第十五章细胞社会联系细胞连接细胞黏着和细胞外基质分析

1、第十五章细胞社会联系细胞连接细胞黏着和细胞外基质分析第一节 细胞连接(cell junction)概念：是指细胞间或细胞与细胞基质之间的联系结构。类型：根据行使功能的不同进行分类：封闭连接（occluding junctions）锚定连接（anchoring junctions）通讯连接（communicating junctions）一、封闭连接（occluding junctions） 封闭连接将相邻的质膜紧密连接在一起阻止溶液中的分子沿细胞间隙渗入体内。紧密连接是封闭连接的主要形式。紧密连接（tight junction） 又称封闭小带（zonula occludens），是封闭连接的主

2、要形式，存在于脊椎动物的上皮细胞。连接区域由蛋白质形成嵴线，嵴线主要由两种跨膜蛋白claudin和occludin与外周蛋白组成。紧密连接具有封闭（阻止可溶性物质的扩散）、隔离（将上表皮细胞的游离端与基底面细胞膜上的膜蛋白相互隔离，以行使各自不同的功能）和支持功能。 紧密连接的焊接线由跨膜细胞粘附分子构成，主要的跨膜蛋白为claudin和occludin，另外还有膜的外周蛋白ZO。紧密连接的主要作用是封闭相邻细胞间的接缝，防止溶液中的分子沿细胞间隙渗入体内，从而保证了机体内环境的相对稳定；消化道上皮、膀胱上皮、脑毛细血管内皮以及睾丸支持细胞之间都存在紧密连接。后二者分别构成了脑血屏障和睾血屏障

3、，能保护这些重要器官和组织免受异物侵害。在各种组织中紧密连接对一些小分子的密封程度有所不同，例如小肠上皮细胞的紧密连接对Na+的渗漏程度比膀胱上皮大1万倍。紧密连接模式图二、锚定连接（anchoring junctions） 锚定连接在机体组织内分布广泛，上皮组织、心肌、子宫颈等组织中都很丰富，它将相邻细胞的骨架系统或将细胞与基质相连形成一个坚挺、有序的细胞群体。中间丝有关的：桥粒（desmosome） 半桥粒（hemidesmosome）肌动蛋白丝有关的：黏合带（adhesion belt） 黏合斑（focal adhesion）类型连接蛋白：细胞内附着蛋白（attachment prote

4、ins） 跨膜连接的糖蛋白桥粒（desmosome）是相邻细胞间形成的纽扣式结构。通过质膜下的致密斑连接中间纤维，中间为钙粘素。主要分布在承受拉力的组织中，如皮肤、口腔、食管和心肌中。半桥粒（hemidesmosome）位于上皮细胞基面与基膜之间，它与桥粒的不同之处在于：只在质膜内侧形成桥粒斑结构，其另一侧为基膜；穿膜连接蛋白为整合素而不是钙粘素；细胞内的附着蛋白为角蛋白。（一） 桥粒与半桥粒桥粒位于粘合带下方 1. 桥粒（desmosome）存在于承受强拉力的组织中，如皮肤、口腔、食管等处的复层鳞状上皮细胞之间和心肌中.桥粒的结构模型 相邻细胞间形成纽扣状结构，细胞膜之间的间隙约30nm，质

5、膜下方有细胞质附着蛋白质，如片珠蛋（plakoglobin）、桥粒斑蛋白（desmoplakin）等，形成一厚约1520nm的致密斑。斑上有中间纤维相连，中间纤维的性质因细胞类型而异，如：在上皮细胞中为角蛋白丝（keratin filaments），在心肌细胞中则为结蛋白丝（desmin filaments），大脑表皮细胞中为波形蛋白纤维。桥粒中间为钙粘素。因此相邻细胞中的中间纤维通过细胞质斑和钙粘素构成了穿胞细胞骨架网络。在结构上类似桥粒，位于上皮细胞基面与基膜之间,它与桥粒的不同之处在于：只在质膜内侧形成桥粒斑结构，其另一侧为基膜；穿膜连接蛋白为整合素（integrin）而不是钙粘素，整合

