第十四章细胞外基质及其与细胞的相互作用

1、 第十四章 细胞外基质及其与细胞的相互作用 内 容概 述第一节 胶原与弹性蛋白第二节 非胶原糖蛋白第三节 氨基聚糖和蛋白聚糖第四节 细胞外基质的生物学作用第五节 细胞外基质与医学 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 述 在生物多细胞有机体内，除细胞之外还有非细胞性的固有物质成分，即细胞外基质（extracellular matrix，ECM）。 分布于细胞外空间，细胞分泌的由蛋白质和多糖构

2、成的高度水合性纤维网络凝胶结构。细胞外基质定义 ： 来源：成纤维细胞（主要） 特化组织细胞 细胞外基质是由大分子构成的结构精细而错综复杂的网络。它在生物组织中所占据的空间因组织而异。 上皮组织、肌肉组织、脑与脊髓中ECM含量很少; 结缔组织中ECM含量较高; 皮肤结缔组织中ECM最具代表性。 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 细胞外基质的组成成分及组装形式由所产生的细胞决定，并与组织的特殊功能需要相适应。 角膜的ECM为透明柔软的片层; 骨、牙者坚硬如岩石; 肌腱者坚韧如绳索; 眼中的玻璃体透明而柔软； 上皮和结缔组织者如节

3、片。 尽管ECM具有如此的多样性，但其生物学作用却基本相同。 胶原和弹性蛋白纤维网架非胶原糖蛋白（纤连蛋白和层粘连蛋白）粘着成分氨基聚糖和蛋白聚糖凝胶样基质 细胞外基质的组成： 细胞与细胞外基质构成了完整的组织，是相互依存的关系。 ECM成分的合成、分泌和组装是细胞活动的产物，其化学成分为蛋白和多糖。 ECM不仅参与组织结构的维持，而且对细胞的存活、形态、功能、代谢、增殖、分化、迁移等基本生命活动具有多方位的影响。 ECM成分可以借助其细胞表面的特异性受体向细胞发出信号，通过细胞骨架或各种信号转导途径将信号传导至细胞质，乃至细胞核，影响基因的表达及细胞的活动。 ECM成分及其生物学作用的研究倍

4、受重视，近年来已成为细胞生物学领域的一个研究热点及新的进展点。 单细胞生物也常借助于ECM而联结为群落。 在进化过程中，随着多细胞生物的出现， ECM发展成机体的固有成分。第一节 胶原与弹性蛋白一、 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(30%)。 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（collagen）是胶原蛋白的简称，是ECM中特化的蛋白质，其含量约占人体蛋白质总量的30%以上（动物体内含量最丰富的蛋白质），遍布于各种组织细胞间，构成ECM的结构框架。 胶原在不同组织中的含量 /组织

5、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 （一）胶原分子的结构特点 三条螺旋肽链盘绕成的三股螺旋结构； 每条肽链约1000个氨基酸残基； 甘氨酸(Gly)含量约占三分之一； 富含脯氨酸(Pro)和赖氨酸(Lys); 不含色氨酸、酪氨酸和蛋氨酸; 脯氨酸常常羟化成羟脯氨酸(HyPro); 赖氨酸常常羟化成羟赖氨酸(HyLys); 赖氨酸选择性的糖基化。 肽链中的氨基酸组成规则呈三肽重复顺序: Gly-X-Y X:Pro Y:HyPro或HyLys 由于甘氨酸的分子质量最小，使肽链相互紧紧缠绕，卷曲形成规则的螺旋

6、结构，羟化和糖基化使肽链互相交联。形成稳定的3螺旋结构。 胶原是不溶于水的纤维性蛋白，属于 硬蛋白（scleroprotein）类。 （二）胶原的类型 不同组织中胶原蛋白其分子类型不同，已发现的胶原类型多达19种，对至型胶原了解最为清晰。 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。各种基因产物以不同方式组合成不同类型胶原。 几种主要类型的胶原结构与分布特征 型号亚基组成超微结构化学特征分子量分布来源1（）22（）67nm条状纤维低羟赖氨酸、低糖类95000皮肤、肌腱、骨、眼角膜、韧带成纤维细胞1（）367nm条状纤维高羟赖氨

