细胞生物学第4章细胞外基质

1、细胞生物学第4章细胞外基质 细胞外基质（extracellular matrix，ECM）： 细胞外间隙中充满由多种不溶性大分子精密组装起来的错综复杂的网络结构，即细胞外基质，它是多细胞生物有机体的固有成分。 细胞外基质的成分主要包括胶原、非胶原糖蛋白、弹性蛋白以及氨基聚糖和蛋白聚糖。细胞外基质不仅对组织起支持、保护、营养作用，而且还与细胞的增殖、分化、代谢、识别、迁移、死亡等基本生命活动密切相关。 第一节 细胞外基质的蛋白质种类、 结构和功能第二节 细胞外基质的生物学作用第三节 细胞外基质的受体第四节 细胞外基质与医学第一节 细胞外基质的蛋白质种类、结构和功能 胶原非胶原糖蛋白弹性蛋白 氨基

2、聚糖和蛋白聚糖细胞外基质成分一、 胶原（collagen） 是胶原蛋白的简称，约占人体蛋白质总量的30%以上。是细胞外基质中特化的蛋白质，遍布于各种组织细胞间，构成细胞外基质的结构框架。胶原的分子结构 胶原蛋白的基本结构单位是胶原分子：为三条螺旋肽链盘绕成的三股螺旋结构。胶原分子 胶原分子按相邻分子相交错四分之一长度、前后分子首尾相隔35nm的距离自我装配，成为明暗相间、直径约10nm30nm的胶原原纤维。 若干胶原原纤维再经糖蛋白粘合成为粗细不等的胶原纤维。胶原分子胶原的结构（左模式图，右电镜照片）链：每条链含1050个氨基酸残基。甘氨酸（Gly）约占三分之一，同时富含脯氨酸（Pro）和赖氨

3、酸（Lys）。 脯氨酸 羟脯氨酸（HyPro），赖氨酸 羟赖氨酸（HyLys），赖氨酸则选择性的糖基化。 肽链中的氨基酸组成规则呈三肽重复顺序（Gly-X-Y），其中X为Pro，Y常为HyPro 或HyLys。胶原的类型目前已发现的胶原有20种。其中对-型胶原了解最多（表4-1）。、型胶原含量最丰富。型胶原：皮肤、肌腱、韧带及骨； 型胶原：为软骨中的主要胶原成分；型胶原：疏松结缔组织、血管壁、妊娠组织及胎盘中；型胶原：是基膜的主要成分和支架。 每型胶原由3条相同或不同的链构成。 目前已鉴定出20多种不同的链，每种链可分为若干亚型，如1()、1()、1()、1()等。 每种链各由一种基因编码。

4、各种链以不同方式组合成不同类型胶原。 胶原的合成与降解（自学）过度松弛皮肤症 这是1890年拍摄的“弹性皮肤人”照片，是由于胶原装配不正确引起的遗传综合征。二、非胶原糖蛋白 存在于细胞外基质中的有数十种，纤粘连蛋白和层粘连蛋白是其主要成员。纤粘连蛋白（fibronectin，FN） 1类型是高分子量的糖蛋白，含糖达4.5%9.5% ，由两个或两个以上的亚单位在肽链C端形成二硫键交联。目前至少已鉴定出了20种以上纤粘连蛋白多肽亚单位。为同一基因的编码产物。 根据存在部位的不同，分为两种。血浆纤粘连蛋白存在部位：血浆及各种体液中。结构：由两条相似的肽链（A链和B链）在C端以二硫键交联形成的V字形二

5、聚体。来源：主要来源于肝实质细胞，少量来源于血管内皮细胞。细胞纤粘连蛋白存在部位：细胞外基质中，能瞬时附着于细胞表面，与细胞表面特异受体结合发挥作用。结构：为多聚体，借助于更多的链间二硫键交联成纤维束。来源：主要由间质细胞分泌产生，如成纤维细胞、内皮细胞、软骨细胞、巨噬细胞等。细胞FN又可分为细胞表面FN和基质FN。纤粘连蛋白的每个亚单位由数个结构域构成，具有与细胞表面受体、胶原、纤维素和硫酸蛋白多糖高亲和性的结合部位。细胞结构域中Arg-Gly-Asp（RGD）三肽序列是细胞识别的最小结构单位 FN的结构模型FN的结构模型层粘连蛋白 （laminin，LN） 1分子结构特点 LN是糖链结构最

