are attached to the bilayer solely by a covalently attached lipid - either a fatty acid chain or prenyl group - in the cytoplasmic monolayer (3) or, less often, via an oligosaccharide, to a minor phospholipid, phosphatidylinositol, in the noncytoplasmic monolayer (4). Finally, many proteins are attached to the membrane only by noncovalent interactions with other membrane proteins (5) and (6). How the structure in (3) is formed is illustrated in Figure10-14. ①,② integral protein；③,④ lipid-anchored protein；⑤,⑥ peripheral protein

Figure 10-14. The covalent attachment of either of two types of lipid groups can help localize a water-soluble protein to a membrane after its synthesis in the cytosol. (A) A fatty acid chain (either myristic or palmitic acid) is attached via an amide linkage to an amino-terminal glycine. (B) A prenyl group (either farnesyl or a longer geranylgeranyl group - both related to cholesterol) is attached via a thioether linkage to a cysteine residue that is four residues from the carboxyl terminus. Following this prenylation, the terminal three amino acids are cleaved off and the new carboxyl terminus is methylated before insertion into the membrane. The structures of two lipid anchors are shown underneath: (C) a myristyl anchor (a 14-carbon saturated fatty acid chain), and (D) a farnesyl anchor (a 15-carbon unsaturated hydrocarbon chain).

（二）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。

（三）膜蛋白的分子运动 主要有侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。可用光脱色恢复技术和细胞融合技术检测侧向扩散。膜蛋白的侧向运动受细胞骨架的限制，破坏微丝的药物如细胞松弛素B能促进膜蛋白的侧向运动。 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，反之如果流动性过高，又会造成膜的溶解。 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。

利用细胞融合技术观察蛋白质运动 Figure 10-34. Experiment demonstrating the mixing of plasma membrane proteins on mouse-human hybrid cells. The mouse and human proteins are initially confined to their own halves of the newly formed heterocaryon plasma membrane, but they intermix with time. The two antibodies used to visualize the proteins can be distinguished in a fluorescence microscope because fluorescein is green whereas rhodamine is red. (Based on observations of L.D. Frye and M. Edidin, J. Cell Sci. 7:319-335)

成斑现象(patching)或成帽现象(capping) Figure 10-35. Antibody-induced patching and capping of a cell-surface protein on a white blood cell. The bivalent antibodies cross-link the protein molecules to which they bind. This causes them to cluster into large patches, which are actively swept to the tail end of the cell to form a "cap." The centrosome, which governs the head-tail polarity of the cell, is shown in orange.

（四）光脱色恢复技术  研究膜蛋白或膜脂流动性的基本实验技术之一。  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。 (fluorescence recovery after photobleaching, FRAP)  研究膜蛋白或膜脂流动性的基本实验技术之一。  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。

用光脱色恢复技术观察蛋白质运动 The lateral diffusion of membrane lipids can demonstrated experimentally by a technique called Fluorescence Recovery After Photobleaching (FRAP).

六、膜的不对称性 质膜内外两层的组分和功能的差异，称为膜的不对称性。 （一） 细胞膜各部分的名称 样品经冰冻断裂处理后，细胞膜可从脂双层中央断开，各断面命名为：ES，细胞外表面（extrocytoplasmic surface）；EF，细胞外小页断面（extrocytoplasmic face）；PS，原生质表面（protoplasmic surface）；PF，原生质小页断面（protoplasmic face） 。

小鼠肝细胞膜冰冻蚀刻 EF PF

（二）膜脂的不对称性：同一种脂分子在脂双层中呈不均匀分布，如：PC和SM主要分布在外小叶，PE和PS分布在内小叶。用磷脂酶处理完整的人类红细胞，80%的PC降解，PE和PS分别只有20%和10%的被降解。 膜脂的不对称性还表现在膜表面具有胆固醇和鞘磷脂等形成的微结构域——脂筏。 （三）膜蛋白的不对称性：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。 （四）复合糖的不对称性：糖脂和糖蛋白只分布于细胞膜的外表面。是完成其生理功能的结构基础。

SM-鞘磷脂 PC-卵磷脂 PS-磷脂酰丝氨酸 PE-磷脂酰乙醇氨 PI-磷脂酰肌醇 CI-胆固醇

膜蛋白与糖蛋白的不对称性

七、细胞质膜的功能  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,并伴随着能量的传递;  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;  质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。