7、酸、高糖类95000软骨、椎间盘、脊索、玻璃体成软骨细胞成纤维细胞1（）367nm条状纤维高羟脯氨酸、低羟赖氨酸、低糖类95000皮肤、血管、子宫、胃肠道网状细胞1（）22（）网状，非纤维结构很高羟赖氨酸、高糖类170000-180000基底膜上皮细胞 内皮细胞(三) 胶原的合成 产生胶原的细胞主要是间质细胞，例如由皮肤、肌腱及其它结缔组织的成纤维细胞（fibroblast）、骨组织和软骨组织的成骨细胞(osteoblast)和成软骨细胞等合成和分泌。 胶原的合成开始于内质网上的核糖体，胶原纤维装配始于内质网，继续于高尔基复合体进行，最终完成于细胞外。生成的全过程包括细胞内和细胞外两个阶段。

8、1在细胞内形成前胶原分子 胶原分子的基因很大，一般约为30-40Kb，分别由50个左右的外显子和内含子组成，大多数外显子为54或54的倍数个的核苷酸，说明链的基因是由含54个核苷酸的原始基因成倍扩大演化而来。 首先在粗面内质网膜上的核糖体中合成前体链，再进入内质网腔中切去信号肽，在肽链两端加上一小段氨基酸顺序（不含Gly-X-Y序列），即前肽（prepeptide）,成为前链（pro- chain）。 前链N-端前肽具有150个氨基酸残基，C-端前肽具有250个氨基酸残基，具有较多的酸性氨基酸及芳香族氨基酸残基，并含有半胱氨酸残基。带有前肽的前链再被运输到高尔基体中加工。 在高尔基体中，脯氨酸

9、残基羟化成羟脯氨酸，赖氨酸羟化成羟赖氨酸，并选择性糖基化。 然后三条前链在C端前肽之间借助二硫键彼此交联，对齐排列，互相缠绕，合成绳索状的前胶原分子（procollagen molecule）。其前肽序列部分保持非螺旋卷曲状态，阻抑前胶原在细胞内组装成胶原纤维。 前胶原分子通过小泡出胞，分泌到细胞外。 分泌到细胞外的前胶原分子，在前胶原肽酶（蛋白水解酶）的作用下切去C,N两端的前肽nm,长300nm胶原分子（collagen molecule）。 胶原分子按相邻分子相交错四分之一长度（约67 nm）、前后分子首尾相隔35 nm的距离自我装配，成为明暗相间、直径约1030 nm的原胶原纤维(co

10、llagen fibril)。若干原胶原纤维再经糖蛋白粘合成为粗细不等的胶原纤维（collagen fiber )。总结胶原蛋白合成过程: 前体链前肽前链前胶原分子 糖基化并3合1 胞外切前肽胶原分子原胶原纤维胶原纤维 交错 糖蛋白粘合 Assembly of collagen fibers begins in the ER and is completed outside the cell总结胶原的合成装配与降解：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

11、内质网腔：切去信号肽前体链两端有前肽前链。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 胶原的转换率一般较慢，半衰期为数周或数年不等。骨胶原分子可维持10年不发生降解;肌腱胶原的转换最慢;牙龈胶原的转换率高于骨、软骨及皮肤。 在某些局部区域、特殊生理（胚胎发育、伤口愈合）或病理（炎症反应）情况下，胶原的转换加快，并常伴有胶原类型的改变。 二、弹性蛋白 弹性蛋白（elastin）是高度疏水的非糖基化蛋白，约含750-830个氨基酸残基。由两种类型的短肽交替排列构成的无规则卷曲。 一种短肽是疏水短肽，提

12、供给分子以弹性； 另一种短肽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。 弹性蛋白的氨基酸成分近似于胶原: 也富含甘氨酸及脯氨酸; 但很少含羟脯氨酸，不含羟赖氨酸; 弹性蛋白没有胶原特有的Gly-X-Y序列，故不形成规则的三股肽链的绞合结构，而呈无规则卷曲; 不发生糖基化修饰。 弹性蛋白的两种短肽各由一个外显子编码。在细胞中合成后，以可溶性的原弹性蛋白形式分泌到细胞外，再经赖氨酰氧化酶催化，使肽链中的赖氨酸转化为醛，借此而彼此聚集交联，在膜附近装配成具有多向伸缩性的弹性纤维立体网络结构。 弹性蛋白是弹性纤维的主要成分。通过细胞外基质中的弹性纤维网络使组织中具有弹性和回缩能力，保证组