6、素是细胞外基质的受体蛋白；细胞内的附着蛋白为角蛋白（keratin）。 2.半桥粒（hemidesmosome）黏合带（adhesion belt）带状环绕细胞，一般位于上皮细胞顶侧面的紧密连接下方 。在粘合带处相邻细胞的间隙约1520nm。黏合带处的质膜下方有与质膜平行排列的肌动蛋白束，钙粘蛋白通过附着蛋白与肌动蛋白束相结合。相邻细胞中的肌动蛋白丝束通过钙粘蛋白和附着蛋白编织成了一个广泛的网络，把相邻细胞联合在一起。 （二）黏合带与黏合斑粘合斑（adhesion plaque）位于细胞与细胞外基质间，通过整合素（integrin）把细胞中的肌动蛋白束和基质连接起来。连接处的质膜呈盘状，称为粘

7、合斑。RGD肽： Arginine-glycine-aspartate tripeptide motif，存在于一些细胞外基质（如纤粘连蛋白），能与细胞表面的某些整合素结合，介导细胞与细胞外基质之间的粘附 细胞外基质三、通讯连接（一）间隙连接 间隙连接（gap junction） 存在于大多数动物组织。在连接处相邻细胞间有23nm的缝隙, 许多间隙连接单位往往集结在一起，其区域大小不一，最大的直径可达0.3m。在间隙与两层质膜中有大量蛋白质颗粒，是构成间隙连接的基本单位，称连接子（connexon）。 左，连接子电镜照片；右，间隙连接模型 连接子 。通过向细胞内注射分子量不同的染料，证明间隙连

8、接的通道可以允许分子量小于1.5KD的分子通过。这表明细胞内的小分子，如无机盐离子、糖、氨基酸、核苷酸和维生素等有可能通过间隙连接的孔隙。 协调代谢：实验表明:细胞内的小分子，如无机盐离子、糖、氨基酸、核苷酸和维生素等有可能通过间隙连接的孔隙,而蛋白质、核酸、多糖等大分子物质一般不能通过。这是细胞代谢偶联的基础。 例如，在体外培养条件下，把不能利用外源次黄嘌呤合成核酸的突变型成纤维细胞和野生型成纤维细胞共同培养，则两种细胞都能吸收次黄嘌呤合成核酸。如果破坏细胞间的间隙连接，则突变型细胞不能吸收次黄嘌呤合成核酸。说明次黄嘌呤吸收入野生型成纤维细胞后，可通过细胞间的间隙连接进入突变型成纤维细胞，用

9、放射性标记技术跟踪观察，也证明了这一点。 构成电紧张突触：平滑肌、心肌、神经末梢间均存在的这种间隙连接，称为电紧张突触（electrotonic synapses）。电紧张突触无须依赖神经递质或信息物质即可将一些细胞的电兴奋活动传递到相邻的细胞。 参与细胞分化： 胚胎发育的早期，细胞间通过间隙连接相互协调发育和分化。小分子物质即可在一定细胞群范围内，以分泌源为中心，建立起递变的扩散浓度梯度，以不同的分子浓度为处于梯度范围内的细胞提供”位置信息”（positional information），从而诱导细胞按其在胚胎中所处的局部位置向着一定方向分化。 间隙连接的通透性的可调节性间隙连接的通透性是

10、可调节的。在实验条件下，降低细胞PH值，或升高钙离子浓度均可降低间隙连接的通透性。当细胞破损时，大量钙离子进入，导致间隙连接关闭，以免正常细胞受到伤害。（二）胞间连丝胞间连丝（plasmodesmata）是植物细胞特有的通讯连接。是由穿过细胞壁的质膜围成的细胞质通道，直径约2040nm。因此植物体细胞可看作是一个巨大的合胞体（syncytium）。通道中有一由膜围成的筒状结构，称为连丝小管（desmotubule）。连丝小管由光面内质网特化而成，管的两端与内质网相连。连丝小管与胞间连丝的质膜内衬之间，填充有一圈细胞质溶质（cytosol）。一些小分子可通过细胞质溶质环在相邻细胞间传递胞间连丝结