6、复杂的高分子糖蛋白（含糖量15%28%），具有50条左右N连接的寡糖，分子质量巨大，约850 kDa。LN由一条重链（链）和两条轻链（、链）构成，三条肽链借二硫键交联成不对称的十字形分子。 三条短臂：各由3条肽链的N-端序列构成，每一短臂包括2个球区及2个短杆区； 长臂：由3条肽链的近C-端序列共同构成杆区；而末端的分叶状大球区仅由链C-端序列卷曲而成，是与硫酸肝素结合的部位。 LN分子中至少存在8个与细胞结合的位点。现已确定的有11种LN分子，分别由10种亚单位（1、2、3、4、5、1、2、3、1、2）中的3种以不同的组合而构成。这10种亚单位分别由10个结构基因编码。1结构是高度疏水的非糖

7、基化蛋白，约含830个氨基酸残基。由两种类型的短肽交替排列构成： 一种是疏水短肽，提供给分子以弹性 。 另一种为富集丙氨酸及赖氨酸残基的螺旋，并在相邻分子间形成交联。三、弹性蛋白 （elastin）氨基酸组成：相似于胶原，也富含甘氨酸及脯氨酸，但很少含羟脯氨酸，不含羟赖氨酸。弹性蛋白：呈无规则卷曲，也不发生糖基化修饰。装配：短肽合成后，以可溶性前体分泌到细胞外基质中；在靠近质膜处肽链之间通过赖氨酸残基互相交联，装配成弹性纤维，形成富有弹性的网络结构。 弹性蛋白分子的伸长和回缩结构示意图 在弹性蛋白外周还包绕有一层由某些糖蛋白构成的微原纤维外壳，可能为保持弹性纤维的完整性所必需。其基因一旦发生突

8、变，就可能引发一种被称之为马方综合征（Marfan syndrome）的遗传性疾病。蜘蛛足样指（趾）症 马方综合征： 临床症状：患者表现为全身管状骨较长，体形瘦削；四肢远端细长，呈蜘蛛样指、趾；头颅前后径长，形成长方头、狭长脸；双眼上方框上嵴明显突起，两侧晶状体易位等。 同时，40%60%的患者可伴有先天性心血管畸形，其中以主动脉瘤最为多见。马方综合征四、氨基聚糖和蛋白聚糖 氨基聚糖（glycosaminoglycan，GAG）1分子结构 是由重复的二糖单位构成的无分枝长链多糖。 其二糖单位之一是氨基己糖（N-乙酰氨基葡萄糖或N-乙酰氨基半乳糖），故得名氨基聚糖（原名酸性粘多糖）。 是一些高分

9、子量的含糖化合物，形成细胞外基质高度亲水性的凝胶。 二糖单位的另一个常是糖醛酸（葡萄糖醛酸或艾杜糖醛酸）。 在多数的氨基聚糖种类中，其糖基常硫酸化。氨基聚糖中常见的二糖单位2. 分类 根据组成的糖基、连接方式、硫酸化的数量及位置的不同可分为7种（表4-2）。 透明质酸（hyaluronic acid，HA）： 组成：不发生硫酸化修饰。其糖链特别长，一个HA分子通常由多达数千个以上的二糖单位（葡萄糖醛酸+N-乙酰氨基葡萄糖）重复排列构成。 特性：其分子表面含有大量亲水基团，可结合大量的水分子，形成粘性的水化凝胶。在溶液中HA分子呈无规则的卷曲状态，可占据极大的空间。HA分子表面的糖醛酸羧基还可结