13、织器官的弹性功能。弹性纤维与胶原互相交织，可维持皮肤等的韧性，防止组织和皮肤撕裂和过度伸展。 弹性蛋白结构模型 最近研究表明，在弹性蛋白外周包绕一层有糖蛋白构成的微原纤维（microfibils）壳，保持了弹性纤维的完整性。外壳糖蛋白微原纤维先于弹性蛋白出现，作为弹性蛋白附着的支架和组织者。弹性蛋白沉淀时，糖蛋白微原纤维外壳即消退于弹性纤维附近。 微原纤维基因发生突变，可能引发一种人类遗传性疾病马方综合征。 第二节 非胶原糖蛋白 存在于ECM中的非胶原糖蛋白有数十种，为多功能大分子，具有分别与细胞以及细胞外其它成分结合的多个结构域，是ECM成分的组织者，直接影响到细胞的存活、形状、黏着、铺展、

14、迁移、增殖和分化。纤连蛋白和层黏连蛋白是非胶原糖蛋白的主要成员。 一、纤连蛋白 1纤连蛋白的类型 纤连蛋白（fibronectin，FN）不仅在动物界普遍存在，而且存在于较低等的原始多细胞海绵体内。 为高分子量糖蛋白，含糖4.5%9.5%，其亚单位分子质量为220250kD。各亚单位在C-末端形成二硫键交联。 目前至少已鉴定出了20种以上纤连蛋白多肽亚单位。 不同组织来源的纤连蛋白的不同亚单位为同一基因的编码产物，只是在转录后hnRNA剪接上有所差异，因而产生了不同的mRNA，再翻译出不同的纤连蛋白亚单位（异型性），翻译后的修饰（如糖基化）也有差异。 FN在动物体内分布十分广泛，根据存在部位的

15、不同可分为两种类型: 血浆纤连蛋白 细胞纤连蛋白 （1）血浆纤连蛋白：血浆FN是一种由两条相似的肽链（A链和B链）在C端以二硫键交联形成的V字形二聚体。以可溶性状态存在于血浆和各种体液中，主要由肝实质细胞产生，少数产生于血管内皮细胞。 （2）细胞纤连蛋白： 借助于更多的链间二硫键交联成纤维束。以不溶形式分布于ECM 、基膜、细胞间和细胞表面。 细胞纤连蛋白包括细胞表面纤连蛋白和基质纤连蛋白两大类。主要由间质细胞（如成纤维细胞、成骨细胞、内皮细胞等）产生，为多聚体结构。 不溶性细胞FN并非自发性组装，必须在细胞表面相应的FN受体的指导和转谷氨酰胺酶的参与下，通过分子间二硫键连接，组装成纤维。 纤

16、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。 纤连蛋白分子结构示意图 FN的结构模型 每条肽链有12个型重复序列模块结构单位，分三组排列。其中两组为与蛋白聚糖的弱结合结构域，一组与型模块结构一起构成可与胶原结合的结构域。 型重复序列模块结构单位构成与细胞、DNA、蛋白聚糖强结合的结构域。 用蛋白酶水解、化学合成小肽及重组DNA技术研究发现细胞结构域中Arg-Gly-Asp (RGD）三肽序列是细胞识别的最小结构单位。该序列是细胞表面整联蛋白识别和结合的部位。 化学合成外源性非纤连蛋白RGD三肽，可与FN蛋白竞争与细胞结合的部位，从而抑制

17、细胞同ECM的结合。 但RGD序列并非FN所独有，它较为广泛地存在于多种ECM中，单纯的RGD与整联蛋白受体的亲和性远低于整个FN分子，说明ECM与细胞结合RGD不是惟一的因素，还有其他相关协同序列作用。 2纤连蛋白的功能 纤连蛋白是一种多功能分子。 （1）介导细胞粘着 可增强细胞间粘连及细胞与基质的粘连，能使细胞锚定在底物上静止不动。通过粘着，纤连蛋白可以调节细胞的形状和细胞骨架的组织，促进细胞铺展。 （2） 诱导细胞运动迁移 比如胚胎发育早期神经嵴细胞的迁移。在神经管形成时，神经嵴细胞从神经管的背侧迁移到胚胎各个区域，分化成神经节、色素细胞等不同类型的细胞。纤连蛋白基质纤维为细胞的运动提供

