医学细胞生物学课件：第十一章 细胞外基质及其与细胞的相互作用

第十一章

细胞外基质及其与细胞的相互作用

(ExtracellularMatrix,ECM)Extracellularmatrix定义:

指机体发育过程中,由细胞分泌到细胞外空间，由细胞分泌蛋白和多糖构成的精密有序的网络

结构。

各种生物大分子

分布于细胞和组织之间、细胞周围或形成上皮细胞的基膜，将细胞与细胞或细胞与基膜互相联系，构成组织与器官，使其连成有机整体。

ECM多呈高度水合的凝胶，为组织、器官甚至整个机体的完整性提供力学支持和物理强度的物质。

第一节细胞外基质的主要组成成分◆组成可分为三大类∶

●氨基聚糖与蛋白聚糖（glycosaminoglycanGAG，proteoglycanPG）

●胶原和弹性蛋白（collagen，elastin）

●非胶原性黏合蛋白（non-collagenglycopreteins

）粘着成分，如纤连蛋白和层粘蛋白细胞与细胞外基质ANOVERVIEWOFCELLSINTERACTWITHTHEIRENVIRONMENT

◆结构：

由重复的二糖单位聚合而成不分支的长链状多糖。氨基己糖（N—乙酰氨基葡萄糖，N—乙酰氨基半乳糖）糖醛酸（葡萄糖醛酸，艾杜糖醛酸）

一、氨基聚糖与蛋白聚糖

（GLYCOSAMINOGLYCANGAG，PROTEOGLYCANPG）

（一）氨基聚糖氨基聚糖的分子特性及组织分布氨基聚糖重复二糖(A—B)n所含其他分布单糖A单糖B糖成分透明质酸D—葡萄糖N—乙酰氨基0各种结缔组织（HA）醛酸葡萄糖皮肤、玻璃体软骨、滑液4-硫酸软骨素D—葡萄糖N—乙酰氨基D-半乳糖软骨、角膜（CS）醛酸半乳糖D=木糖皮肤、动脉、骨6-硫酸软骨素D—葡萄糖N—乙酰氨基D-半乳糖角膜、皮肤醛酸半乳糖D=木糖动脉、骨硫酸皮肤素D—葡萄糖醛酸N—乙酰氨基D-半乳糖皮肤、血管（DS）L-艾杜糖醛酸半乳糖D-木糖心、瓣膜硫酸乙酰肝素D—葡萄糖醛酸N—乙酰氨基D-半乳糖肺、动脉、（HS）L-艾杜糖醛酸葡萄糖D=木糖细胞表面

肝素D—葡萄糖醛酸N—乙酰氨基D-半乳糖肺、肝、

L-艾杜糖醛酸葡萄糖D=木糖皮肤肥大细胞

硫酸角质素D-半乳糖N—乙酰氨基D-氨基半乳糖软骨、角膜（KS）葡萄糖D-甘露糖椎间盘

D-岩藻糖唾液酸

◆

透明质酸(hyaluronicacid，HA)

（1）组成：N—乙酰氨基葡萄糖+葡萄糖醛酸

（2）作用：a、赋予组织一定的抗压性；

b、利于细胞的迁移及增殖。

细胞外基质中发现的大多数蛋白聚糖都是作为蛋白聚糖的一个成分而存在，惟一例外的是

透明质酸，它在细胞外基质中也可游离存在。

（二）蛋白聚糖(Proteoglycan，PG)1.蛋白聚糖的分子结构●Protein-polysaccharidecomplexiscalledaproteoglycan●AproteoglycanconsistsofacoreproteinmoleculetowhichchainsofGAGsarecovalentlyattached.即：单体=核心蛋白质+GAGPG=若干个单体以非共价键被连接蛋白质与HA相结合2.蛋白聚糖的合成：（1）合成：包括肽链的合成与肽链的糖基化