10、合阳离子，增加了基质的离子浓度和渗透压，大量水分子被摄入基质。蛋白聚糖 （proteoglycan，PG）组成： 是氨基聚糖与核心蛋白质的丝氨酸残基共价结合（除透明质酸外）而成的巨分子，含糖量可达90%95%。一个核心蛋白上可连接1至100个以上不同的氨基聚糖形成蛋白聚糖单体。若干个蛋白聚糖单体可借助于连接蛋白以非共价键与透明质酸结合成蛋白聚糖多聚体 。 蛋白聚糖左：单体右：多聚体 蛋白聚糖的一个显著特点是多态性，即蛋白聚糖的核心蛋白和氨基聚糖的种类和数目不同，有极大的差异性，分类十分困难。 细胞外基质是由细胞分泌的多种大分子构成的精细而复杂的网络结构。 主要的大分子有胶原蛋白、非胶原糖蛋白（

11、主要是纤粘连蛋白和层粘连蛋白）、弹性蛋白、氨基聚糖和蛋白聚糖等。 胶原蛋白是细胞外基质中高度特化的纤维蛋白家族，由三条螺旋肽链构成三股螺旋结构。 纤粘连蛋白和层粘连蛋白都是高分子量糖蛋白。 氨基聚糖是由重复的二糖单位构成的无分支直链多糖。 氨基聚糖与核心蛋白质的丝氨酸残基共价结合形成巨分子蛋白聚糖。 小结第二节 细胞外基质的生物学作用 一、细胞外基质的结构作用 细胞外基质大分子以高度有序的形式组装成具有组织特异性的网络结构。 以胶原为骨架选择性的与非胶原糖蛋白、蛋白聚糖及弹性蛋白结合成三维空间结构。 赋予组织以韧性、弹性、保水性及对机械力的缓冲性，并为细胞提供生存及从事各种活动的微环境。 二、

12、影响细胞的存活与死亡细胞外基质成分对细胞存活的决定性作用已为许多体外实验所证明。例如，上皮细胞及内皮细胞 粘附于细胞外基质的天然成分上存活 脱离细胞外基质凋亡 粘附于多聚赖氨酸基质上凋亡。三、决定细胞的形状 同一种细胞在不同的基质上可以表现出完全不同的形状。例如：成纤维细胞在天然的细胞外基质中扁平多突状；在I型胶原凝胶中梭状；玻片上球形。 除成熟的血细胞外，几乎所有组织细胞均可在一定的基质上粘着、铺展、呈现一定的形状。 细胞外基质对细胞形状的决定作用，主要是通过其受体影响细胞骨架的组装来实现的。 四、控制细胞的增殖 细胞外基质决定细胞的形状，细胞的形状影响细胞的增殖。 大多数正常真核细胞在球形

13、状态下不能增殖。只有在一定基质上粘附并铺展才能进行增殖。这种现象称为定着依赖性生长（anchorage dependent growth）。 细胞粘着于适当的基质上才进行蛋白质及RNA 的合成；在铺展状态下才进行DNA的复制。 细胞外基质中不溶性的大分子通过与细胞表面的特异性受体作用对细胞的增殖具有调控作用。 这种作用也是有一定的选择性的，即不同的细胞外基质选择性刺激不同类型的细胞增殖。例如： 成纤维细胞： 在纤粘连蛋白基质上增殖加快； 在层粘连蛋白基质上增殖减慢。 上皮细胞正相反。五、控制细胞的分化细胞外基质在胚胎发育、器官形成、组织与细胞分化上发挥重要的调控作用。细胞外基质成分与细胞表面受体相结合，可启动细胞内信号传递的某些连锁反应而最终影响基因的表达，控制细胞的表型。例如：脉管内皮细胞在或型胶原上培养时，细胞增殖形成铺满基质的单层；在人工基膜上培养时，细胞停止分裂形成有腔的毛细管样结构。 六、参与细胞的迁移细胞迁移在胚胎发育、形态发生及成体中组织再生与创伤修复时十分活跃。细胞外基质可以控制细胞迁移的方向与