第5章-3细胞外基质

1、1第五章第五章 细胞的社会联系细胞的社会联系I.细胞的连接细胞的连接细胞表面：包括细胞膜、细胞表面：包括细胞膜、细胞外被细胞外被、细胞细胞外基质外基质。是细胞与外环境进行接触的部位。是细胞与外环境进行接触的部位。 第三节第三节 细胞外被及细胞外基质细胞外被及细胞外基质1.1.细胞外被细胞外被 (cell coat)电镜下的细胞表面电镜下的细胞表面细胞表面结构细胞表面结构51.1.细胞外被细胞外被 (cell coat)是细胞外表面覆盖的一层是细胞外表面覆盖的一层粘多糖粘多糖物质的质膜物质的质膜保护层，又称为保护层，又称为多糖包被多糖包被。往往与膜蛋白或膜。往往与膜蛋白或膜脂共价结合。脂共价结合

2、。功能：功能： Mediate cell-cell and cell-substratum interactions； Provide mechanical protection to cells。糖萼糖萼（Glycocalyx)2.2. 细胞外基质细胞外基质(extracellular matrix)指紧临细胞膜的细胞外空间指紧临细胞膜的细胞外空间, 是由细胞分泌的是由细胞分泌的蛋白蛋白和和多糖多糖所构成的所构成的网络结构网络结构。功能：功能：将细胞粘连在一起构成组织将细胞粘连在一起构成组织，提供细胞外网架，提供细胞外网架,维维持细胞形态；持细胞形态； 胞外基质三维结构及成份的变化胞外基质三

3、维结构及成份的变化,改变细胞微环境改变细胞微环境 从而对细胞形态、细胞的生命活动起重要的调控作用。从而对细胞形态、细胞的生命活动起重要的调控作用。 胞外基质的信号功能胞外基质的信号功能7Typical Extracellular matrix胶原胶原纤连蛋白纤连蛋白层粘连层粘连蛋白聚糖蛋白聚糖8真核细胞的细胞外结构真核细胞的细胞外结构（extracellular structures） 生物种类生物种类 细胞膜外细胞膜外结构结构 结构纤维结构纤维 水化基质水化基质 组分组分 粘连分子粘连分子 动物细胞动物细胞植物细胞植物细胞细胞外基细胞外基质质细胞壁细胞壁 胶原弹性蛋胶原弹性蛋白白 纤维素纤维

4、素 蛋白聚糖蛋白聚糖半纤维素、半纤维素、伸展蛋白伸展蛋白 纤粘连蛋白纤粘连蛋白层粘连蛋白层粘连蛋白 果胶质果胶质 93.3. 细胞外基质的基础物质细胞外基质的基础物质 可分为三大类可分为三大类 结构蛋白结构蛋白 如胶原和弹性蛋白，它们赋予基质一定如胶原和弹性蛋白，它们赋予基质一定 的强度和韧性。的强度和韧性。蛋白聚糖蛋白聚糖(proteoglycan) (proteoglycan) 粘连蛋白粘连蛋白(adhesive proteins)(adhesive proteins) 如纤粘连蛋白和层粘连蛋白，它们促使如纤粘连蛋白和层粘连蛋白，它们促使细胞细胞 同同 基质结合。基质结合。10 3.1 结

5、构蛋白结构蛋白( (一一) )、胶原、胶原(Collagen)基本特性：基本特性： 胶原是细胞外基质中最主要的胶原是细胞外基质中最主要的水不溶性纤维蛋白水不溶性纤维蛋白 胶原胶原是人体内含量是人体内含量最丰富最丰富的蛋白质的蛋白质,(约占总蛋白的约占总蛋白的30%左右左右) 胶原胶原产生于纤维原细胞产生于纤维原细胞.但仅存在于但仅存在于细胞外基质细胞外基质中。中。 Collagens are found throughout the animal kingdom and are noted for their high tensile strength, that is, their resi

6、stance to pulling forces. It is estimated that a collagen fiber 1 mm in diameter is capable of suspending a weight of 10 kg without breaking.11 常见的胶原类型及其在组织中的分布常见的胶原类型及其在组织中的分布 已发现的类型有已发现的类型有2020余种余种, , 每一类分布于特定的部位每一类分布于特定的部位, ,但但在同一细胞外基质中会同时存在两种以上类型的胶在同一细胞外基质中会同时存在两种以上类型的胶原纤维原纤维. .型胶原含量最丰富型胶原含量最丰富,