11、构模型胞间连丝的功能 实现细胞间由信号介导的物质有选择性的 转运； 实现细胞间的电传导； 在发育过程中，胞间连丝结构的改变可以调节植物细胞间的物质运输。 （三）化学突触 化学突触（synapse）是存在于可兴奋细胞间的一种连接方式，其作用是通过释放神经递质来传导兴奋。化学突触由突触前膜(presynaptic membrane)、突触后膜(postsynaptic membrane)和突触间隙(synaptic cleft)三部分组成化学突触的结构（具有小囊泡的一侧为突触前膜）突触前神经元的突起末梢膨大呈球形，称突触小体(synaptic knob)。突触小体贴附在突触后神经元的胞体或突起的表

12、面形成突触。突触小体的膜称突触前膜，与突触前膜相对的胞体膜或突起的膜称突触后膜，两膜之间称为突触间隙。间隙的宽度约20-30nm，内含有粘多糖和糖蛋白等物质。 突触小体内有许多囊泡，称突触小泡(synaptic vesicle)，内含神经递质。当神经冲动传到突触前膜，突触小泡释放神经递质，为突触后膜的受体接受（配体门通道），引起突触后膜离子通透性改变，膜去极化或超极化。化学突触的结构模型几类细胞连接的比较 间隙连接紧密连接桥粒粘合斑四、细胞表面的粘附因子细胞粘附分子（cell adhesion molecule，CAM）是参与细胞与细胞之间及细胞与细胞外基质之间相互作用的分子。可大致分为五类：

13、钙黏蛋白、选择素、免疫球蛋白超家族、整联蛋白家族及透明质酸粘素。 细胞粘附分子都是跨膜糖蛋白，分子结构由三部分组成：胞外区，肽链的N端部分，带有糖链，负责与配体的识别；跨膜区，多为一次跨膜；胞质区，肽链的C端部分，一般较小，或与质膜下的骨架成分直接相连，或与胞内的化学信号分子相连，以活化信号转导途径。 （一）钙黏蛋白 钙黏蛋白（cadherin）属亲同性CAM，其作用依赖于Ca2。至今已鉴定出30种以上钙粘素，分布于不同的组织。其命名是根据所在组织的英文第一个字母命名的，如：上皮组织中的钙粘素就命名为E-钙粘素。钙粘素结构模型 钙粘素分子结构同源性很高，其胞外部分形成5个结构域，其中4个同源，

14、 均含Ca2结合部位。决定钙粘素结合特异性的部位在靠N末端的一个结构域中，只要变更其中2个氨基酸残基即可使结合特异性由E-钙粘素转变为P-钙粘素。钙粘素分子的胞质部分是最高度保守的区域，参与信号转导。2.钙粘素的作用： 介导细胞连接 在成年脊椎动物，E-钙粘素是保持上皮细胞相互粘合的主要CAM，是粘合带的主要构成成分。 参与细胞分化 钙粘素对于胚胎细胞的早期分化及成体组织的构筑有重要作用。在发育过程中通过调控钙粘素表达的种类与数量可决定胚胎细胞间的相互作用，从而通过细胞的微环境，影响细胞的分化，参与器官形成过程。 抑制细胞迁移 很多种癌组织中细胞表面的E钙粘素减少或消失，以致癌细胞易从瘤块脱落

15、，成为侵袭与转移的前提。因而有人将E钙粘素视为转移抑制分子。二、选择素 选择素（selectin）属异亲性CAM，其作用依赖于Ca2。主要参与白细胞与脉管内皮细胞之间的识别与粘合。已知选择素有三种：L选择素、E选择素及P选择素。选择素的胞外区由三个结构域构成：N端的C型凝集素结构域，EGF样结构域、重复次数不同的补体结合蛋白结构域； 通过凝集素结构域来识别糖蛋白及糖脂分子上的糖配体。表皮生长因子样结构域E选择素及P选择素所识别与结合的糖配体为唾液酸化及岩藻糖化的N乙酰氨基乳糖结构（sLeX及sLeA）。sLeA结构存在于髓系白细胞表面（其中包括L选择素）分子中。多种肿瘤细胞表面也存在sLeX及

