医学细胞生物学课件：第十章 细胞外基质

1、第十四章第十四章 细胞外基质细胞外基质 ( extracellular matrix)内容内容概概 述述第一节第一节 氨基聚糖和蛋白聚糖氨基聚糖和蛋白聚糖第二节第二节 胶原与弹性蛋白胶原与弹性蛋白第三节第三节 非胶原性黏合蛋白非胶原性黏合蛋白 多细胞生物多细胞生物 细胞(cell) ：机体形态结构与功能的基本单位 组织（tissue) :众多的细胞由细胞外基质组合在 一起构成的细胞群体。 （上皮组织，结缔组织，肌组织，神经组织） 组织(tissue)器官(organ)系统(system) 概概 述述 分布于细胞外空间，细胞分泌的由蛋白质和多糖 构成的高度水合性纤维网络凝胶结构。细胞外基质定义细

2、胞外基质定义 ： 功能：功能： 对细胞支持、连接、保护、营养 与细胞各种生命活动有关 与组织细胞病理过程有关（创伤修复、纤维化、细胞恶变侵润转移）来源：成纤维细胞（主） 特化细胞含量种类差别大、决定组织物理性状适合其功能上皮组织 肌组织 脑脊髓肝含量少：含量多： 结缔组织平滑肌神经组织神经组织骨组织骨组织二、细胞外基质的组成成分二、细胞外基质的组成成分1. 氨基聚糖和蛋白聚糖 凝胶样基质2. 胶原和弹性蛋白 纤维网架3. 非胶原糖蛋白（纤连蛋白和层粘连蛋白）粘着成分成分：成分：细胞外基质细胞外基质 上皮细胞上皮细胞基底膜基底膜 巨噬细胞巨噬细胞成纤维细胞成纤维细胞蛋白多糖蛋白多糖胶原纤维胶原纤

3、维弹性纤维弹性纤维肥大细胞肥大细胞结缔组织中的细胞外基质结缔组织中的细胞外基质第一节第一节 氨基聚糖和蛋白聚糖氨基聚糖和蛋白聚糖一、氨基聚糖（一、氨基聚糖（glycosaminoglycan,GAGglycosaminoglycan,GAG） 重复的二糖单位构成的直链多糖二糖单位氨基己糖 (N-乙酰氨基葡萄糖 / 乙酰氨基半乳糖 )糖醛酸 (葡萄糖醛酸/艾杜糖醛酸)化学组成：化学组成： 重复二糖单位构成的直链多糖,多数糖基硫酸化并带有羧基，呈强负电性。艾杜糖醛酸N-乙酰半乳糖-4-硫酸硫酸皮肤素二糖重复单位六种类型 ( 糖基连接方式 硫酸化位置)：1. 透明质酸（HA）2. 硫酸软骨素（CS）

4、3. 硫酸皮肤素（DS）4. 硫酸角质素（KS）5. 硫酸乙酰肝素（HS）6. 肝素（heparin）二糖单位： N-乙酰氨基葡萄糖 葡萄糖醛酸 5 00010 000个二糖重复单位透明质酸（透明质酸（hyaluronic acid,HA）-1,3连接组成N-乙酰氨基葡萄糖乙酰氨基葡萄糖葡萄糖醛酸葡萄糖醛酸透明质酸（透明质酸（hyaluronic acid,HA）n结构：最简单 不发生硫酸化 含有大量亲水基团、负电荷n形态：呈无规则卷曲状n降解：透明质酸酶n功能：赋予组织弹性、抗压性 促进细胞迁移、增殖透明质酸（透明质酸（hyaluronic acid， HA）二、蛋白聚糖二、蛋白聚糖(pro