18、了轨道。 （3） 在组织创伤修复中的作用 促进巨噬细胞和其它免疫细胞迁移到受损部位。血浆纤连蛋白能促进血液凝固和创伤面修复。组织创伤时，免疫细胞可与血浆纤维蛋白结合，在伤口处吸引成纤维细胞、平滑肌细胞和内皮细胞向伤口迁移，形成肉芽，然后形成瘢痕，刺激上皮细胞增生，使创面修复。二、层黏连蛋白1层黏连蛋白的分子结构特点 层黏连蛋白（lanminin，LN）是各种动物的胚胎及成体组织的基膜（特化的细胞外基质）的主要功能成分，也是胚胎发育中出现最早的ECM成分。 LN是糖链结构最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 kD。 LN由一条重链（链）

19、和两条轻链（、链）构成，三条肽链借二硫键交联成非对称的十字形分子。 十字形分子三条短臂由3条肽链的N-端序列构成，每一短臂包括2个或3个球区和短杆区。 十字形分子长臂由3条肽链的近C-端序列共同构成杆区；末端的分叶状大球区由链C-端序列卷曲而成，是与硫酸肝素结合的部位。 目前已发现的LN分子结构亚单位有1、 2、 3、 1、 2、 3、 1和 2 8种之多，分别由8个不同的结构基因编码，这些亚单位至少可以形成7种类型的LN。 2. 层黏连蛋白的功能 层黏连蛋白与型胶原、硫酸乙酰肝素、肝素、脑苷脂和神经节苷脂结合，成为基膜的重要成分。 也有被上皮细胞、内皮细胞、神经细胞表面的LN受体识别与结合的

20、RGD(Arg-Gly-Asp)三肽顺序，使细胞附于基膜上，并促进细胞生长。三、基膜与整联蛋白 基膜是ECM的特化结构形式，存在于多种组织之中。 整联蛋白是动物细胞与ECM蛋白的主要受体，普遍存在于各类细胞表面。 LN作为基膜的主要成分，对基膜基质的组装起关键作用。 基膜是紧贴上皮细胞、血管内皮细胞下方的一层薄膜，它对维持细胞的形状及功能起着主要的作用。 1.基膜的成分 基膜中主要有4种蛋白成分： 包括型胶原蛋白、层黏连蛋白、渗滤素（硫酸乙酰肝素蛋白聚糖，perlecan）及内联蛋白（entactin）。（1）型胶原蛋白 非连续三股螺旋结构，是构成基膜的主要结构成分和基本框架。（2）层黏连蛋白

21、 通过内联蛋白与型胶原蛋白二维网络相连接。是胚胎发育过程中最早合成的基膜成分。（3）渗滤素 硫酸类肝素蛋白聚糖分子 可与许多ECM成分和细胞表面分子交联结合。（4）内联蛋白形成型胶原纤维网络与层黏连蛋白纤维网络之间的连桥。分子呈哑铃状。在基膜的组装中非常重要，并协助ECM中其他成分的结合。 基膜（basement membrane）是动物上皮层的下方特化的细胞外基质，是一层网膜，柔软可折曲，不同的部位的基膜厚度不同，一般染色在光镜下难以辨认，PAS染色及镀银染色可以显示。 电子显微镜下基膜分为三层：靠近上皮基底面为透明板（lamina lucida），是一电子致密度低的薄层，厚约1050nm；

22、下面的电子密度高的是均质层，称致密板（lamina densa）, 厚约20300nm，由细丝状物质和无定形基质组成，是上皮细胞分泌而来的；致密板之下，靠近结缔组织称为网织板（lamina fibroreticularis），较厚，有网状纤维和基质组成，该层由结缔组织的成纤维细胞产生。 2.基膜的功能 基膜是上皮细胞和内皮细胞的铺垫，也包绕于肌细胞、神经细胞、神经髓鞘细胞和脂肪细胞周围，隔离细胞与结缔组织。在组织结构上，基膜把细胞与其下方的结缔组织隔开。 基膜是一种半透膜，具有选择性屏障作用。上皮的基膜可阻止下方结缔组织中的成纤维细胞与上皮细胞接触，却不阻止巨噬细胞、淋巴细胞和神经突起穿过；

23、在肾小球、肺泡等部位基膜介于两层细胞之间，基膜起分子筛滤作用； 肌肉、神经、上皮受损伤后，基膜为再生细胞提供支架； 基膜还决定细胞的极性，影响细胞代谢，在细胞膜周围组织蛋白质结构，诱导细胞分化和引导细胞迁徙等。 ECM的各种生物学作用都是通过与细胞表面的特异性受体结合而启动的。 陆续鉴定出许多ECM成分的受体。大多为跨膜糖蛋白。某些糖脂及跨膜蛋白聚糖可作为一些ECM成分的辅助受体。 每种ECM分子都有数种受体；不同的ECM分子又可竞争结合同一种受体。 3.整联蛋白 整联蛋白(integrin)是多种ECM成分的受体， 是一个相当大的受体家族。 （1）整联蛋白的受体作用 整联蛋白族受体与可溶性信