16、sLeA结构。P选择素贮存于血小板的颗粒及内皮细胞的Weibel-Palade小体。炎症时活化的内皮细胞表面首先出现P选择素，随后出现E选择素。它们对于召集白细胞到达炎症部位具有重要作用。E选择素存在于活化的血管内皮细胞表面。炎症组织释放的白细胞介素I（IL-1）及肿瘤坏死因子（TNF）等细胞因子可活化脉管内皮细胞，刺激E选择素的合成。L选择素广泛存在于各种白细胞的表面，参与炎症部位白细胞的出脉管过程。白细胞表面L选择素分子上的sLeA与活化的内皮细胞表面的P选择素及E选择素之间的识别与结合，可召集血液中快速流动的白细胞在炎症部位的脉管内皮上减速滚动（即通过粘附、分离、再粘附，如此循环往复），

17、最后穿过血管进入炎症部位。三、免疫球蛋白超家族的CAM免疫球蛋白超家族（Ig-superfamily，Ig-SF），分子结构中含有免疫球蛋白（Ig）的类似结构域CAM超家族，一般不依赖于Ca2。免疫球蛋白结构域是指借二硫键维系的两组反向平行折叠结构。Ig-SF的结构模型 除免疫球蛋白外，还包括T细胞受体，B细胞受体，MHC及细胞粘附分子（Ig-CAM）等。有的属于亲同性CAM，如各种神经细胞粘附分子（N-CAM）及血小板-内皮细胞粘附分子（Pe-CAM）；有的属于亲异性CAM，如细胞间粘附分子（I-CAM）及脉管细胞粘附分子（V-CAM）等。I-CAM及V-CAM的配体都是整合素。N-CAM有

18、20余种异型分子，它们在神经发育及神经细胞间相互作用上有重要作用。I-CAM及V-CAM在活化的血管内皮细胞表达。炎症时，活化的内皮细胞表面的I-CAM可与白细胞表面的L2及巨噬细胞表面的M2相结合；V-CAM则可与白细胞的41整合素相结合。它们继上述选择素介导的白细胞与内皮细胞的粘合作用之后使在内皮上滚动的白细胞固着于炎症部位的脉管内皮，并发生铺展，进而分泌水解酶而穿出脉管壁。四、整联蛋白整联蛋白（integrin）大多为亲异性细胞粘附分子，其作用依赖于Ca2。介导细胞与细胞间的相互作用及细胞与细胞外基质间的相互作用。几乎所有动植物细胞均表达整联蛋白。整联蛋白结构模型亚单位的N端有结合二价阳

19、离子的结构域，胞质区近膜处都有一个非常保守的KXGFFKR序列，与整合素活性的调节有关。含1亚单位的整合素主要介导细胞与细胞外基质成分之间的粘附。含2亚单位的整合素主要存在于各种白细胞表面，介导细胞间的相互作用。3亚单位的整合素主要存在于血小板表面，介导血小板的聚集，并参与血栓形成。除4可与肌动蛋白及其相关蛋白质结合，64整合素以层粘连蛋白为配体，参与形成半桥粒半桥粒处的64整合素 第三节 细胞外基质细胞外基质概念： 细胞外基质（extracellular matrix，ECM）是指分布于细胞外空间，由细胞分泌的蛋白和多糖所构成的网络结构。 功能：粘连；支持；改变细胞微环境；信号功 能。类型：

20、胶原、层粘连蛋白和纤连蛋白、氨基聚糖与蛋白聚糖、弹性蛋白及植物细胞壁 。细胞外基质的成分 胶原是动物体内含量最丰富的蛋白质，约占人体蛋白质总量的30以上。它遍布于体内各种器官和组织，是细胞外基质中的框架结构，可由成纤维细胞、软骨细胞、成骨细胞及某些上皮细胞合成并分泌到细胞外。 胶原是细胞外基质中最主要的水不溶性纤维蛋白。1.类型：已发现20多种，型了解较多（P99表4-3）。一、胶原（collagen）胶原的结构（左模式图，右电镜照片） 2. 胶原结构 胶原纤维的基本结构单位是原胶原。 各型胶原都是由三条相同或不同的肽链形成三股螺旋，含有三种结构：螺旋区，非螺旋区及球形结构域。其中型胶原的结构

