细胞生物学之笔记--第11章细胞外基质及其细胞的相互作用

1、第11章 细胞外基质及其细胞的相互作用定义：细胞外基质extracellular matrix, ECM是细胞分泌到细胞外空间的分泌蛋白和多糖构成的 精密有序的网状结构分类：构成细胞外基质的大分子种类繁多，大致分为三类：氨基聚糖与蛋白聚糖；胶原和弹性蛋白；非胶原性黏合蛋白：纤连蛋白和层粘连蛋白第1节 细胞外基质的主要组成成分从结构表现形式上，细胞外基质主要由凝胶样基质（氨基聚糖、蛋白聚糖）和纤维网架（胶原、弹性蛋白）构成，起黏着作用：纤连蛋白、层粘连蛋白分布：细胞外基质含量因组织种类而不同，上皮、肌组织、脑等含量较少；结缔组织中细胞外基质含量最大1、 糖胺聚糖glycosaminoglycan

2、, GAG与蛋白聚糖proteoglycan, PGGAG与PG是一些高分子量的含糖化合物，构成细胞外高度亲水的凝胶，赋予组织良好的弹性和抗压性（1） 糖胺聚糖是由重复的二糖单位（氨基乙糖/糖醛酸）构成的直链多糖 因糖残基上有羧基，故氨基聚糖呈强负电性透明质酸HAHyaluroinc acid结缔组织、皮肤、软骨、滑液、玻璃体硫酸化硫酸软骨素CSChondroitin sulfate软骨、角膜、骨、皮肤、动脉硫酸皮肤素DSDermatan sulfate皮肤、血管、心瓣膜、韧带硫酸乙酰肝素HSHeparan sulfate肺、动脉、细胞表面肝素heparin肺、肝、皮肤、肥大细胞硫酸角质素KS

3、Keratan sulfate软骨、角膜、椎间盘HA：透明质酸是氨基聚糖中结构最简单的一种，其二糖单位是N-乙酰氨基葡萄糖和葡萄糖醛酸。透明质酸的糖醛酸的羧基带有大量负电荷，其相斥作用使整个分子伸展膨胀，占据很大的空间，一个透明质酸分子可以占据1000倍于自身分子的空间，有良好的弹性和抗压性，HA在组织创伤、早期胚胎中尤为丰富，促进细胞迁移和增殖；是胚胎发育早期的空间填充物，用于定形，如心脏形成；作为关节液的重要成分，有润滑作用。任务完成后，可被透明质酸酶降解（2） 蛋白聚糖是由糖胺聚糖和核心蛋白共价结合形成的高分子量复合物定义：蛋白聚糖 proteoglycan, PG是由氨基聚糖（透明质酸

4、除外）与核心蛋白共价形成的高分子复合物，是含糖量极高的糖蛋白。其分子量大，含糖量高，可达分子量的95%1. 蛋白聚糖的分子结构核心蛋白为单链多肽，一条核心蛋白分子上可连接1100条以上氨基聚糖 （相同或不同的氨基聚糖），形成蛋白聚糖单体。若干个蛋白聚糖单体通过连接蛋白 linker protein，以非共价键与透明质酸结合，形成蛋白聚糖多聚体2. 蛋白聚糖的合成与装配核心蛋白在粗面内质网核糖体上合成，在内质网腔中装配上直链多糖蛋白聚糖单体装配时，首先一个专一的四糖(-木糖-半乳糖-半乳糖-葡萄糖醛酸-)(Xyl-Gal-Gal-GlcUA) 结合到 核心蛋白的丝氨酸残基上；然后在糖基转移酶作用

5、下，一个个糖基依次加上，形成氨基聚糖糖链蛋白聚糖的显著特点多态性：核心蛋白氨基酸序列不同、糖链长度和成分不同蛋白聚糖主要根据其二糖单位命名 有些蛋白聚糖是质膜的整合蛋白，如连接素 syndecan，存在于成纤维细胞和上皮细胞质膜中（3） 糖胺聚糖与蛋白聚糖的功能1. 使组织具有弹性和抗压性2. 对物质转运有选择渗透性糖基纵横交错、高度亲水、具有负电性，构成高度水化孔胶样物；孔的大小和电荷密度，可调节对分子、细胞的通透性，具有分子筛的作用；如肾小球基底膜硫酸软骨素,CS蛋白聚糖对原尿的生成具有筛滤作用3. 角膜中蛋白聚糖具有透光性硫酸软骨素CS、硫酸角质素KS高度硫酸化，使基质脱水变得致密；阻止