部位：内质网高尔基体（2）种类：

多态性

（3）并非所有蛋白聚糖皆为ECM成分

连接素（Syndecan）：一种蛋白聚糖，存在于成纤维细胞及上皮细胞的细胞表面。其作用为胶原、纤连蛋白等基质成分的辅助受体。属于膜的整合成分。

Fibroglycan：纤维形多糖（三）GAG和PG的功能：

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.角膜中的PG具有透光性：

4.GAG的抗凝血功能：

5.细胞表面的PG有传递信息作用：

6.GAG和PG与组织老化（四）GAG和PG与疾病黏多糖累积病，动脉粥样硬化，肿瘤二、胶原和弹性蛋白（COLLAGEN，ELASTIN）（一）胶原(Collagen)1.胶原的分子结构26typesofcollagensharecertainimportantstructuralfeatures:

●Allcollagenmoleculesaretrimersconsistingofthreepolypeptidechains,calledchains.●Alongatleastpartoftheirlength,thethreepolypeptidechainsofacollagenmoleculearewoundaroundeachothertoformaunique,rod-liketriplehelix

（1）胶原纤维的基本结构单位——胶原分子（collagenmolecule）（2）

胶原分子是由三条α-螺旋多肽链盘绕成的

三股螺旋结构；（3）胶原分子肽链的一级结构：（Gly—X—Y）n序列

Gly——甘氨酸

X——脯氨酸（Pro）

Y——羟脯氨酸（Hypro）羟赖氨酸（Hylys）（4）三螺旋结构：CollagenTypesI,II,III,andVarefiber-formingcollagensCollagen2.胶原的类型和分布Ⅰ～Ⅲ型胶原含量最丰富,形成类似的纤维结构；但并非所有胶原都形成纤维； Ⅰ型胶原纤维束，主要分布于皮肤、肌腱、韧带及骨中，具有很强的抗张强度； Ⅱ型胶原主要存在于软骨中； Ⅲ型胶原形成微细的原纤维网，广泛分布于 伸展性的组织,如疏松结缔组织； Ⅳ型胶原形成二维网格样结构，是基膜的主要成分及支架。

3.

胶原的合成装配与降解：（1）来源：

（2）胶原基因：

20differentcollagengenes

over7chromosomes

（3）胶原基因的表达与加工：

①转录：

DNAhnRNAmRNA

②

翻译：(粗面内质网)mRNA前体链+前肽（prepeptide）前α链

③

加工修饰：(始于内质网、在高尔基体中继续进行)

前α链前胶原（procollagen）Structuralfeatures

（4）装配：

①前胶原胶原分子【在细胞外，前胶原由两种专一性不同的蛋白水解酶作用,分别切去N-末端前肽及C-末端前肽,成为胶原分子】

②胶原分子胶原原纤维（collagenfibril）

③胶原原纤维胶原纤维（collagenfiber）

●在胶原纤维内部,有分子内和分子间的交联。分子内交联是指胶原分子的三条链之间的赖氨酸残基间的交联,分子间的交联是指不同胶原分子间的赖氨酸交联。

这种分子间的交联,使得在胶原纤维内部形成胶原蛋白分子呈1/4平行交替排列,即一个胶原分子的头部与下一个胶原子的尾部有一个小的间隙分隔。胶原的组装已装配的胶原鸡胚皮肤结缔组织中成纤维细胞周围的胶原分布蝌蚪皮肤中的胶原蛋白原纤维的排列（成熟的骨中、角膜中也如此）可高度拉伸的皮肤（弹性皮肤人JamesMorris，摄于1890年左右）（5）Ⅳ型胶原的装配：

（6）胶原的降解：

a.不同组织胶原的转换率不同。如骨胶原可维持十年，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；

b.在某些局部区域或特殊生理病理情况下，胶原的转换加快，并常伴有胶原类型的改变；

c.未变性胶原的典型三股螺旋结构对一般蛋白水解酶具有很强的抵抗力，因而不易降解。◆胶原酶：存在于细胞内及分泌物中，其作用机制相同。

a.组织来源不同的胶原酶对不同类型胶原的水解能力强弱不同;b.活性的调节：主要是蛋白酶和纤溶酶的水解作用。血管生成抑制因子对肿瘤生长的抑制作用

Endostatin是基膜中XVIII型胶原的降介产物(C端片段),由约184个氨基酸组成的多肽，分子量为20KD.4、胶原的功能：

（1）胶原在不同组织中行使不同的功能：组织中胶原的形态结构与功能相适应；胶原是骨、肌腱和皮肤组织中的主要蛋白，在这些组织胶原起着细胞外基质骨架作用;（2）胶原具有刺激细胞增殖和诱导细胞分化的作用：