21、最为典型。型胶原的原纤维平行排列成较粗大的束，其三股螺旋由二条1 链及一条2 链构成。每条链约含1050个氨基酸残基， 每圈含3个氨基酸残基。三股螺旋相互盘绕成右手超螺旋，即原胶原。原胶原分子间通过侧向共价交联，相互呈阶梯式有序排列聚合成直径50-200nm、长150nm至数微米的原纤维，在电镜下可见间隔67nm的横纹。 3.合成： 前胶原是原胶原的前体和分泌形式。原胶原每条链由重复的Gly-X-Y序列构成。X=pro，Y=hyp或hyl，重复序列使链卷曲为左手螺旋。三股链绕成右手超螺旋。 由成纤维细胞、软骨细胞、成骨细胞、上皮细胞分泌。在RER上合成，形成三螺旋之前于Pro及Lys残基上进行

22、羟基化修饰。羟化反应由脯氨酰4、脯氨酰3羟化酶催化。Vc是酶的辅助因子，Vc缺乏导致坏血病。交联：由侧向相邻的lys或hyl残基氧化后所产生的两个醛基间进行缩合而成。交联后后形成不溶性纤维，原胶原呈阶梯状排列，电镜下可见间隔67nm的横纹。新生儿的胶原交联程度低而易于抽提。老年人胶原交联程度高，组织僵硬老化。 基因mRNA前胶原原胶原原胶原纤维 骨架结构；参与信号传递。1糖胺聚糖（glycosaminoglycan，GAG）GAG是由重复二糖单位构成的无分枝长链多糖 其二糖单位通常由氨基己糖（氨基葡萄糖或氨基半乳糖）和糖醛酸组成（见下表 ），但硫酸角质素中糖醛酸由半乳糖代替。糖胺 聚糖依组成糖

23、基、连接方式、硫酸化程度及位置的不同可分为六种，即：透明质酸、硫酸软骨素、硫酸皮肤素、硫酸乙酰肝素、肝素、硫酸角质素。氨基聚糖的分子特性及组织分布氨基聚糖二糖单位硫酸基分布组织透明质酸葡萄糖醛酸，N-乙酰葡萄糖0结缔组织、皮肤、软骨、玻璃体、滑液硫酸软骨素葡萄糖醛酸，N-乙酰半乳糖0.2-2.3软骨、角膜、骨、皮肤、动脉硫酸皮肤素葡萄糖醛酸或艾杜糖醛酸，N-乙酰葡萄糖1.0-2.0皮肤、血管、心、心瓣膜硫酸乙酰肝素葡萄糖醛酸或艾杜糖醛酸，N-乙酰葡萄糖0.2-3.0肺、动脉、细胞表面肝素葡萄糖醛酸或艾杜糖醛酸，N-乙酰葡萄糖2.0-3.0肺、肝、皮肤、肥大细胞硫酸角质素半乳糖，N-乙酰葡萄糖0

24、.9-1.8软骨、角膜、椎间盘透明质酸（hyaluronic acid,HA） 是唯一不发生硫酸化的氨基聚糖，其糖链特别长。氨基聚糖一般由不到300个单糖基组成，而HA可含10万个糖基。在溶液中HA分子呈无规则卷曲状态。如果强行伸长，其分子长度可达20m。HA整个分子全部由葡萄糖醛酸及乙酰氨基葡萄糖二糖单位重复排列构成。由于HA分子表面有大量带负电荷的亲水性基团，可结合大量水分子，因而即使浓度很低也能形成粘稠的胶体，占据很大的空间，产生膨压。HA虽不与蛋白质共价结合，但可与许多种蛋白聚糖的核心蛋白质及连接蛋白质借非共价键结合而参加蛋白聚糖多聚体的构成，在软骨基质中尤其如此。氨基聚糖的分子结构