1. Define the boundaries of the cell and its organelles. 2. Serve as loci for specific functions. 3. provide for and regulate transport processes. 4. contain the receptors needed to detect external signals. 5. provide mechanisms for cell-to-cell contact, communication and adhesion

八、骨架与细胞表面的特化结构 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结构以完成特定的功能。 （一）膜骨架 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。 （二）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。

（三）红细胞质膜蛋白及膜骨架 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。 成熟的哺乳动物血红细胞没有核和内膜系统，是研究膜骨架的理想材料。 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）。

经SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳分析，血影成分主要有： 血影蛋白(spectrin)：由结构相似的α链、β链组成异二聚体，两个二聚体头与头相接连形成四聚体。 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，跨膜12次。 锚蛋白（ankyrin）：与血影蛋白和带3蛋白的胞质部相连，将血影蛋白网络连接到质膜上。 血型糖蛋白：单次跨膜糖蛋白，约有131个氨基酸， N端在膜外侧，结合16条寡糖链；C-端在胞质面，链较短，与带4.1蛋白相连。血型糖蛋白与MN血型有关，其功能尚不明确。

红细胞膜骨架的构成： 血影蛋白四聚体游离端与短肌动蛋白纤维（约13～15单体）相连，形成血影蛋白网络。通过两个锚定点固定在质膜下方： 通过带4.1蛋白与血型糖蛋白连结； 通过锚蛋白与带3蛋白相连。 这一骨架系统赋与了红细胞质膜的刚性与韧性，得以几百万次地通过比它直径还小的微血管、动脉、静脉。

Adducin 内收蛋白

第二节 细胞连接  细胞连接的功能分类  封闭连接  锚定连接 通讯连接 细胞表面的粘连分子

一、细胞连接分类 （一）封闭连接(occluding junctions) 紧密连接(tight junction) （二）锚定连接(anchoring junctions) （三）通讯连接(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)。

（一）封闭连接 紧密连接是封闭连接的主要形式，主要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）

紧密连接的结构

Tight junctions Figure 19-2 The role of tight junctions in transcellular transport.    Transport proteins are confined to different regions of the plasma membrane in epithelial cells of the small intestine. This segregation permits a vectorial transfer of nutrients across the epithelial sheet from the gut lumen to the blood. In the example shown, glucose is actively transported into the cell by Na+-driven glucose symports at the apical surface, and it diffuses out of the cell by facilitated diffusion mediated by glucose carriers in the basolateral membrane. Tight junctions are thought to confine the transport proteins to their appropriate membrane domains by acting as diffusion barriers within the lipid bilayer of the plasma membrane; these junctions also block the backflow of glucose from the basal side of the epithelium into the gut lumen.

封闭作用

（二）锚定连接 锚定连接在组织内分布很广泛,在上皮组织,心肌和子宫颈等组织中含量尤为丰富

Anchoring junctions                       Figure 19-6 Anchoring junctions in an epithelial tissue. Highly schematized drawing of how such junctions join cytoskeletal filaments from cell to cell and from cell to extracellular matrix.

Figure 19-7 Construction of an anchoring junction Figure 19-7 Construction of an anchoring junction.    Highly schematized drawing showing the two classes of proteins that constitute such a junction: intracellular attachment proteins and transmembrane linker proteins.

 锚定连接的类型、结构与功能 与中间丝相连的锚定连接 桥粒(desmosome) 铆接相邻细胞，提供细胞内中间丝的锚定位点，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(hemidesmosome) 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，中间丝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(adhesion belt)：位于紧密连接下方,相邻细胞间形成一个连续的带状结构。间隙约15～20nm,也称带状桥粒(belt desmosome)。 粘合斑(focal adhesion)：细胞通过肌动蛋白纤维与细胞外基质之间的连接方式。

桥粒

桥粒 Figure 19-12 Desmosomes.    (A) An electron micrograph of three desmosomes between two epithelial cells in the intestine of a rat. (B) An electron micrograph of a single desmosome between two epidermal cells in a developing newt, showing clearly the attachment of intermediate filaments. (C) A schematic drawing of a desmosome. On the cytoplasmic surface of each interacting plasma membrane is a dense plaque composed of a mixture of intracellular attachment proteins (including plakoglobin and desmoplakins). Each plaque is associated with a thick network of keratin filaments, which are attached to the surface of the plaque. Transmembrane linker proteins, which belong to the cadherin family of cell-cell adhesion molecules, bind to the plaques and interact through their extracellular domains to hold the adjacent membranes together by a Ca2+-dependent mechanism. (A, from N.B. Gilula, in Cell Communication, pp. 1-29; B, from D.E. Kelly, JCB. 28:51-59)

半桥粒

Figure 19-13 The distribution of desmosomes and hemidesmosomes in epithelial cells of the small intestine.    The keratin filament networks of adjacent cells are indirectly connected to one another through desmosomes and to the basal lamina through hemidesmosomes.