6、血管的形成，使角膜柔软、具有透光性；角质化亦有保护作用4. 糖胺聚糖具有抗凝血的作用肝素蛋白聚糖+抗凝血酶=抑制凝血因子的作用5. 细胞表面的蛋白聚糖有传递信息作用如 连接素 的作用6. 糖胺聚糖和蛋白聚糖与组织老化有关胚胎发育期，透明质酸合成旺盛，胎儿皮肤中的透明质酸HA和硫酸软骨素CS含量是成人20倍；随年龄增大逐渐减少，逐渐被硫酸皮肤素DS所取代关节软骨中的蛋白聚糖随年龄增加逐渐减少，硫酸软骨素CS被硫酸角质素KS逐渐取代随个体衰老，蛋白聚糖的糖链比例下降，组织的保水性及弹性减弱氨基聚糖的阴离子可结合钙离子，在组织的钙化、尤其是骨盐的沉积中起重要作用（4） 糖胺聚糖和蛋白聚糖与疾病蛋白聚

7、糖的降解可在一系列细胞外酶或溶酶体酶催化下进行基因突变引起的缺乏降解氨基聚糖的酶(如糖苷酶、硫酸酯酶)，将导致氨基聚糖、蛋白聚糖、或降解中间产物的内堆积，形成黏多糖累积病 mucopolysaccharidoses，如 Hunter综合症动脉粥样硬化患者的血管内皮细胞表面硫酸乙酰肝素HS、硫酸软骨素CS含量下降，硫酸皮肤素DS蛋白聚糖含量升高，容易与低密度脂蛋白结合，导致脂类的血管壁沉积氨基聚糖变化、蛋白聚糖异常表达，对肿瘤的发生、发展、转移有重要意义；一些肿瘤的透明质酸、硫酸软骨素增多，抑制细胞分化，有利于细胞迁移、增殖许多癌组织硫酸乙酰肝素硫酸化程度下降，为肿瘤增殖、脱落、侵袭、转移提供了

8、条件2、 胶原与弹性蛋白（1） 胶原是细胞外基质的骨架胶原collagen是动物体内高度特化的纤维蛋白家族，是人体含量最丰富的蛋白质，占蛋白总量的 25%30%胶原遍布于各种器官和组织，在结缔组织中含量最丰富，是细胞外基质的框架结构胶原由成纤维细胞、软骨细胞、成骨细胞、某些上皮细胞合成并分泌到细胞外1. 胶原的分子结构胶原分子为三股螺旋(triple helix)结构，3条多肽链盘绕而成，长300nm，直径1.5nm人类 每条肽链约1050 aa，其中Gly（甘氨酸）占1/3，同时富含 Pro（脯氨酸）和Lys（赖氨酸），这2种氨基酸经常羟基化形成Hypro和Hylys，Lys 选择性糖基化肽

9、链中的氨基酸组成规律的三肽重复序列Gly-X-Y，X多为Pro，其环状结构稳定螺旋构象；Y可为任一氨基酸，多为Hy-pro或Hy-lys；甘氨酸(Gly)是最小氨基酸，使肽链卷曲成规律的-螺旋，适于在紧密的三股螺旋中心肽链的羟基化与糖基化使肽链交联，形成稳定的3-螺旋结构2. 胶原的类型链是胶原的基本亚单位，目前已发现25种不同的链，26种胶原；不同的链以不同方式 组合成不同类型的胶原每型胶原由3条相同或不同的链构成，I型胶原异源三聚体1(I)22(I)肌腱、皮肤、骨、韧带很强的抗张强度诱导成纤维细胞II型胶原同源三聚体1(II)3软骨软骨细胞III型胶原同源三聚体1(III)3皮肤、肌肉、结