24、号分子（如激素、生长因子等）的细胞表面受体不同，与配体的亲和性低而在细胞表面的浓度高（一般高10100倍）。细胞通过整联蛋白与ECM分子进行多位点的弱结合，从而使细胞可在不脱离黏附的状态下探察其周围环境，并通过可逆性的结合与解离而进行细胞迁移。 一种ECM成分常以几种整联蛋白为受体。有的整联蛋白受体只结合一种配体；有的整联蛋白受体则可识别并结合数种配体，但结合的亲和性不同。 整联蛋白受体的表达具有组织特异性及发育阶段特异性。 不同的组织或不同的发育阶段可通过不同的受体与不同的ECM成分作用而表现出不同的生物学效应。 不同分化状态下的细胞可通过调节细胞表面整联蛋白的分子数来改变其与细胞外基质及其

25、它细胞之间的相互作用。 （2）整联蛋白的分子组成 整联蛋白由和两个肽链亚单位组成（异源二聚体）。亚单位16种，亚单位9种，组成20多种不同的异二聚体，分别与不同类型的受体结合。 组成整联蛋白的肽链由最初合成的产物被切割成长短不同的两个序列片段，再通过二硫键结合彼此相连而成。 链单次穿膜，C端伸入膜内侧，N端在细胞膜外与长肽序列的C端形成二硫键结合，这与整联蛋白与配体结合时的Ca2+ 或Mg2+依赖性相关。肽链长链N端折叠成3-4个二价阳离子结合位点。 链与链同向单次穿膜，非共价键结合，形成整联蛋白异二聚体分子。半胱氨酸 整联蛋白主要是以1亚单位与9种亚单位分别构成的异二聚体。大多数细胞表达同一

26、配体或不同配体的多种独特整联蛋白。但是，许多整联蛋白却主要表达某些类型的细胞。 下表列举脊椎动物的几种介导细胞与ECM组分和（或）细胞粘附分子（cell adhesion molecule,CAM）相互作用的整联蛋白。 不仅同一种整联蛋白可以与一种以上的不同配体现结合，同一种配体也可以与不同的整联蛋白相结合。常见于脊椎动物的几种整联蛋白亚单位组成细胞分布 配 体11多种细胞胶原、层黏连蛋白21多种细胞胶原、层黏连蛋白41造血细胞纤维结合蛋白、CAM-151成纤维细胞纤维结合蛋白L2T淋巴细胞CAM-1、 CAM-2M2单核细胞血清蛋白、 CAM-1b3血小板血清蛋白、 纤维结合蛋白64上皮细胞

27、层黏连蛋白第三节 氨基聚糖和蛋白聚糖 氨基聚糖（glycosaminoglyan，GAG）与蛋白聚糖（proteoglycan，PG）是一些高分子量的含糖化合物，形成ECM高度亲水性的凝胶。 一、氨基聚糖1分子结构 氨基聚糖是由重复的二糖单位构成的无分枝长链多糖，故名。 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）； 二糖单位的另一个常是糖醛酸（葡萄糖醛酸或艾杜糖醛酸）。 只有硫酸角质素例外，以半乳糖代替了糖醛酸。在多数的氨基聚糖种类中，其糖基常硫酸化。 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

28、位2. 氨基聚糖的分类 根据组成的糖基、连接方式、硫酸化的数量及位置的不同氨基聚糖至少可分为6种。 6种类型 ( 按糖基连接方式 硫酸化位置分)：1. 透明质酸（HA）2. 硫酸软骨素（CS）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）氨基聚糖的分子特性及组织分布二糖单位： 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（hyaluronic acid,HA）-1,3连接组成N-乙酰氨基葡萄糖葡萄糖醛酸 抗压能力 透明质酸（hyaluronic acid，HA）是一种重要的氨基聚糖，一个分子中包含几千个二糖