Adhesion belts Figure 19-8 Adhesion belts between epithelial cells in the small intestine. This beltlike anchoring junction encircles each of the interacting cells. Its most obvious feature is a contractile bundle of actin filaments running along the cytoplasmic surface of the junctional plasma membrane. The actin filaments are joined from cell to cell by transmembrane linker proteins (cadherins), whose extracellular domain binds to the extracellular domain of an identical cadherin molecule on the adjacent cell.

粘着带 Catenin-连环蛋白 Cadherin-钙粘着蛋白

粘合斑

Table 19-2 Anchoring Junctions Transmembrane Linker Protein Extracellular Ligand Intracellular Cytoskeletal Attachment Some Intracellular Attachment Proteins Adherens (cell-cell) cadherin (E-cadherin) cadherin in neighboring cell actin filaments catenins, vinculin,  -actinin, plakoglobin Desmosome cadherin (desmogleins & desmocollins) intermediate filaments desmoplakins, plakoglobin Adherens (cell-matrix) integrin extracellular matrix proteins talin, vinculin,  -actinin Hemidesmosome extracellular matrix (basal lamina) proteins desmoplakinlike protein

锚定连接的结构 ●通过锚定连接将相邻细胞的骨架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的形式:  与中间丝相连的锚定连接主要包括桥粒和半桥粒； 与微丝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(中间丝或微丝)同连接复合体结合在一起;  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。

四、通讯连接 （一）、间隙连接： 分布广泛，几乎存在于所有的动物组织中。 1、 间隙连接结构 1、 间隙连接结构  间隙连接处相邻细胞质膜间的间隙为2～3nm 。  连接子(connexon) 中心形成一个直径约1.5nm的孔道。

间隙连接结构

gap-junction channel Figure 19-14 Determining the size of a gap-junction channel.    When fluorescent molecules of various sizes are injected into one of two cells coupled by gap junctions, molecules smaller than about 1000 daltons can pass into the other cell but larger molecules cannot.

Figure 19-15 A model of a gap junction Figure 19-15 A model of a gap junction.  The drawing shows the interacting plasma membranes of two adjacent cells. The apposed lipid bilayers (red) are penetrated by protein assemblies called connexons (green), each of which is thought to be formed by six identical protein subunits (called connexins). Two connexons join across the intercellular gap to form a continuous aqueous channel connecting the two cells.

Figure 19-16 Gap junctions as seen in the electron microscope Figure 19-16 Gap junctions as seen in the electron microscope.    Thin-section (A) and freeze-fracture (B) electron micrographs of a large and a small gap junction between fibroblasts in culture. In (B) each gap junction is seen as a cluster of homogeneous intramembrane particles associated exclusively with the cytoplasmic fracture face (P face) of the plasma membrane. (From N.B. Gilula, in Cell Communication [R.P. Cox, ed.], pp. 1-29)

角蛋白 Figure 19-18 Summary of the various cell junctions found in animal cell epithelia.    This drawing is based on epithelial cells of the small intestine.

2、 间隙连接的蛋白成分 已分离20余种构成连接子的蛋白,属同一蛋白家族,其分子量26—60KD不等； 连接子蛋白具有4个α-螺旋的跨膜区，是该蛋白家族最保守的区域。 连接子蛋白的一级结构都比较保守,并有相似的抗原性。  不同类型细胞表达不同的连接子蛋白，间隙连接的孔径与调控机制有所不同。

3、间隙连接的功能及其调节机制 （1）间隙连接在代谢偶联中的作用 允许小分子代谢物和信号分子通过，是细胞间代谢偶联的基 础。 允许小分子代谢物和信号分子通过，是细胞间代谢偶联的基 础。 代谢偶联现象在体外培养细胞中的证实。 代谢偶联在协调细胞群体的生物学功能方面起重要作用。 （2）间隙连接在神经冲动信息传递过程中的作用： 电突触(electronic junction) 快速实现细胞间信号通讯 间隙连接调节和修饰相互独立的神经元群的行为。