10、缔组织在血管壁和各种软组织或器官间质形成微细的纤维网IV型胶原 异源三聚体1(IV)2 2(IV) 基底膜形成 二维网络样结构上皮细胞3. 胶原的合成装配与降解分泌细胞：胶原由结缔组织的成纤维细胞、间充质来源的成骨细胞、成软骨细胞、各种上皮细胞、牙本质细胞、神经组织的雪旺氏细胞等合成分泌胶原分子的基因很大，约3040kb；人1(I)链的基因含51个外显子，多数外显子由54个或54倍数个核苷酸组成；推测 I、 II、 III型胶原 链的基因是由编码54个核苷酸的原始基因 复制演化而来； IV型胶原跟前三者差别较大（1） 胶原在细胞内的合成胶原的合成、组装始于内质网，在高尔基体进行修饰，最后在细胞

11、外组装成胶原纤维细胞核内：链的基因转录成hnRNA（不均一核RNA），经过剪接、加工形成mRNA粗面内质网：表面的核糖体上翻译成前体肽链；进入内质网腔，切去信号肽，然后在肽链两端加上前肽，形成前链(pro- chains) ；粗面内质网腔：前链 中的Pro和Lys 被羟化成 Hypro和Hylys；3条前链 C端前肽形成二硫键交联，使3条前链对齐，从C端向N端聚合成带前肽的三股螺旋结构前胶原 procollagen高尔基体：前胶原分子囊泡运进高尔基体，进一步加工修饰，被包入分泌小泡，分泌到 细胞外（2） 胶原在细胞外的装配在分泌过程中，前胶原分子一旦暴露于细胞外，就被前肽酶切去N端、C端的前肽

12、序列，形成直径1.5nm，长300nm的原胶原分子 collagen molecule原胶原分子在细胞外进一步按 相邻分子相错1/4 长度(约67nm)，前后分子首尾相隔 35nm 自我装配成明暗相间、直径1030nm 的胶原原纤维 collagen fibril细胞外基质中，胶原原纤维 常聚集成束，形成直径数微米、光镜下可见的胶原纤维 collagen fiber前链3前链前胶原原胶原分子胶原原纤维胶原纤维（3） 胶原的降解胶原的更新转换很慢，成年人骨中的胶原分子，半衰期达10年；一般的蛋白质半衰期为数小时或数天胶原分子可被胶原酶collagenase降解，胶原酶的活化与抑制对胶原的转换率具

13、有重要作用活化胶原酶：创伤组织、癌变组织胶原酶活性；蛋白酶、纤溶酶活化胶原酶；糖皮质激素诱导合成胶原酶抑制胶原酶：结缔组织合成胶原酶抑制剂；雌二醇、黄体酮抑制子宫胶原降解4. 胶原的功能（1） 胶原在不同组织中行驶不同的功能皮下结缔组织中，抵抗拉力；肌腱很强韧性，承受巨大拉力；骨、角膜胶原呈胶合板样多片层，透明而又有一定强度；III型胶原纤维网，包绕腺泡、肌肉；IV型胶原基底膜网架结构胶原与细胞外基质各种成分结合，组织细胞外基质，结合细胞表面受体，连接组织、器官（2） 胶原与细胞的增殖分化有关人体细胞绝大多数是 贴附依赖性细胞，胶原为主的细胞外基质为细胞的增殖起刺激促进作用胶原能诱导细胞分化，

14、在不同胶原上，干细胞被诱导成不同类型细胞：I型胶原：成纤维细胞、II型胶原：软骨细胞、IV型胶原：上皮细胞（3） 哺乳动物在发育的不同阶段表达不同类型的胶原胎儿皮肤表达大量型胶原，渐被I型胶原取代；皮肤损伤，型胶原含量上升成熟组织胶原稳定，在炎症和创伤修复时，胶原表达呈现胚胎特点：胶原分子间缺乏交联。人体衰老，胶原分子交联增多，胶原纤维结构变得紧密，导致人体组织变得僵硬5. 胶原与疾病（1） 维生素C缺乏导致坏血病胶原形成过程中，链的羟基化和糖基化，是肽链间交联形成稳定 3-螺旋 的必须条件，此过程需要酶和多种辅助因子(Vc、Fe2+、-酮戊二酸)的参与。缺乏辅助因子，羟化受阻，分子交联失败，