5、teoglycan,PG） 1. 组成结构：组成结构：氨基聚糖氨基聚糖核心蛋白核心蛋白共价结合共价结合一条核心蛋白可结合一条核心蛋白可结合100条以上相同或条以上相同或不同的氨基聚糖蛋不同的氨基聚糖蛋 蛋白聚糖单体蛋白聚糖单体蛋白聚糖单体蛋白聚糖单体蛋白聚糖单体连接蛋白透明质酸 蛋白聚糖多聚体 非共价氨基聚糖氨基聚糖核心蛋白核心蛋白透明质酸透明质酸分分子子筛筛形成巨大多聚体异质性高分类困难蛋白聚糖多聚体蛋白聚糖多聚体2. 蛋白聚糖的合成蛋白聚糖的合成 核心蛋白在RER核糖体核糖体上合成，高尔基体高尔基体内装配直链多糖（GAG）。硫酸化、异构化修饰。核心蛋白Ser连接四糖糖基转移酶合成糖链氨基聚

6、糖和蛋白聚糖功能：构成水合凝胶样基质 1. 使组织具有弹性和抗压性 2. 对物质转运有选择渗透性 3. 传递信息/抗凝血功能 4. 角膜中的PG有透光性 5. 组织老化有关第二节第二节 胶原与弹性蛋白胶原与弹性蛋白一、一、 胶原（胶原（collagen） 高度特化、不溶性的纤维蛋白家族。 体内含量最多的蛋白(25%)。 分布于各种组织细胞间。 不同组织中胶原的含量差别很大。 成纤维细胞、成骨细胞、软骨细胞合成分泌。胶原在不同组织中的含量胶原在不同组织中的含量 /组织胶原的含量（克 100 克干重）脱钙骨88.0跟腱86.0皮肤71.9角膜68.1软骨4663韧带17.0主动脉1224肺10肝4

7、胶原纤维束胶原纤维束三肽重复序列：Gly-X-Y X=Pro、Y=Hypro或(Hylys)（一）胶原分子（一）胶原分子（collagen molecule）的）的结构结构1.胶原分子：三条-螺旋肽链组成的3股螺旋结构。 L: 300nm, :1.5nm, 每条约1000AA。 Gly: 1/3(选择性糖基化)（甘氨酸 ）Pro(Hypro)（羟脯氨酸）Lys(Hylys)（羟赖氨酸）链及胶原分子（collagen molecule）羟化和糖羟化和糖基化基化稳稳定的定的3 -螺旋结构螺旋结构 胶原分子胶原分子 弹性纤维弹性纤维2.胶原原纤维（胶原原纤维（collagen fibril）原胶原分

8、子原胶原分子胶原原纤维胶原原纤维胶原纤维束胶原纤维束 不同的胶原分子首尾相隔35nm,相邻分子相错1/4长度阶梯式有序排列，侧向间共价结合，彼此交联聚合形成直径不同（10300nm）长短不等（150数百m)的细纤维束。胶原的分子结构胶原的分子结构胶原的分子间和分子内交联胶原的分子间和分子内交联胶原原纤维胶原原纤维胶原纤维束胶原纤维束原胶原分子原胶原分子胶原原纤维胶原原纤维胶原纤维束胶原纤维束赖氨酸残基横联共价结合赖氨酸残基横联共价结合3.胶原纤维胶原纤维v Assembly of collagen fibers begins in the ER and is completed outside

9、 the cellvAbnormalities in collagens can cause serious disorders.（二）胶原的（二）胶原的类型类型I型: 皮肤、肌腱、韧带、骨中II型：软骨III型:血管壁、疏松结缔组织中IV型：基底膜有25种不同的链，每种链由一种基因编码。每型胶原由3条相同或不同的链构成。（三）胶原的（三）胶原的合成装配与降解合成装配与降解 来源：成纤维细胞、软骨细胞、成骨细胞、上皮细胞等 合成：细胞内（细胞核-内质网-高尔基体-分泌小泡） 装配：细胞外 降解：细胞外 链基因细胞核hnRNAmRNA。 粗面内质网-核糖体前体肽链 内质网腔：切去信号肽前体链两端