电突触

（3）间隙连接在早期胚胎发育和细胞分化过程中的作用：  胚胎发育中细胞间的偶联提供信号物质的通路, 从而为某一特定细胞提供它的“位置信息”，并根据其位置影响其分化。  肿瘤细胞之间间隙的连接明显减少或消失，间隙联接类似 “肿瘤抑制因子”。 （4）间隙连接的通透性是可以调节的 降低胞质中的pH值和提高自由Ca2+的浓度都可以使其通透性降低 间隙连接的通透性受两侧电压梯度的调控及细胞外化学信号的调控

Figure 11-33 Three classes of channel proteins Figure 11-33 Three classes of channel proteins.    The postulated relationship between the number of protein subunits and pore diameter. (Adapted from B. Hille, Ionic Channels of Excitable Membranes, 2nd ed. Sunderland, MA: Sinauer, 1992.)

Figure 19-17 A proposed model for how gap-junction channels may close in response to a rise in Ca2+ or a fall in pH in the cytosol.    A small rotation of each subunit closes the channel. The model is based on an image analysis of electron micrographs of rapidly frozen tissue in which the structure of gap junction channels in their presumed open state was compared with their structure in a Ca2+-induced closed state. It is possible that a similar mechanism operates in the opening and closing of the gated ion channels discussed in Chapter 11. (After P.N.T. Unwin and P.D. Ennis, Nature 307:609-613)

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。 （二）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。 胞间连丝的功能 实现细胞间由信号介导的物质有择性的转运； 实现细胞间的电传导； 在发育过程中，胞间连丝结构的改变可以调节植物细胞间的物质运输。

胞间连丝结构 连丝微管

Figure 19-19 Plasmodesmata Figure 19-19 Plasmodesmata.    (A) The cytoplasmic channels of plasmodesmata pierce the plant cell wall and connect all cells in a plant together. (B) Each plasmodesma is lined with plasma membrane common to two connected cells. It usually also contains a fine tubular structure (20-40nm), the desmotubule, derived from smooth endoplasmic reticulum.

Figure 19-20 Plasmodesmata as seen in the electron microscope Figure 19-20 Plasmodesmata as seen in the electron microscope.    (A) Longitudinal section of a plasmodesma from a water fern. The plasma membrane lines the pore and is continuous from one cell to the next. Endoplasmic reticulum and its association with the central desmotubule can be seen. (B) A similar plasmodesma in cross-section. (Courtesy of R. Overall.)

（三）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, 它通过释放神经递质来传导神经冲动。

神经细胞间的化学突触

同种类型细胞间的彼此粘连是许多组织结构的基本特征。细胞与细胞间的粘连是由特定的细胞粘着因子所介导的。 五、细胞表面的粘着因子 同种类型细胞间的彼此粘连是许多组织结构的基本特征。细胞与细胞间的粘连是由特定的细胞粘着因子所介导的。 (一）粘着因子的特征 粘着因子均为整合膜蛋白，在胞内与细胞骨架成分相连； 多数要依赖Ca2+或Mg2+才起作用。

心脏心室细胞 前软骨细胞 同种类型细胞间的彼此粘连

Figure 19-23 Organ-specific adhesion of dissociated vertebrate embryo cells determined by a radioactive cell-binding assay.    The rate of cell adhesion can be measured by determining the number of radioactively labeled cells bound to the cell aggregates after various periods of time. The rate of adhesion is greater between cells of the same kind. In a commonly used modification of this assay, cells labeled with a fluorescent or radioactive marker are allowed to bind to a monolayer of unlabeled cells in culture.