7、 ,形成类似的纤维结构；但并非形成类似的纤维结构；但并非所有胶原都形成纤维；所有胶原都形成纤维； 型胶原纤维束型胶原纤维束, , 主要分布于皮肤、肌腱、韧带及主要分布于皮肤、肌腱、韧带及骨中骨中, ,具有很强的抗张强度具有很强的抗张强度; ; 型胶原主要存在于软骨中型胶原主要存在于软骨中; ; 型胶原形成微细的原纤维网型胶原形成微细的原纤维网, ,广泛分布于伸展性的广泛分布于伸展性的组织组织, ,如疏松结缔组织如疏松结缔组织; ; 型胶原形成二维网格样结构型胶原形成二维网格样结构, ,是基膜的主要成分及是基膜的主要成分及支架。支架。 12胶原纤维结构特征胶原纤维结构特征 13胶原纤维结构特征胶

8、原纤维结构特征 胶原纤维的基本结构单位胶原纤维的基本结构单位( (胶原分子胶原分子) )是原胶原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是由三条肽链盘绕成的三股螺旋结构(trimers)(trimers) 在胶原纤维内部在胶原纤维内部, ,有分子内和分子间的交联。分子内交有分子内和分子间的交联。分子内交联是指原胶原的三条链之间的联是指原胶原的三条链之间的赖氨酸赖氨酸残基间的交联残基间的交联, ,分子间分子间的交联是指不同原胶原间的赖氨酸交联（一分子的的交联是指不同原胶原间的赖氨酸交联（一分子的N-N-末端末端与另一分子的与另一分子的C-C-末端赖氨酸或羟赖氨酸间）末端赖氨酸或羟赖氨

9、酸间） 在胶原纤维内部在胶原纤维内部, ,原胶原蛋白分子呈原胶原蛋白分子呈1/41/4交替平行排列交替平行排列, ,形成周期性横纹形成周期性横纹 原胶原肽链具有原胶原肽链具有Gly-X-YGly-X-Y重复序列，对胶原纤维的高重复序列，对胶原纤维的高级结构的形成是重要的，通常：级结构的形成是重要的，通常：X X：PrOPrO，Y Y：Hypro or Hypro or HylysHylys即肽链形成过程中即肽链形成过程中14Structural features15胶原的组装胶原的组装16胶原的合成、装配与运输胶原的合成、装配与运输内质网内质网高尔基体高尔基体分泌小泡分泌小泡17胶原的合成、装

10、配与运输胶原的合成、装配与运输 哺乳动物具有大约哺乳动物具有大约2020种不同的胶原基因，编码各种不同种不同的胶原基因，编码各种不同组织所需要的胶原组织所需要的胶原 首先是在粗面内质网上合成带有信号肽的前原胶原首先是在粗面内质网上合成带有信号肽的前原胶原(preprocollagan)(preprocollagan) 胶原纤维的加工组装始于内质网、在高尔基体中继续进胶原纤维的加工组装始于内质网、在高尔基体中继续进行行, , 最后完成于细胞外最后完成于细胞外: : 前原胶原在细胞外由两种专一性不同的蛋白水解酶作前原胶原在细胞外由两种专一性不同的蛋白水解酶作用用, , 分别切去分别切去N-N-末端

11、前肽及末端前肽及C-C-末端前肽末端前肽, ,成为原胶原成为原胶原（procollagenprocollagen） 原胶原进而聚合装配成胶原原纤维（原胶原进而聚合装配成胶原原纤维（collagen collagen fibrilfibril）、胶原纤维（）、胶原纤维（collagen fibercollagen fiber）18胶原的作用胶原的作用 胶原是骨、腱和皮肤组织中的主要蛋白，胶原是骨、腱和皮肤组织中的主要蛋白，在胞外基质中含量最高在胞外基质中含量最高, ,刚性及抗张力强度刚性及抗张力强度最大最大, ,胶原起着细胞外胶原起着细胞外基质骨架基质骨架作用作用; ; 胶原可被胶原酶特异降解，