10、有前肽 前链。 内质网/高尔基体内：羟基化、糖基化、三股 螺旋C端前肽以二硫键连接形成前胶原分子。 细胞外基质：切去前肽原胶原分子自我装配 胶原原纤维胶原纤维胶原的合成胶原的合成切去信号肽、切去信号肽、N端和端和C端有前肽端有前肽(前前 -链链)。高高尔基体羟基化、糖基化尔基体羟基化、糖基化形成二硫键，以氢键连接形形成二硫键，以氢键连接形成三股螺旋的前胶原。成三股螺旋的前胶原。前胶原合成后分泌前胶原合成后分泌进入细胞间隙中进入细胞间隙中切去前肽，形成直径切去前肽，形成直径1.5nm、长长300nm的原胶原分子的原胶原分子前肽的功能：诱导装配，分泌前防止交联成胶原原纤维前肽的功能：诱导装配，分泌

11、前防止交联成胶原原纤维胶原的胶原的形成形成原胶原分子原胶原分子胶原原纤维胶原原纤维胶原纤维胶原纤维（四）（四） 胶原的功能胶原的功能 皮下结缔组织中，胶原成柳条状有多向抗张性。 肌腱中沿应力主轴平行成束排列，具韧性、抗张性。 型胶原组成纤维网络，包围于骨骼肌和平滑肌细胞周围。 型胶原构成各种上皮细胞基膜的网架结构。 在成熟的骨骼、角膜和横膈肌腱中，形成有序的胶合板样结构。 胶原经细胞表面受体介导与细胞骨架相互作用。 （五）胶原的发生与疾病（五）胶原的发生与疾病 遗传性胶原病：胶原的表达或装配异常， 如成骨发育不全综合症 病理性纤维化：胶原表达过度，分配 比例失调，如肝硬化 免疫性胶原病：类风湿

12、性关节炎、肾炎 胶原纤维形成异常：坏血病 为什么几百年前，远航的船员大多会因为大出血而丧命？问题： 弹性蛋白： 非糖基化疏水纤维蛋白，富含甘氨酸、脯氨酸，很少羟化。 肽链830个氨基酸，无Gly-X-Y重复序列。 呈无规则卷曲状态，相互交联形成细胞外基质中的弹性网络。 具高度弹性及回缩力。维持皮肤弹性。二、弹性蛋白（二、弹性蛋白（elastin）（自学）（自学）弹性蛋白结构疏水性短肽交联短肽(富含Lys)弹性蛋白纤维伸长伸长回缩回缩构象：无规则卷曲状态相互交联弹性疏松网络弹性蛋白弹性蛋白微原纤维壳（糖蛋微原纤维壳（糖蛋白）白）弹性纤维弹性纤维第三节第三节 非胶原性黏合蛋白非胶原性黏合蛋白 细胞

13、外基质中一类多功能大分子。发现数十种。共同特点：既可以与细胞结合又可以与细胞外基质中其他大分子结合，使细胞与细胞外基质粘着，是细胞外基质的组织者。纤连蛋白层黏连蛋白主要包括：（一）纤连蛋白（一）纤连蛋白( fibronectin, FN )1.纤连蛋白： 高分子量糖蛋白，含糖4.5 % 9.5%。亚单位约2500个氨基酸，羧基末端二硫键形成二聚体，呈V字型。肝素肝素细胞细胞胶原胶原纤维蛋白纤维蛋白肌动蛋白肌动蛋白血浆FN（二聚体）细胞FN（多聚体） RGD 三肽序列三肽序列Arg-Gly-Asp(精精aa-甘甘aa-天冬天冬aa) RGD序列并非纤连蛋白特有 单纯RGD三肽与整联蛋白的亲和性远

14、远低于整个纤连蛋白分子，其他序列有协同作用。 可溶性：肝细胞，血管内皮细胞 二聚体 不可溶性：间质细胞 多聚体结构组装：细胞外受纤连蛋白受体指导和酶的参与才有二硫键交联，组装成纤维纤连蛋白的功能纤连蛋白的功能1.血浆纤粘连蛋白血浆纤粘连蛋白 参与血凝、创伤愈合，参与血凝、创伤愈合， 增强吞噬细胞的功能。增强吞噬细胞的功能。2.介导细胞与细胞外基质之间粘着。介导细胞与细胞外基质之间粘着。3.维持细胞形态，调控增殖，迁移，分化等。维持细胞形态，调控增殖，迁移，分化等。疾病：肾小球肾炎疾病：肾小球肾炎-肾小球基底膜上的纤连蛋肾小球基底膜上的纤连蛋白与免疫复合物结合沉积白与免疫复合物结合沉积 基底膜主