胶原可刺激上皮分化、影响细胞的形态和运动、引导细胞迁移等的作用；（3）哺乳动物在发育的不同阶段表达不同类型的胶原。

Fig2.OsteoporosticRatBoneWithoutDrug-treatmentFig4.OsteoporosticRatBoneTreatedbyEstrogenFig1.NormalControl

Fig3.OsteoporosticRatBoneTreatedbyaChineseMedcine5、胶原与疾病：（1）定义：

因胶原的含量、结构、类型或代谢异常而导致的疾病统称为胶原病（collagendiseases）。

（2）导致胶原异常的机制：①胶原在体内合成与降解的平衡发生紊乱；②胶原基因结构的异常；③基因产物后修饰异常；

④组织中各种类型胶原的特定比例失常；

⑤胶原分子在组织中组装成胶原纤维发生障碍，或胶原与基质中其它大分子的交联发生异常；如：Vc缺乏导致坏血病；遗传性胶原病（3）免疫性胶原疾病：（二）弹性蛋白(elastin)◆是弹性纤维(elasticfibers)的主要成分。◆结构组成：无规则卷曲及高度交联。富含甘氨酸和脯氨酸的蛋白质赖氨酸、脯氨酸没有羟基化高度疏水的非糖基化蛋白

◆分布与功能：能够赋予细胞外基质弹性。主要存在于皮肤、脉管壁及肺。如在皮肤结缔组织中特别丰富，使皮肤具有高度弹性。

◈弹性纤维与胶原纤维共同存在,分别赋予组织以弹性及抗张性。

（一）纤连蛋白(Fibronectin,FN)高分子量糖蛋白（220~250KD）血浆纤粘连蛋白（plasmafibronectin，pFN）：二聚体,由两条相似的A链及B链组成,整个分子呈V形细胞纤粘连蛋白（cellfibronectin，cFN）多聚体。纤粘连蛋白不同的亚单位为同一基因的表达产物,每个亚单位由数个结构域构成，RGD三肽序列是为细胞识别的最小结构单位。人类有20多种纤粘连蛋白的膜蛋白受体为整联蛋白家族成员之一,在其细胞外功能区有与RGD高亲和性结合部位三、非胶原性黏合蛋白1.分子结构Fibronectin

-foundinblood,connectivetissue,andbasementmembranes.5%carbohydratebyweight.Composedof2subunitswithanaggregateMWofabout450kd.

RGDseq.=Arg-Gly-Asp.◆RGD序列●用蛋白酶消化FN与细胞结合区,发现这一结构域中Arg-Gly-Asp三肽序列负责同细胞表面的结合,●Arg-Gly-Asp序列(又称RGD序列)同样存在于细胞外基质和血液的其它类型的粘着蛋白序列中。

RGD序列：Arg—Gly—Asp三肽

RGDS序列：Arg—Gly—Asp—Ser四肽

Structureoffibronectinchains.

2.FN的功能：（1）介导细胞与细胞外基质间的粘着调节细胞的形状和细胞骨架的组织,促进细胞铺展◆由于FN具有同时与细胞外基质各类成分相结合的特点，并可促进细胞外基质的其它成分的沉积，故认为FN是细胞外基质的组织者。（2）与细胞的迁移有关：

胚胎发生过程中对于许多类型细胞的迁移和分化是必须的；（3）在组织创伤修复中的作用：在创伤修复中,促进巨噬细胞和其它免疫细胞迁移到受损部位；软组织损伤时血凝块的形成过程中，纤粘连蛋白促进血小板附着于血管受损部位。粘合斑Figure:Structureandfunctionoffibronectin.a.人的FN分子结构。b.鸡胚图象。暗红色显示FN。c.鸡神经嵴细胞的渗出。Coalignmentofextracellularfibronectinfilamentsandintracellularactinfilamentbundles.