12、而参入胞外胶原可被胶原酶特异降解，而参入胞外基质基质信号传递信号传递的调控网络中；的调控网络中； 在不同组织中，胶原组装成不同的纤维在不同组织中，胶原组装成不同的纤维形式形式, ,以适应以适应特定功能特定功能的需要。的需要。具刚性、抗具刚性、抗张力。张力。19胶原遗传缺陷胶原遗传缺陷某些人具有胶原合成的某些人具有胶原合成的遗传缺陷，这样遗传缺陷，这样, ,他们他们的胶原纤维就不能正确的胶原纤维就不能正确地装配，其结果，皮肤地装配，其结果，皮肤和各种其它的结绨组织和各种其它的结绨组织就会降低它们的强度变就会降低它们的强度变得非常的松弛。得非常的松弛。皮肤过渡松弛症皮肤过渡松弛症20（二）、弹性蛋

13、白（二）、弹性蛋白(Elastin)(Elastin)是弹性纤维是弹性纤维(elastic fibers)(elastic fibers)的主要成分。的主要成分。 功能：能够赋予细胞外基质弹性。功能：能够赋予细胞外基质弹性。 弹性蛋白富含甘氨酸和脯氨酸、赖氨酸。弹性蛋白富含甘氨酸和脯氨酸、赖氨酸。与胶原不同的是，弹性蛋白的脯氨酸、赖氨与胶原不同的是，弹性蛋白的脯氨酸、赖氨酸没有羟基化，所以没有羟脯（赖）氨酸的酸没有羟基化，所以没有羟脯（赖）氨酸的存在。高度疏水的非糖基化蛋白存在。高度疏水的非糖基化蛋白21弹性蛋白的结构弹性蛋白的结构无规则卷曲！无规则卷曲！通过赖氨酸残通过赖氨酸残基相互交联基相

14、互交联223.2 3.2 蛋白聚糖蛋白聚糖(Proteoglycan, PG) 蛋白聚糖见于所有结缔组织和细胞外基蛋白聚糖见于所有结缔组织和细胞外基质及许多细胞表面质及许多细胞表面 结构成分：结构成分： 蛋白与多聚糖的复合物蛋白与多聚糖的复合物 一个一个蛋白聚糖蛋白聚糖由由糖胺聚糖糖胺聚糖（glycosaminoglycans，GAGs)与与核心蛋白核心蛋白(core protein)的的丝氨酸丝氨酸残基共价连接形成的巨分子残基共价连接形成的巨分子.23Proteoglycan24细胞外基质中发现的大多数糖胺聚糖都是作为蛋白聚糖细胞外基质中发现的大多数糖胺聚糖都是作为蛋白聚糖的一个成分而存在的

15、一个成分而存在每条每条氨基聚糖链由重复的二糖单位构成的长链多糖，其氨基聚糖链由重复的二糖单位构成的长链多糖，其结构为结构为 -A-B-A-B-A-, A、B 代表两个不同的糖分子代表两个不同的糖分子.二糖单二糖单位之一是氨基己糖位之一是氨基己糖(氨基葡萄糖或氨基半乳糖氨基葡萄糖或氨基半乳糖)，故称为故称为糖糖胺胺聚糖聚糖糖胺糖胺聚糖包括聚糖包括 硫酸软骨素硫酸软骨素(chondroitin sulfate) 透明质酸透明质酸(hyaluronic acid)等等透明质酸它在细胞外基质中也透明质酸它在细胞外基质中也可游离存在可游离存在. 含大量的亲水含大量的亲水基团（羟基，羧基等），可结合大量水

16、基团（羟基，羧基等），可结合大量水透明质酸分子表面有很多透明质酸分子表面有很多羧基（羧基（-COO-COO- -）和硫酸盐基团，）和硫酸盐基团，因而呈酸性并带负电荷，可结合阳离子，提高渗透压；趋因而呈酸性并带负电荷，可结合阳离子，提高渗透压；趋向于向外膨胀，因而使细胞、组织具抗压能力向于向外膨胀，因而使细胞、组织具抗压能力 Glycosaminoglycans （GAGs）25构构成成糖糖胺胺聚聚糖糖的的二二糖糖26由于糖胺聚糖表面带的负电荷，可结合阳离由于糖胺聚糖表面带的负电荷，可结合阳离子，提高渗透压，转而又可结合大量水分子，子，提高渗透压，转而又可结合大量水分子，使蛋白聚糖形成多孔含水的