15、要结构成分，高分子糖蛋白(820kD)。 链链链链链链短臂球区短臂球区细胞表面受细胞表面受体结合部位体结合部位型胶原型胶原结合部位结合部位神经轴突表面神经轴突表面受体结合部位受体结合部位硫酸肝素硫酸肝素结合部位结合部位 (二二) 层黏连蛋白层黏连蛋白(laminin) (重链) (轻链) (轻链) 不对称十字形1.基底膜主要成分。2.RGD三肽序列黏 附细胞。3.调节细胞粘附、 迁移、增殖分化。糖尿病-肾小球基底膜层黏连蛋白含量降低 层黏连蛋白功能层黏连蛋白功能Basal laminea 膜整联蛋白膜整联蛋白(integrin)： 跨膜糖蛋白，外连细胞外基质或细胞，胞内连细胞骨架。配体：FN

16、、LN、胶原等。结构： 亚基 亚基细胞外基质细胞外基质胶原胶原纤连蛋白纤连蛋白层粘连蛋白层粘连蛋白 蛋白聚糖蛋白聚糖基底膜-细胞外基质的特化结构 型胶原-400nm，C端球状头部之间非共价键；N端非球状尾部公家交联-构成基底膜基本框架 层粘连蛋白 内联蛋白-协助各成分结合 渗滤素-含量最丰富的蛋白聚糖之一细胞外基质的功能细胞外基质的功能功能：1.细胞生长2.细胞分裂3.细胞分化4.细胞运动5.细胞迁移6.细胞识别7.细胞粘着8.细胞代谢 干细胞微环境包括多种组成成分干细胞微环境包括多种组成成分 信号分子:以自分泌或旁分泌的形式影响干细胞的增殖与分化。 细胞黏附分子:确保干细胞定居于微环境中，并

17、接受信号分子的调节。 细胞外基质:对干细胞正常功能的维持提供了重要信号，并且可以直接调节干细胞的分化方向。 空间效应:空间结构对保持适宜的干细胞数目和干细胞的定向分化发挥了重要作用。 对对“失巢凋亡失巢凋亡”（anoikis）的抵抗作用在肿瘤扩散和转）的抵抗作用在肿瘤扩散和转移中可能扮演一个重要角色。移中可能扮演一个重要角色。“失巢凋亡失巢凋亡”是一种形式的是一种形式的细胞程序死亡，是由与细胞外基质和其他细胞脱离接触而细胞程序死亡，是由与细胞外基质和其他细胞脱离接触而诱发的。来自荷兰癌症研究所的一个小组，从认为诱发的。来自荷兰癌症研究所的一个小组，从认为“失巢失巢凋亡凋亡”抑制是癌症细胞在循环

18、过程中生存的一个先决条件抑制是癌症细胞在循环过程中生存的一个先决条件这个观点出发，想弄清对这一性质进行筛选是否可作为在这个观点出发，想弄清对这一性质进行筛选是否可作为在整个基因组范围内对转移基因的一种功能筛选方法。这种整个基因组范围内对转移基因的一种功能筛选方法。这种筛选方法在大鼠的小肠上皮细胞中发现了作为筛选方法在大鼠的小肠上皮细胞中发现了作为“失巢凋亡失巢凋亡”一种强力抑制剂的神经营养受体一种强力抑制剂的神经营养受体 TrkB，表达，表达TrkB的细胞的细胞的确易发生癌变，能够转移。这一发现也许可解释过度表的确易发生癌变，能够转移。这一发现也许可解释过度表达达 TrkB的人类肿瘤为什么具有侵略性。的人类肿瘤为什么具有侵略性。Nature细胞外基质的降解 基质金属蛋白酶MMPs家族 丝氨酸蛋白酶家族 MMPs和丝氨酸蛋白酶抑制剂-调控蝌蚪尾鳍活体组织放置在胶原凝胶上，中性PH和生理温度下发生胶原降解 大多数情况下，大多数情况下，MMPs对底物（细胞外基质）作对底物（细胞