15、导致非羟化的链在细胞内被降解，皮肤、血管变脆坏血病（2） 遗传性胶原病成骨发育不全综合症，是I型胶原合成障碍，骨骼发育不良，四肢短小，易骨折II型胶原基因突变 导致软骨异常，骨和关节发育异常爱-唐综合症，胶原基因突变 导致胶原N端延长 或没有切去前肽，使胶原结构细长、无规则，骨骼、肌腱缺乏刚性，关节活动过度，皮肤、肌腱、血管变脆胶原表达过度，可造成肝、肺、皮肤 病理性纤维化；从正常含量的5%10%上升到50%（3） 免疫性胶原病人体免疫组织在正常状况下，对自身的胶原组织有免疫耐受性；此特性丧失 致自身免疫性胶原组织损伤，如类风湿性关节炎、慢性肾炎等；免疫复合物在胶原组织沉淀，引起炎症反应（2）

16、 弹性蛋白是构成细胞外基质中弹性纤维网络的主要成分弹性蛋白 elastin 是构成细胞外基质中弹性纤维网络的主要成分，是高度疏水的非糖基化纤维蛋白，分布于皮肤、大动脉、肺等肽链不含Gly-X-Y三肽重复序列，不形成三股螺旋，而呈无规则的卷曲肽链主要由两类短肽交替排列：疏水性短肽，赋与分子弹性；螺旋短肽，富含丙氨酸、赖氨酸，在相邻分子间形成交联弹性蛋白以可溶性弹性蛋白原tropoelastin 的形式，分泌到细胞外，并通过赖氨酸残基之间 相互交联装配形成弹性纤维网弹性蛋白的无规则卷曲和高度交联，使之弹性伸长、回缩能力强，比同样横截面橡皮条 弹性高5倍胶原纤维与弹性纤维相互交织，限制伸展程度，防止

17、组织断裂弹性蛋白的降解主要由弹性蛋白酶elastase 催化弹性纤维elastic fiber 并非单纯由弹性蛋白构成，弹性蛋白表面包饶一层糖蛋白组成的微原纤维microfibrils，其中较大的糖蛋白原纤蛋白fibrillin是保持弹性纤维完整所必需的成分；其 基因突变，可导致马凡氏综合症Marfans syndrome：结缔组织弹性纤维受损，严重者主动脉易破裂弹性蛋白是动脉中含量最高的细胞外基质蛋白，占主动脉干重50%，其基因突变 可导致动脉壁平滑肌细胞过度增殖，引起动脉狭窄老年组织中，弹性蛋白生成减少，降解增强，组织失去弹性3、 细胞外基质中的非胶原蛋白非胶原性黏合蛋白共同特点：既与细胞

18、结合，又与细胞外基质其他分子结合，故而使细胞与细胞外基质相互黏着，是细胞外基质中的黏合蛋白（1） 纤连蛋白广泛存在于各种动物组织中纤连蛋白fibronectin, FN 最早发现的细胞外基质黏合蛋白，是高分子量糖蛋白，其糖含量因组织不同、分化不同而有差异： 4.5% 9.5%可溶性纤连蛋白，存在于血浆、各种体液，由肝实质细胞 分泌产生，称：血浆纤连蛋白不溶性纤连蛋白，存在于细胞外基质(包括 基底膜)、细胞表面，由间质细胞分泌产生，称：细胞纤连蛋白1. 纤连蛋白的分子结构各种纤连蛋白均由相似的亚单位(分子量220250kD)组成；血浆纤连蛋白由两条相似的肽链形成二聚体dimer(450kD)，两

19、条肽链在C端形成二硫键交联，呈V字形；细胞纤连蛋白为二聚体 交联形成的多聚体研究证明，不同结构域含不同大分子结合位点，与不同大分子或细胞表面受体结合，是多功能分子纤连蛋白可结合：胶原、肝素、纤维蛋白、血小板反应蛋白、凝血因子、多胺、DNA等纤连蛋白的肽链中具有三肽序列Arg-Gly-Asp (RGD)精-甘-天冬氨酸，是细胞表面各种FN受体识别并结合最小单位，但并非FN所特有。2. 纤连蛋白的功能（1） 介导细胞与细胞外基质间的黏着介导细胞与细胞外基质、细胞之间的相互黏着通过与黏着斑的作用，调节细胞的形状、细胞骨架的装配，促进细胞铺展，加速细胞的增殖和分化（2） 纤连蛋白与细胞的迁移细胞的迁移