25、2蛋白聚糖（proteoglycan） 蛋白聚糖是氨基聚糖（除透明质酸外）与核心蛋白质（coreprotein）的丝氨酸残基共价连接而成的巨分子。一个核心蛋白上可连接数百个不同的糖氨聚糖形成的蛋白聚糖单体，若干个单体借连接蛋白以非共价键与透明质酸结合形成多聚体。蛋白聚糖的一个显著特点是多态性，可以含有不同的核心蛋白，长度和成分不同的多肽链。蛋白聚糖和蛋白聚糖多聚体 核心蛋白三、层粘连蛋白和纤连蛋白1.层粘连蛋白（laminin，LN）LN也是一种大型的糖蛋白，与型胶原一起构成基膜，是胚胎发育中出现最早的细胞外基质成分。LN分子由一条重链（）和二条轻链（、）借二硫键交联而成，外形呈十字形，三条短

26、臂各由三条肽链的N端序列构成。每一短臂包括二个球区及二个短杆区，长臂也由杆区及球区构成LN的结构模型 现已发现7种LN分子，8种亚单位（1,2,3,1,2,3,1,2），这8种亚单位分别由8个结构基因编码，至少构成7种不同的层粘连蛋白。层粘连蛋白中至少存在两个不同的受体结合部位：一是与型胶原的结合部位；另一个是通过自身的RGD序列与细胞膜上的整联蛋白结合。层粘连蛋白在胚胎发育及组织分化中具有重要作用。个体发生中出现最早的细胞外基质蛋白是层粘连蛋白。层粘连蛋白也与肿瘤细胞的转移有关。2.纤连蛋白（fibronectin，FN） 纤连蛋白是一种大型的糖蛋白（220-250KD），存在于所有脊椎动物

27、，分子含糖4.59.5，糖链结构依组织细胞来源及分化状态而异。纤连蛋白可将细胞连接到细胞外基质上。FN将细胞连接到细胞外基质上 纤连蛋白以可溶形式存在于血浆（03mg/ml）及各种体液中；以不溶形式存在于细胞外基质及细胞表面。前者总称血浆纤连蛋白；后者总称细胞FN。各种FN均由相似的亚单位（220KD左右）组成。血浆FN（450KD）是由二条相似的肽链在C端借二硫键联成的V字形二聚体。细胞FN为多聚体。在人体中目前已鉴定的FN亚单位就有20种以上。它们都是由同一基因编码的产物。转录后由于拼接上的不同而形成多种异型分子。FN的结构模型 纤连蛋白的主要功能： 介导细胞粘着，进而调节细胞的形状和细胞

28、骨 架的组织，促进细胞铺展； 在胚胎发生过程中，纤连蛋白对于许多类型细 胞的迁移和分化是必需的； 在创伤修复中，纤连蛋白促进巨噬细胞和其它 免疫细胞迁移到受损部位； 在血凝块形成中，纤连蛋白促进血小板附着于 血管受损部位。 弹性蛋白是高度疏水的非糖基化蛋白，约含830个氨基酸残基。弹性蛋白纤维网络赋予组织以弹性，弹性纤维的伸展性比同样横截面积的橡皮条至少大5倍。 弹性蛋白由两种类型短肽段交替排列构成：一种是疏水短肽赋予分子以弹性；另一种短肽为富丙氨酸及赖氨酸残基的螺旋，负责在相邻分子间形成交联。弹性蛋白具有两个明显的特征:构象呈无规则卷曲状态；通过Lys残基相互交连成网状结构。 四、弹性蛋白（elastin）弹性蛋白结构模型 在弹性蛋白的外围包绕着一层由微原纤维构成的壳。微原纤维是由一些糖蛋白构成的。其中一种较大的糖蛋白是fibrillin，为保持弹性纤维的完整性所必需。在发育中的弹性组织内，糖蛋白微原纤维常先于弹性蛋白出现，似乎是弹性蛋白附着的框架，对于弹性蛋白分子组装成弹性纤维具有组织作用。老年组织中弹性蛋白的生成减少，降解增强，以致组织失去弹性。一. 细胞外被概念:动物