（二）粘着因子类型 钙粘素（Cadherins） 选择素（Selectin） 免疫球蛋白超家族的CAM(Ig-Superfamily，IgSF) 整合素（Integrins） 质膜整合蛋白聚糖也介导细胞间的粘着。

1、钙粘素（Cadherins） 属同亲性依赖Ca2+的细胞粘连糖蛋白，对胚胎发育中的细胞识别、迁移和组织分化以及成体组织器官构成具有主要作用。 所谓细胞表面粘着因子的同亲性和异亲性的分别是指，看他们是介导的是相同的细胞因子间的识别和粘着，还是介导不同的细胞因子间的识别和粘着。相同的就叫同亲性，不同的就为异亲性。

Cadherin Figure 19-24 Schematic drawing of a typical cadherin molecule.    The extracellular part of the protein is folded into five similar domains, three of which contain Ca2+-binding sites. The extracellular domain farthest from the membrane is thought to mediate cell-cell adhesion; the sequence His-Ala-Val in this domain seems to be involved, as peptides with this sequence inhibit cadherin-mediated adhesion. The cytoplasmic tail interacts with the actin cytoskeleton via a number of intracellular attachment proteins, including three catenin proteins. a-catenin（连环蛋白） is structurally related to vinculin（粘着斑蛋白）. X represents uncharacterized attachment proteins involved in coupling cadherins to actin filaments.

2、选择素（Selectin） 属异亲性依赖于Ca2+的能与特异糖基识别并相结合的糖蛋白，其胞外部分具有一凝集素（lectin）结构域。主要参与白细胞与脉管内皮细胞之间的识别与粘着。P(Platelet)选择素、E(Endothelial)选择素和L(Leukocyte)选择素。

Selectin Figure 10-42 The protein-carbohydrate interaction that initiates the transient adhesion of neutrophils to endothelial cells at sites of inflammation.    (A) The lectin domain of P-selectin binds to the specific oligosaccharide shown in (B), which is present on both cell-surface glycoprotein and glycolipid molecules. The lectin domain of the selectins is homologous to lectin domains found on many other carbohydrate-binding proteins in animals; because the binding to their specific sugar ligand requires extracellular Ca2+, they are called C-type lectins. A three-dimensional structure of one of these lectin domains, determined by x-ray crystallography, is shown in (C); its bound sugar is colored blue. Gal = galactose; GlcNAc = N-acetylglucosamine; Fuc = fucose; NANA = sialic acid.

3、免疫球蛋白超家族的CAM 分子结构中具有与免疫球蛋白类似的结构域的CAM超家族。介导同亲性细胞粘着或介导异亲性细胞粘着但其粘着作用不依赖Ca2+，其中N-CAMs 在神经组织细胞间的粘着中起主要作用。

NCAM Figure 19-27 Schematic drawing of four forms of NCAM.    The extracellular part of the polypeptide chain in each case is folded into five immunoglobulinlike domains (and one or two other domains called fibronectin （纤连蛋白） t ype III repeats for reasons that will become clear later). Disulfide bonds (shown in red) connect the ends of each loop forming each Ig-like domain.

4、整联蛋白（Integrins） 由和两个亚基形成的异源二聚体糖蛋白。人体细胞中已发现16种链和8种链，它们相互配合形成22种不同的二聚体联蛋白，可与不同的配基结合，从而介导细胞与基质、细胞与细胞之间的粘着。

（三）粘着方式

细胞中主要的粘连分子家族 主要成员 钙粘素 选择素 免疫球蛋白类 血细胞整合素 + - 粘着带 桥粒 整合素 质膜蛋白聚糖 约20种类型 细胞与细胞连接类型 细胞与细胞连接 主要成员 Ca2+或Mg2+依赖性 胞内骨架成分 与细胞连接关系 钙粘素   选择素 免疫球蛋白类 血细胞整合素 E、N、P-钙粘素 桥粒-钙粘素 P-选择素 N-细胞粘着分子 Lb2 + - 肌动蛋白纤维 中等纤维 粘着带 桥粒 细胞与基质连接 整合素 质膜蛋白聚糖 约20种类型 6b4 Syndecans 粘着斑 半桥粒

与细胞锚定连接相关的粘连分子 桥 粒 钙粘素 桥粒斑蛋白 中等纤维 (E-钙粘素) 同上 粘着斑蛋白 连还蛋白 微丝 整合素 （α64） 细胞连接类型 粘连分子 胞外 胞内某些结合蛋白 细胞骨架类型 细 胞 与 连 接 桥 粒 钙粘素 桥粒芯蛋白 桥粒芯胶蛋白   相邻细胞的钙粘素 桥粒斑蛋白 桥粒斑球蛋白 中等纤维 粘着带 (E-钙粘素) 同上 粘着斑蛋白 连还蛋白 微丝 外 基 质 半桥粒 整合素 （α64） 胞外基质蛋白 （基底膜蛋白） 桥粒斑蛋白 - like 粘着斑 踝蛋白 α-actinin