29、单位，分子量大。是增殖细胞和迁移细胞的ECM的主要成分，特别是在胚胎组织中。 HA分子表面含有大量亲水基团，可结合大量水分子，形成粘性的水化凝胶。 HA分子表面的糖醛酸羧基还可结合阳离子，增加了基质的离子浓度和渗透压，大量水分子被摄入基质。因此，HA 倾向于向外膨胀，产生压力，使结缔组织具有抗压能力。 润滑作用 在体液（尤其是关节液）中HA 起润滑作用，利于细胞运动迁移。在胚胎发育早期和创伤修复时，细胞分泌大量的HA，促进细胞迁移和增殖 。 结构：最简单 不发生硫酸化 含有大量亲水基团、负电荷形态：呈无规则卷曲状降解：透明质酸酶功能：赋予组织弹性、抗压性 促进细胞迁移、增殖创伤修复愈合透明质酸

30、（hyaluronic acid， HA） 二、蛋白聚糖 蛋白聚糖（protroglycan，PG）存在于所有结缔组织和ECM及许多细胞表面，是氨基聚糖与核心蛋白质（core protein）的丝氨酸残基共价结合而成的大分子，含糖量极高可达90%95%。 蛋白聚糖单体连接蛋白透明质酸 蛋白聚糖多聚体 非共价氨基聚糖核心蛋白透明质酸分子筛形成巨大多聚体异质性高分类困难 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。近年来常采用DNA重组技术，根据核心蛋白的氨基酸顺序对PG进行分类 。蛋白聚糖的功能:1.占据空间，有强大的抗变形能力;

31、2.构成基底膜的重要成分;3.与生长因子结合,增强或抑制其活性.第四节 细胞外基质的生物学作用一、细胞外基质对细胞生物学行为的影响 ECM不是静态的仅仅发挥支持、连接、保水、抗压、保护等物理学作用的结构，而是动态的对细胞的基本生命活动产生多方面影响与控制的、具有重要生物学作用的精细结构。 1、细胞外基质的结构作用 ECM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精细空间结构。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。 2、影响细胞的生存与死亡 正常真核细胞，除成熟血细胞外，

32、大多须黏附于特定的ECM上才能抑制凋亡而存活，称为锚着依赖性（anchorage dependence）。 例如，上皮细胞和内皮细胞一旦脱离了ECM则会发生程序性死亡或凋亡（anoikis，a Greek word meaning “homelessness”）。上皮细胞和内皮细胞只有黏附于ECM的天然成分才得以存活。乳腺上皮细胞黏附于人工基膜时，可避免凋亡，当黏附于纤连蛋白或性胶原时，凋亡发生。CHO细胞和人成骨肉瘤细胞在无血清培养时，唯有通过51整联蛋白的介导黏附于纤连蛋白上方可存活，其他整联蛋白虽然能介导黏附，却不能防止凋亡。 3、决定细胞的形态 各种细胞脱离了ECM呈单个游离状态时多呈

33、球形。同一种细胞在不同的ECM上黏附时可表现出完全不同的形状。 上皮细胞黏附于基膜上才能显现出其极性状态，并通过细胞间连接的建立而形成柱状上皮细胞。 成纤维细胞在天然ECM中呈扁平多突状，在型胶原凝胶中呈梭状，置于玻片上时又会呈球状。 ECM决定细胞的形状这一作用是通过其受体影响细胞骨架的组装而实现的。不同细胞具有不同的细胞外基质，介导的细胞骨架组装的状况不同，从而表现出不同的形状。形态会直接影响和改变细胞的功能状态。 4、参与细胞的增殖的调节 绝大多数真核细胞在球形状态下不能增殖。不同的ECM对细胞增殖的影响不同。 成纤维细胞在纤连蛋白基质上增殖加快，在层黏连蛋白基质上增殖减慢； 上皮细胞对

34、纤连蛋白及层黏连蛋白的增殖反应则相反; 只是肿瘤细胞的增殖丧失了锚着依赖性，可在半悬浮状态增殖。 ECM中的许多成分含有某些生长因子的同源序列； 一些ECM成分可结合生长因子； ECM中的不溶大分子可与细胞表面的特异性受体发生作用。 以上这些因素均可能直接或间接地影响到细胞的增殖活动。5、参与细胞分化的调控 细胞通过与特定的ECM成分作用而发生分化。即特定的ECM可使某些类型的细胞撤出细胞周期，进行功能与形态的分化。 成肌细胞在纤连蛋白上增殖并保持未分化的表型；当被置于层黏连蛋白上则停止增殖，转入分化，进而融合为肌管。而纤连蛋白对成红细胞，有促进分化作用。 未分化的间质细胞: 在纤连蛋白和型胶