17、胶体，填充于细胞使蛋白聚糖形成多孔含水的胶体，填充于细胞外空间，包裹细胞外空间，包裹细胞 ，起到抗压、保护细胞的，起到抗压、保护细胞的作用作用. . 蛋白聚糖可与细胞外的多种生长因子结合，蛋白聚糖可与细胞外的多种生长因子结合，可视为细胞外的激素富集与储存库，因此在完可视为细胞外的激素富集与储存库，因此在完成信号的传导中起重要作用成信号的传导中起重要作用. . 蛋白聚糖的功能蛋白聚糖的功能: :273.3 3.3 粘连糖蛋白粘连糖蛋白粘连糖蛋白是细胞外基质中的第三类粘连糖蛋白是细胞外基质中的第三类成分，之所以将这些蛋白称为粘着蛋白，成分，之所以将这些蛋白称为粘着蛋白，主要是主要是这些蛋白起着将细

18、胞外基质与细这些蛋白起着将细胞外基质与细胞联系起来的桥梁作用。胞联系起来的桥梁作用。是高分子糖蛋白。是高分子糖蛋白。28（一）、（一）、层粘连蛋白层粘连蛋白( (laminin, LN) )层粘连蛋白是高分子糖蛋白（层粘连蛋白是高分子糖蛋白（820KD820KD）, ,动物动物胚胎及成体组织的基膜胚胎及成体组织的基膜(basal lamina)(basal lamina)的主要的主要结构组分之一结构组分之一基膜：基膜： 50 to 200 nm 50 to 200 nm 厚的膜被，如肌肉、脂肪、厚的膜被，如肌肉、脂肪、上皮细胞等的膜外，由层粘连蛋白上皮细胞等的膜外，由层粘连蛋白+型胶原型胶原+

19、 +巢蛋白巢蛋白+ +硫酸肝素糖蛋白等组成硫酸肝素糖蛋白等组成 由一条重链和两条轻链通过二硫键相连而形由一条重链和两条轻链通过二硫键相连而形成的十字形分子结构成的十字形分子结构29Laminin30层粘连蛋白的功能层粘连蛋白的功能首先作为基膜的主要结构成分对首先作为基膜的主要结构成分对基膜的组装基膜的组装起关键作起关键作用。用。细胞是通过层粘连蛋白细胞是通过层粘连蛋白锚定锚定于基膜上。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：层粘连蛋白中至少存在两个不同的受体结合部位： 与与型胶原的结合部位；型胶原的结合部位； 与细胞质膜上的整合素结合的与细胞质膜上的整合素结合的RGDRGD（A

20、rg-Gly-Arg-Gly-AspAsp）序列。序列。层粘连蛋白在胚胎发育及组织分化中具有重要作用；层粘连蛋白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。层粘连蛋白也与肿瘤细胞的转移有关。31（二）、纤粘连蛋白（二）、纤粘连蛋白(Fibronectin, FN)纤粘连蛋白是高分子量糖蛋白（纤粘连蛋白是高分子量糖蛋白（220-250KD220-250KD） 血浆纤粘连蛋白是二聚体血浆纤粘连蛋白是二聚体, ,由两条相似的由两条相似的A A链链及及B B链组成链组成, ,整个分子呈整个分子呈V V形。存在于血液和其形。存在于血液和其它体液中它体液中 细胞纤粘连蛋白是多聚

21、体。细胞外基质中细胞纤粘连蛋白是多聚体。细胞外基质中 纤粘连蛋白不同的亚单位为同一基因的表达纤粘连蛋白不同的亚单位为同一基因的表达产物产物32整联蛋白与细胞外受体相连整联蛋白与细胞外受体相连33 FN FN的结构特点：的结构特点： 每个亚单位由数个结构域构成每个亚单位由数个结构域构成 有两个关键的结合位点：有两个关键的结合位点： 与其他与其他 ECM, ECM, 如如 collagens collagens 和和proteoglycansproteoglycans等等结合的位点。这些位点将不同的分子连成了稳定的互连结合的位点。这些位点将不同的分子连成了稳定的互连网状结构网状结构 与细胞表面结合