Thefibronectinisvisualizedintworatfibroblastsinculturebythebindingofrhodamine-coupledanti-fibronectinntibodies(A).Theactinisvisualizedbythebindingoffluorescein-coupledanti-actinantibodies(B).3.FN与疾病：

（1）肾小球肾炎：（2）在纤维组织的增生、创伤愈合、类风湿性关节炎的关节滑液中等，[FN]↑（二）层粘连蛋白(laminin,LN)◆层粘连蛋白主要存在于基膜(basallamina)结构中，是基膜的主要结构成分。层粘连蛋白是高分子糖蛋白（820KD），动物胚胎及成体组织的基膜的主要结构组分之一；层粘连蛋白的结构由一条重链和两条轻链构成细胞通过层粘连蛋白锚定于基膜上；层粘连蛋白中至少存在两个不同的受体结合部位：

与Ⅳ型胶原的结合部位；

与细胞质膜上的整联蛋白结合的RGD序列。1.分子结构：

Lamininsareafamilyofextracellularglycoproteinsthatconsistofthreedifferentpolypeptidechainslinkedbydisulfidebondsandorganizedintoamoleculeresemblingacrosswiththreeshortarmsandonelongarm.2、层粘连蛋白的功能多功能分子■首先作为基膜的主要结构成分，对基膜的组装起关键作用。它可作为粘着因子介导细胞粘着于胶原,使之发生铺展。■Extracellularlamininscangreatlyinfluenceacell'spotentialformigration,growth,anddifferentiation.

3.LN与疾病：

（1）糖尿病具有广泛的基膜改变；（2）肾小球肾炎：基膜中[LN]↓

（3）在扩张性心肌病、心肌炎患者：血液中出现抗LN的抗体；（4）在酒精中毒性肝病、全身硬化症、某些恶性肿瘤等，

[LN]↑第二节细胞外基质的特化结构——基底膜一、基底膜的分布(Basementmembrane)◆Basementmembrane(orbasallamina)isthespecializedECMstructures.Itisacontinuoussheet40to120nmthick:

■Surroundsmuscleandfatcells;■Underliesthebasalsurfaceofepithelialtissues,suchastheepidermisoftheskin,ortheliningofthedigestiveandrespiratorytracts,■Underliestheinnerendothelialliningofbloodvessels.二、基底膜的组成成分1.Ⅳ型胶原2.层粘连蛋白是基膜的主要成分，也是基膜的组织者；3.内联蛋白(entactin)4.渗滤素（perlecan）硫酸乙酰肝素

Ⅳ型胶原是基膜的核心分子，排列成网状；层粘连蛋白同Ⅳ型胶原结合，覆盖在细胞表层。基底膜的结构组成三、基底膜的生物学功能●Basementmembranesprovidemechanicalsupportfortheattachedcells;●Serveasasubstratumforcellmigration;●Separateadjacenttissueswithinanorgan;●Basementmembranesalsoserveasabarriertotheinvasionoftissuesbyerrantcancercells.

Ⅳ型胶原装配的基膜

基膜中Ⅳ型胶原的网络b.鸡胚角膜的基膜

（BL—Ⅳ型胶原蛋白，E—上皮细胞，C—胶原）a.人皮肤b.肾小球基膜（GBM，胶体金标记）a.基膜中Ⅳ型胶原的网络b.鸡胚角膜的基膜（BL—Ⅳ型胶原蛋白，E—上皮细胞，C—胶原）

细胞的形态细胞骨架的组装稳定的（半桥粒）细胞的存活细胞－ECM间的相互作用调控细胞的凋亡动态的（粘着斑）细胞的增殖细胞的分化细胞的迁移*ECM不仅由座落在其上的细胞或临近的细胞产生，而且由细胞引导ECM精细结构的排列；*ECM对细胞的形态和活动具有全方位的调控作用。第三节细胞外基质与细胞间的相互作用一、细胞外基质对细胞生物学行为的影响

（一）影响细胞的形态结构

（二）影响细胞的生存与死亡