35、原基质中可形成结缔组织的成纤维细胞； 在软骨黏连蛋白和型胶原基质中演化为成软骨细胞； 在层黏连蛋白与型2胶原基质中则会分化为呈片层状极性排列的上皮细胞。 6、参与细胞的迁移 ECM可以控制细胞迁移的速度与方向，并为细胞迁移提供“脚手架”，以及迁徙细胞未来的分化趋势。 细胞的迁移依赖于细胞的粘附与去黏附，细胞骨架的组装与去组装。细胞黏附于一定的ECM时诱导黏着斑的形成，黏着斑是联系ECM与细胞骨架的“铆钉”。 纤连蛋白可促进成纤维细胞及角膜上皮细胞的迁移；层黏连蛋白可促进多种肿瘤细胞的迁移。 神经嵴周围的ECM富含透明质酸可促进神经嵴细胞的分散迁徙。当神经嵴细胞分别沿着背、腹两侧进行迁徙时，由于

36、背、腹两侧不同路径中ECM成分差异，导致原本同一来源的同种细胞在背、腹两侧迁移速度不同。背侧ECM中硫酸软骨素含量较高，对迁徙有抑制作用，使得背侧的移动速度慢于腹侧细胞。神经嵴细胞在沿富含纤连蛋白基质部位迁徙时，最终分化为肾上腺素能神经元、形成神经节；当迁徙停止于缺乏或不含有FN部位时，细胞表面出现神经元黏附分子和N钙粘素，以使神经节中的细胞黏合。 7、促进创伤的修复 FN可吸引成纤维细胞、平滑肌细胞及内皮细胞到达创伤部位修补损伤组织，然后纤维化，形成瘢痕组织。 ECM成分还可刺激上皮细胞向血块迁移而闭合创面。然后由上皮组织产生并分泌LN及型胶原等成分取代FN及纤维蛋白成为永久性基膜。 组织损

37、伤后只要基膜存在，就可以为再生的细胞提供迁移的基础，使组织的构筑易于重建。 二、细胞对细胞外基质的决定性作用 1、细胞是所有ECM产生的来源； 2、不同ECM的差异性取决于其来源细胞的性质和功能状态； 3、ECM成分的降解是在细胞控制下进行。 1、细胞是所有ECM产生的来源 ECM是细胞生命活动的产物，细胞按既定的程序，以一定的方式合成并经由一定的转运方式分泌。 同时，细胞调控ECM组分在胞外的加工修饰过程、整体组装形式和空间分布状态。2、不同ECM的差异性取决于其来源细胞的性质和功能状态 不同的ECM成分由不同的局部细胞产生、合成和分泌。 同一个体的不同组织、同一组织的不同发育阶段；或同一发

38、育阶段、同一组织细胞的不同功能状态，所产生的ECM不同。 例如：胚胎结缔组织成纤维细胞产生： 纤连蛋白、透明质酸、型胶原及弹性蛋白为主的ECM成年结缔组织成纤维细胞产生： 纤连蛋白、型胶原为主的ECM软骨细胞产生： 软骨黏连蛋白、型胶原为主的ECM 成分的降解是在细胞严密控制下进行的。 蛋白成分可在金属蛋白酶（matrix metalloproteinases,MMPs）家族与丝氨酸蛋白酶家族的联合作用下被降解，其糖链部分则在各种相应的糖苷酶的催化下完成。这些酶无一不是由细胞产生的。 基质金属蛋白酶（MMPs）是一种水解酶，对蛋白多糖、胶原、弹性蛋白、纤连蛋白、明胶和层黏连蛋白具有降解作用。

39、迄今已鉴定出20多种MMPs，根据各自的底物特异性，分为5个亚家族：由28个成员组成的5个基质金属蛋白酶亚家族： 胶原酶：MMP-1 明胶酶：MMP-2 基质溶素： MMP-3 模型基质金属蛋白酶：MT-1-MMP 其它：基质裂解蛋白 MMPs家族中的成员基本结构一致。经过转录和翻译过程产生MMPs前酶原的N端有信号肽序列，引导翻译后的产物至内质网。 信号肽在内质网切除后，MMPs以无活性的酶原形式分泌至细胞外，特异性地与ECM结合而被激活。 前肽区约由80个氨基酸组成，含有保守的半胱氨酸序列（-PRCGXPD-），通过半胱氨酸中的硫原子与活性位点二价锌离子的相互作用抑制酶活性。当酶原中的前肽