20、依赖于细胞的黏附、去黏附，细胞骨架的组装、去组装在黏着斑处，整合素通过纤连蛋白介导细胞与细胞外基质黏附；并通过黏着斑的形成与解离，影响细胞骨架的组装与去组装，促进细胞的迁移运动（3） 纤连蛋白在组织创伤修复中的作用血浆中的纤连蛋白能促进血液凝固、伤口面的修复。在组织创伤修复中，血浆纤连蛋白之间结合，在伤口处吸引成纤维细胞、平滑肌细胞、内皮细胞向伤口迁移，形成肉芽组织，然后形成瘢痕；同时刺激上皮细胞增生，修复创面3. 纤连蛋白与疾病血浆纤连蛋白主要来自肝细胞，少量来自血管内皮细胞，当肝坏死、重度肝炎、肝硬化、肝癌时，血浆纤连蛋白显著降低，血液凝固、创伤修复受到一定影响纤连蛋白与肾小球肾炎有关，肾

21、小球基底膜中含有大量纤连蛋白，当DNA、金黄色葡萄球菌、链球菌、胶原、纤维蛋白的降解产物，直接或以免疫复合物的形式，与纤连蛋白结合，沉积在肾小球基底膜上，引起肾小球肾炎。而血浆中纤连蛋白与上述降解产物、免疫复合物结合，被巨噬细胞表面受体识别而清除，对肾脏起保护作用在创伤修复中，局部纤连蛋白过度表达，导致 瘢痕过度形成恶性肿瘤细胞表面的纤连蛋白受体异常，细胞黏着能力下降，使细胞容易分散、转移（2） 层粘连蛋白LN是基膜的主要成分层粘连蛋白 laminin, LN 是胚胎发育过程中出现最早的细胞外基质成分，也是基底膜主要结构组分之一1. 层粘连蛋白的分子结构textP272图是一种高分子量糖蛋白，

22、由、 三条不同肽链组成的异三聚体，一条重链与两条轻链 、 借二硫键相连，呈不对称十字结构；三条短臂(N-端)、一条长臂8种亚单位由8个结构基因编码，有组织、分化 特异性2. 层粘连蛋白的功能层粘连蛋白是基底膜的主要成分，构建组装基底膜的基本框架层粘连蛋白上有RGD三肽序列，可被上皮细胞、内皮细胞、神经细胞、肌细胞、多种肿瘤细胞 识别结合，从而将细胞黏附在基底膜上，促进细胞生长，并铺展成一定形态通过与细胞的相互作用，直接或间接控制细胞活动，如细胞黏附、迁移、分化、增殖、凋亡、基因表达等在早期胚胎发育中有重要意义：保持细胞间黏附、细胞极性、细胞分化层粘连蛋白有助于神经元体外存活，在缺乏神经生长因子

23、时，促进中枢、外周 神经元 轴突 生长3. 层粘连蛋白与疾病层粘连蛋白在体内的合成、降解异常与许多疾病有关；如糖尿病有广泛的基底膜改变；糖尿病性肾病肾小球基底膜中层粘连蛋白含量降低，血清和尿中出现层粘连蛋白、IV型胶原的降解产物一些疾病与层粘连蛋白自身免疫反应有关，如链球菌感染导致的肾小球肾炎患者，血中出现 抗层粘连蛋白抗体，引起自身免疫反应，使肾小球基底膜受损在扩张性心肌病、心肌炎 患者血中 检测到 抗层粘连蛋白的抗体层粘连蛋白促进肿瘤细胞的生长、转移第2节 细胞外基质的特化结构-基膜基膜/基底膜 basal lamina或basement membrane 是细胞外基质的特化结构形式，是一种柔软、坚韧的网膜结构，一般厚40120 nm 分布：位于上皮细胞或内皮细胞基底部，或包绕在肌细胞、雪旺氏细胞周围，将细胞与结缔组织