22、的位点。这些位点将细胞与细胞与细胞表面结合的位点。这些位点将细胞与细胞外基质稳定的粘连在一起。该结构域中含外基质稳定的粘连在一起。该结构域中含RGDRGD三肽序列三肽序列 纤粘连蛋白的膜蛋白受体为整合素家族成员纤粘连蛋白的膜蛋白受体为整合素家族成员之一之一, ,在其细胞外功能区有与在其细胞外功能区有与RGDRGD高亲和性结合的高亲和性结合的部位。部位。34 RGD RGD序列序列 用蛋白酶消化纤粘连蛋白与细胞结合区用蛋白酶消化纤粘连蛋白与细胞结合区, , 发现这一结构域中发现这一结构域中Arg-Gly-AspArg-Gly-Asp三肽序列负责三肽序列负责同细胞表面的结合同细胞表面的结合 Arg

23、-Gly-AspArg-Gly-Asp序列序列( (又称又称RGDRGD序列序列) )同样存在同样存在于细胞外基质和血液的其它类型的黏着蛋白于细胞外基质和血液的其它类型的黏着蛋白序列中。序列中。 是细胞识别的最小结构单位是细胞识别的最小结构单位35 FN FN的功能：的功能： FNFN最主要的功能是介导细胞的黏着最主要的功能是介导细胞的黏着 促进细胞迁移促进细胞迁移 由于由于FNFN具有同时与细胞外基质各类成分相结具有同时与细胞外基质各类成分相结合的特点合的特点, ,并可促进细胞外基质的其它成分的并可促进细胞外基质的其它成分的沉积沉积, ,故认为故认为FNFN是细胞外基质的组织者。是细胞外基质

24、的组织者。36细胞与细胞外基质细胞与细胞外基质毛细管毛细管弹性纤维弹性纤维肥大细胞肥大细胞胶原纤维胶原纤维上皮细胞上皮细胞基膜基膜巨噬细胞巨噬细胞纤维原细胞纤维原细胞糖胺聚糖、糖胺聚糖、蛋白聚糖、糖蛋白蛋白聚糖、糖蛋白4. PLANT CELL WALLS 细胞壁的结构组成细胞壁的结构组成植物的细胞壁相当于动物细胞的细胞植物的细胞壁相当于动物细胞的细胞 外基质外基质(!)(!)： 动物细胞的细胞外基质的主要成分动物细胞的细胞外基质的主要成分是是 蛋白质分子；蛋白质分子； 植物的细胞壁主要是多糖，其中最植物的细胞壁主要是多糖，其中最主主 要的是纤维素。要的是纤维素。植物细胞壁的骨架：纤维素植物细

25、胞壁的骨架：纤维素38 细胞壁的结构组成细胞壁的结构组成 纤维素分子纤维素分子纤维素微原纤维（纤维素微原纤维（microfibril）,为细胞壁提供了抗张强度为细胞壁提供了抗张强度 半纤维素（半纤维素（hemicellulose）: 木糖、半乳糖和葡萄糖木糖、半乳糖和葡萄糖 等组成的高度分支的多糖等组成的高度分支的多糖 介导微原纤维彼此连接或介导微原纤维与其介导微原纤维彼此连接或介导微原纤维与其 它基质成分（果胶质）连接它基质成分（果胶质）连接 果胶质（果胶质（pectin）：含有大量携带负电荷的糖，结合）：含有大量携带负电荷的糖，结合 Ca2+等阳离子等阳离子,被高度水化形成凝胶被高度水化形

26、成凝胶 果胶质与半纤维素横向连接果胶质与半纤维素横向连接,参与细胞壁复杂网架的形成。参与细胞壁复杂网架的形成。伸展蛋白伸展蛋白(extensin)：糖蛋白：糖蛋白,在初生壁中含量可多达在初生壁中含量可多达15，糖，糖的总量约占的总量约占65 支撑作用支撑作用,并抵御微生物的入侵并抵御微生物的入侵 木质素木质素(lignin)：由酚残基形成的水不溶性多聚体：由酚残基形成的水不溶性多聚体参与次生壁形成参与次生壁形成,并以共价键与细胞壁多糖交联并以共价键与细胞壁多糖交联,大大增大大增 加了细胞壁的强度与抗降解能力加了细胞壁的强度与抗降解能力39 植物细胞壁的作用植物细胞壁的作用 提供一个细胞外网架结构提供一个细胞外网架结构