40、区被其它的MMPs或蛋白酶（如纤溶酶）切除后， MMPs就会具有活性，这一激活过程由所谓的“半胱氨酸开关（cysteine switch)”机制完成。 Signal Propeptide Catalytic Hemopexin-like TransmembraneZa2+ Za2+MMPs的基本结构（两个锌离子位于催化区） MMPs具有降解ECM成分的能力，对细胞分化、骨骼生长、组织修复、胚胎发生和血管生成等具有重要作用。 在造血干细胞的活化与迁徙中，MMP-9对ECM 的水解十分关键，体内缺乏MMP-9的小鼠的骨骼形成和生长受到明显抑制。 由于MMPs家族成员对底物的选择具有重复性，单个MM

41、Ps成员基因的剔除并不产生致死性结果。 MMPs调节过程一旦受到破坏就会引发的疾病有：关节炎、心血管疾病、脑卒中、动脉硬化、肿瘤转移等。 骨性关节炎与类风湿关节炎患者关节液中胶原酶（ MMP-1、 MMP-8、 MMP-13）表达和对胶原的降解能力有所增加； MMP-1过表达致使小鼠心脏间质中的胶原含量降低，导致心脏收缩功能下降。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 总之，由于细胞外基质对细胞的形状、结构、功能、存活、增殖、分化、迁移等一切生命现象具有全面的影响，因而无论在胚胎发育的形态发生、器官形成过程中，或在

42、维持成体结构与功能完善（包括免疫应答及创伤修复等）的一切生理活动中均具有不可忽视的重要作用。第五节 细胞外基质与医学一、胶原与疾病 因胶原的含量、结构或类型异常而导致的疾病，不但种类多，而且累及的范围广。这些病统称为“胶原病”（collagen disease）。 例如:累及心血管系统时，可发生动脉瘤、动脉粥样硬化及心瓣膜病；累及骨、关节时，可致骨脆性增加而易骨折、关节活动度过大和关节炎；累及皮肤时，可造成愈合不良与异常膨胀；累及眼时,可引起晶体脱位。病变的部位可发生在间隙胶原或基膜胶原。1. 成骨不全(osteogenesis imperfect，OI)2. Ehlers-Danlos综合征

43、3. 维生素缺乏病 成骨不全(osteogenesis imperfecta,OI) 是一类以骨脆性增加、骨量减少、伴有其他胶原组织改变为病理表现的遗传病（AD)的统称。 主要的致病原因是 1和 2链各自的编码基因Collagen I1(Col I1)和Collagen I2(Col I2)发生点突变，导致三螺旋区域Gly-X-Y三联体的甘氨酸残基替换，进而阻止成骨细胞合成和分泌1型胶原。因其以易发骨折为标志。 其他临床表现：骨质疏松、牙齿缺陷、蓝巩膜、耳聋、容易挫伤、关节松弛以及脊柱侧弯等。称 “玻璃娃娃”。男女均有发病，发病率约1/1000015000 。 除遗传因素占主要外，英国Blum

44、sohn认为患者父亲年龄增加(超过35岁)是散发型OI病例的高危因素。 尚无确切的根治手段。针对OI患儿病残的防治主要包括减轻疼痛、降低骨折发病率等。 Ehlers-Danlos综合征（Ehlers-Danlos syndrome ） 先天性结缔组织发育不全综合征（埃勒斯-当洛综合征 ） （皮肤弹性过度综合征） 由Ehlers(1901年)与Danlos(1908年)提出 一般认为是在胚胎期，由于中胚层细胞发育不全而引起。因多有血缘婚姻史，故认为是一种显性遗传性疾病。 三大主征：皮肤及血管脆弱；皮肤弹性过强，可牵引出很长的皮襞，皮肤变薄；关节活动度过大，可做自动、被动的关节过度伸屈。常继发感染，有时可合并先天性心脏病。 无根治方法。 蛋白饮食，大量维生素E和硫酸软骨素效果较好。 预防合并感染。防止外伤，预防血管破裂所致大出血。 Ehlers-Danlos综合征 遗传异质性：各种亚型：EDS-EDS 等，EDS 型病情最严重（AD或AR）。型：编码型胶原纤维的1链胶原基因COL5 A1、COL5 A2突变型：COL3 A1基因突变型：赖氨酰羟化酶基因突变a型：COL1 A1缺陷b型：COL1 A2缺陷c型：前胶原N-肽酶缺陷维生素C缺乏病(scur