Figure 19-28 A summary of the junctional and nonjunctional adhesive mechanisms used by animal cells in binding to one another and to the extracellular matrix. The junctional mechanisms are shown in epithelial cells, while the nonjunctional mechanisms are shown in nonepithelial cells. A junctional interaction is operationally defined as one that can be seen as a specialized region of contact by conventional and/or freeze-fracture electron microscopy. Note that the integrins and cadherins are involved in both nonjunctional and junctional cell-cell (cadherins) and cell-matrix (integrins) contacts. The cadherins generally mediate homophilic interactions, whereas the integrins mediate heterophilic interactions. Both the cadherins and integrins act as transmembrane linkers and depend on extracellular divalent cations to function; for this reason, most cell-cell and cell-matrix contacts are divalent-cation-dependent. The selectins and integrins can also act as heterophilic cell-cell adhesion molecules: the selectins bind to carbohydrate, while the cell-binding integrins bind to members of the immunoglobulin superfamily. The integrins and integral membrane proteoglycans that mediate nonjunctional adhesion to the extracellular matrix are discussed later.

非锚定连接的细胞间粘着方式 1.钙粘素； 2.免疫球蛋白类细胞粘着分子 3.选择素； 4.整合素； 5.质膜整合蛋白聚糖

非锚定连接（nonjunctional adhesion）的细胞粘连分子及其作用部位

Figure 19-29 Importance of the cytoskeleton in cell adhesion Figure 19-29 Importance of the cytoskeleton in cell adhesion.   This drawing illustrates why cell-adhesion molecules must be linked to the cytoskeleton in order to mediate robust cell-cell or cell-matrix adhesion. In reality, many adhesion proteins would probably be pulled from the cell with bits of attached membrane, and the holes left in the membrane would immediately reseal.

第三节 细胞外被与细胞外基质 一、 基本概念 二、胶原(collagen) 三、 氨基聚糖和蛋白聚糖 四、层粘连蛋白和纤粘连蛋白 第三节 细胞外被与细胞外基质 一、 基本概念 二、胶原(collagen) 三、 氨基聚糖和蛋白聚糖 四、层粘连蛋白和纤粘连蛋白 五、弹性蛋白(elastin) 六、植物细胞壁

（一）细胞外被(cell coat)又称糖萼(glycocalyx) 一、 基本概念 （一）细胞外被(cell coat)又称糖萼(glycocalyx) 结构组成： 指细胞质膜外表面覆盖的一层粘多糖物质，实际指细胞表面与质膜中的蛋白或脂类分子共价结合的寡糖链。 功能： 不仅对膜蛋白起保护作用，而且在细胞识别中起重要作用。

粘多糖 膀胱上皮细胞表面的糖被，钌红染色的电镜超薄切片 （梁凤霞，丁明孝）

（二）细胞外基质(extracellular matrix) 结构组成： 指分布于细胞外空间，由细胞分泌的蛋白和多糖所构成的网络结构。 主要功能： 构成支持细胞的框架，负责组织的构建； 胞外基质三维结构及成份的变化，改变细胞微环境从 而对细胞形态、生长、分裂、分化和凋亡起重要的调控 作用。 胞外基质的信号功能

网络结构 层粘连蛋白 胶原蛋白 纤连蛋白 蛋白聚糖

细胞外基质 Figure 19-30 Cells surrounded by spaces filled with extracellular matrix.    The particular cells shown in this low-power electron micrograph are those in an embryonic chick limb bud. The cells have not yet acquired their specialized characteristics. (Courtesy of Cheryll Tickle.)

成纤维细胞

（三）真核细胞的细胞外结构（extracellular structures） 生物种类 细胞外结构 结构纤维 水化基质组分 粘连分子 动物细胞 植物细胞 细胞外基质 细胞壁 胶原弹性蛋白 纤维素 蛋白聚糖 半纤维素、伸展蛋白 纤粘连蛋白 层粘连蛋白 果胶质

二、胶原(collagen) 胶原是胞外基质最基本结构成份之一，动物体内含量最丰富的蛋白（总量的 30％以上）。

（一）常见的胶原类型及其在组织中的分布  胶原是细胞外基质中最主要的水不溶性纤维蛋白；  Ⅰ～ Ⅲ型胶原含量最丰富，形成类似的纤维结构； 但并非所有胶原 都形成纤维； Ⅰ型胶原纤维束, 主要分布于皮肤、肌腱、韧带及骨中，具有很 强的抗张强度; Ⅱ型胶原主要存在于软骨中; Ⅲ型胶原形成微细的原纤维网，广泛分布于伸展性的组织，如 疏松结缔组织; Ⅳ型胶原形成二维网格样结构，是基膜的主要成分及支架。

（二）胶原及其分子结构 胶原纤维的基本结构单位是原胶原； 原胶原是由三条肽链盘绕成的三股螺旋结构； 原胶原肽链具有Gly-x-y（甘氨酸-脯氨酸-羟脯氨酸/羟赖氨酸）重复序列，对胶原纤维的高级结构的形成是重要的； 在胶原纤维内部，原胶原蛋白分子呈1/4交替平行排列,形成周期性横纹。

原胶原 胶原原纤维 胶原纤维

（三）胶原的合成与加工 前体肽链在粗面内质网合成，并形成前原胶原(preprocollagen)； 在粗面内质网合成、加工与组装，经高尔基体分泌； 前原胶原在细胞外由两种专一性不同的蛋白水解酶作用, 分别切去N-末端前肽及C-末端前肽，成为原胶原（procollagen）； 原胶原进而聚合装配成胶原原纤维（collagen fibril）、胶原纤维（collagen fiber）。

（a）胶原纤维的分子结构与形成过程(Ⅰ～Ⅶ)； （b）胶原纤维的电镜照片 三股螺旋结构

（四）胶原的功能 胶原在胞外基质中含量最高，刚性及抗张力强度最大，构成细胞外基质的骨架结构，细胞外基质中的其它组分通过与胶原结合形成结构与功能的复合体。 在不同组织中，胶原组装成不同的纤维形式，以适应特定功能的需要。 胶原可被胶原酶特异降解，而参入胞外基质信号传递的调控网络中。

三、氨基聚糖和蛋白聚糖

（一）糖胺聚糖（glycosaminoglycan） 糖胺聚糖是由重复的二糖单位构成的长链多糖。 二糖单位之一是氨基己糖(氨基葡萄糖或氨基半乳糖) + 糖醛酸; 氨基聚糖分为: 透明质酸、4-硫酸软骨素、6-硫酸软骨素、硫酸皮肤素、硫酸乙酰肝素、肝素和硫酸角质素等。 透明质酸(hyaluronic acid)及其生物学功能 透明质酸是增殖细胞和迁移细胞的胞外基质主要成分，也是蛋白聚糖的主要结构组分。 透明质酸在结缔组织中起强化、弹性和润滑作用。 透明质酸使细胞保持彼此分离，使细胞易于运动迁移和增殖并阻止细胞分化。

（二）蛋白聚糖（proteoglycan) 蛋白聚糖见于所有结缔组织和胞外基质及许多细胞表面。 蛋白聚糖由氨基聚糖与核心蛋白(core protein)的丝氨酸残基共价连接形成的巨分子。 若干蛋白聚糖单体借连接蛋白以非共价键与透明质酸结合形成多聚体 蛋白聚糖的特性与功能 显著特点是多态性：不同的核心蛋白，不同的糖胺聚糖聚糖； 软骨中的蛋白聚糖是最大巨分子之一，赋予软骨以凝胶样特性和抗变形能力； 蛋白聚糖可视为细胞外的激素富集与储存库，可与多种生长因子结合，完成信号的传导。

硫酸软骨素 硫酸角质骨素

透明质酸盐 硫酸软骨素 蛋白聚糖 硫酸角质骨素

四、层粘连蛋白和纤粘连蛋白

（一）层粘连蛋白(laminin) 层粘连蛋白是高分子糖蛋白（820KD）,动物胚胎及成体组织的基膜的主要结构组分之一； 层粘连蛋白的结构由一条重链和两条轻链构成 细胞通过层粘连蛋白锚定于基膜上； 层粘连蛋白中至少存在两个不同的受体结合部位： 与Ⅳ型胶原的结合部位； 与细胞质膜上的整合素结合的Arg-Gly-Asp(R-G-D)序列。 层粘连蛋白功能：在胚胎发育及组织分化中具有重要作用；层粘连蛋白也与肿瘤细胞的转移有关。

肝素或类肝素结合域

（二）纤粘连蛋白(fibronectin) 1、纤粘连蛋白是高分子量糖蛋白（220-250KD） 2、纤粘连蛋白的主要功能： 介导细胞粘着，进而调节细胞的形状和细胞骨架的组织，促进细胞铺展； 在胚胎发生过程中，纤粘连蛋白对于许多类型细胞的迁移和分化是必须的； 在创伤修复中，纤粘连蛋白促进巨噬细胞和其它免疫细胞迁移到受损部位； 在血凝块形成中，纤粘连蛋白促进血小板附着于血管受损部位。

3、纤粘连蛋白分型： 血浆纤粘连蛋白是二聚体，由两条相似的A链及链组成，整个分子呈V形。 细胞纤粘连蛋白是多聚体。 纤粘连蛋白不同的亚单位为同一基因的表达产物, 每个亚单位由数个结构域构成，RGD三肽序列是为细胞识别的最小结构单位。 纤粘连蛋白的膜蛋白受体为整合素家族成员之一，在其细胞外功能区有与RGD高亲和性结合部位。

细胞纤粘连蛋白是多聚体 Figure 19-61 Coalignment of extracellular fibronectin filaments and intracellular actin filament bundles.    The fibronectin is visualized in two rat fibroblasts in culture by the binding of rhodamine-coupled anti-fibronectin antibodies (A). The actin is visualized by the binding of fluorescein-coupled anti-actin antibodies (B). (R.O. Hynes and A.T. Destree, Cell 15:875-886)

整合素 踝蛋白 纤粘连蛋白

五、弹性蛋白(elastin) 弹性蛋白是弹性纤维的主要成分；主要存在于脉管壁及肺。 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。 弹性蛋白是高度疏水的非糖基化蛋白，具有两个明显的特征: 构象呈无规则卷曲状态; 通过Lys残基相互交连成网状结构。

六、植物细胞壁 （一）植物细胞壁的功能 增加细胞强度，提供支持功能； 信息储存库的功能：产生多种寡糖素作为信号物质，或抵抗病、虫害，或作为细胞生长和发育的信号物质。

（二）植物细胞壁的组成 纤维素分子纤维素微原纤维（microfibril） 为细胞壁提供了抗张强度 半纤维素（hemicellulose）: 木糖、半乳糖和葡萄糖等组成的高度分支 的多糖。 介导微原纤维连接彼此连接或介导微原纤维与其它基质成分（果胶 质）连接。 果胶质（pectin）：含有大量携带负电荷的糖，结合Ca2+等阳离子,被高 度水化形成凝胶。 果胶质与半纤维素横向连接,参与细胞壁复杂网架的形成。 伸展蛋白(extensin)：糖蛋白，在初生壁中含量可多达15％，糖的总量约 占65％。 木质素(lignin)：由酚残基形成的水不溶性多聚体。 参与次生壁形成,并以共价键与细胞壁多糖交联,大大增加了细胞壁的 强度与抗降解 。

Figure 19-64 Plant cell walls Figure 19-64 Plant cell walls.    (A) Electron micrograph of the root tip of a rush, showing the organized pattern of cells that results from an ordered sequence of cell divisions in cells with rigid cell walls. (B) Section of a typical cell wall separating two adjacent plant cells. The two dark transverse bands correspond to plasmodesmata that span the wall. (A, courtesy of Brian Gunning; B, courtesy of Jeremy Burgess.)

植物细胞壁组成

初生壁

补充内容 基底膜(basement membrane） 的结构(细胞外基质） 基底膜一般是由纤维的结缔组织，粘多糖和蛋白质所构成，电镜可分为三层，即中间层（电子密度较高的致密层）内层和外层（电子密度较低疏松层）。基底膜内主要含有IV形胶原蛋白，蛋白多糖和层粘连蛋白，这些物质的存在，给显示基底膜提供了物质基础。 基底膜 位于表皮与真皮交界处，为一层厚约0.5～1μm薄膜,由表皮细胞和真皮结缔组织细胞分泌形成。它使表皮与真皮紧密连接起来,并具有渗透和屏障作用，当基底膜损伤时，炎症细胞、肿瘤细胞和一些大分子可通过此层进入表皮。

假复层纤毛柱状上皮

单层柱状上皮 基底膜

柱状细胞 杯状细胞 基底膜

(本章内容完)