细胞生物学(第五版)-第16章-细胞的社会联系

第16章细胞的社会性联系细胞生物学〔第5版〕主编丁明孝王喜忠张传茂陈建国多细胞生物体内没有细胞是“孤立”的通过细胞通讯、黏着、连接以及细胞与胞外基质的相互作用构成复杂的细胞社会决定细胞的行为和命运，包括结构与功能分化、位置以及生死抉择，维持机体的稳态平衡细胞的社会联系本章主要内容细胞连接细胞黏着及其分子根底细胞外基质第一节细胞连接细胞连接〔celljunction〕：在细胞膜的特化区域，通过膜蛋白、细胞骨架蛋白或者胞外基质形成的细胞与细胞之间，或者细胞与胞外基质间的连接结构。

按功能不同，细胞连接可分为3大类：一、封闭连接〔occludingjunction〕二、锚定连接〔anchoringjunction〕三、通讯连接〔communicationjunction〕封闭连接〔occludingjunction〕：将相邻上皮细胞的质膜紧密地连接在一起，阻止溶液中的小分子沿细胞间隙从细胞一侧渗透到另一侧。紧密连接是这种连接的典型代表。紧密连接〔

tightjunction〕：相邻细胞膜上成串排列的特殊跨膜蛋白〔如闭合蛋白和密封蛋白〕形成嵴线〔“焊接线”〕,将两个细胞的质膜紧密地连接在一起。紧密连接是存在于上皮细胞间的一种特殊的封闭连接，也存在于血管内皮细胞间〔如血脑屏障〕。一、封闭连接小肠上皮细胞紧密连接结构细胞微绒毛和细胞紧密连接区两个相邻细胞的质膜通过嵴线紧密连接在一起紧密连接有2个主要功能：一是形成渗透屏障，阻止可溶性物质从上皮细胞层一侧通过细胞间隙扩散到另一侧，起重要的封闭作用将电子致密物氢氧化镧参加上皮细胞一侧作为示踪物，不能够通过紧密连接进入细胞的另一侧紧密连接形成的渗透屏障是相对的，某些小分子可通过紧密连接，以细胞旁路途径从上皮细胞层一侧转运或“渗漏”到另一侧,如小肠上皮、肾小管组织。游离面质膜与基底面质膜负担不同的功能：游离面含有大量吸收葡糖糖分子的协同转运载体，完成Na+驱动的葡萄糖同向转运；基底面含有执行被动运输的葡萄糖转运载体，将葡萄糖转运到细胞外液，完成葡萄糖的吸收和转运功能。二是形成上皮细胞膜蛋白与膜脂分子侧向扩散的屏障，维持上皮细胞极性紧密连接通过相邻细胞膜上的跨膜蛋白形成嵴线相互作用，将两个细胞的质膜紧密地连接在一起。目前从紧密连接的嵴线中至少确定了两类蛋白：一类称为闭合蛋白，另一类称为密封蛋白，二者都是4次跨膜蛋白。闭合蛋白和密封蛋白形成嵴线的相互作用还依赖于其他蛋白质。锚定连接〔anchoringjunction〕：通过细胞质膜蛋白及细胞骨架系统将细胞与细胞或细胞与胞外基质间连接起来，以形成坚韧有序的细胞群体、组织与器官。二、锚定连接锚定连接增强组织中细胞承受机械力的能力，由2类蛋白构成：〔1〕跨膜黏附性蛋白〔adhesionprotein〕〔2〕细胞内锚蛋白〔anchorprotein〕1.桥粒〔desmosome〕：细胞与细胞间的锚定连接方式。一个细胞内的中间丝与相邻细胞内的中间丝通过桥粒相互作用，从而将相邻细胞连成一起。细胞内锚蛋白：细胞骨架：跨膜黏附性蛋白：桥粒结构〔一〕与中间丝相连的锚定连接患者自身抗体结合桥粒跨膜黏附性蛋白质，破坏桥粒结构，导致上皮细胞间锚定连接丧失，体液渗漏而产生严重的皮肤水疱病自身免疫缺陷病——天疱疮2.半桥粒〔hemidesmosome〕：细胞与细胞外基质间的锚定连接方式。参与的细胞骨架仍为中间丝，细胞膜上的跨膜黏附性蛋白是整联蛋白，与整联蛋白相连的胞外基质是层粘蛋白通过半桥粒，上皮细胞可以黏附到基〔底〕膜上。半桥粒HemidesmosomeDesmosomes〔桥粒〕connectintermediatefilamentsfromcelltocell1.黏着带〔adhesionbelt〕：位于上皮细胞紧密连接的下方，相邻细胞间形成一个连续的带状结构。跨膜黏附性蛋白细胞内锚蛋白细胞骨架〔二〕与微丝〔肌动蛋白纤维〕相连的锚定连接：黏着带与黏着斑跨膜黏附性蛋白细胞内锚蛋白细胞骨架2.黏着斑〔focaladhesion〕：细胞与细胞外基质之间的连接方式。这种连接形式在肌肉和肌腱很常见，有助于维持细胞在运动过程中的张力以及影响细胞生长的信号传递。三、通讯连接通讯连接〔communicationjunction〕：介导相邻细胞间的物质转运、化学或电信号的传递，主要包括动物细胞间的间隙连接〔gapjunction〕、神经元间或神经元与效应细胞之间的化学突触〔chemicalsynapse〕和植物细胞间的胞间连丝〔plasmodesma〕。〔一〕间隙连接TK+TK-间隙连接除骨骼细胞和血细胞外，在几乎所有的动物细胞间专司细胞通信的连接方式。间隙连接结构示意图4次跨膜的间隙连接蛋白间隙连接的蛋白组成豚鼠上皮细胞冷冻蚀刻电镜显示间隙连接成片分布区域1.结构与成分神经肌肉接头〔neuromuscularjunction〕：神经元轴突末与肌纤维之间的连接位点，同时也是神经冲动从轴突经突触间隙向肌纤维传递的位点。电突触结构示意图2.功能〔1〕在代谢偶联中起作用，允许小分子代谢物和信号物质通过，以实现细胞间代谢偶联或细胞通讯；〔2〕在神经冲动信息传递中起作用，电突触属于间隙连接；〔3〕在胚胎早期发育中起作用，为影响细胞分化的信号物质的传递提供通道。〔二〕胞间连丝胞间连丝〔

plasmodesma〕：胞间连丝穿越细胞壁，由相邻细胞的细胞质膜共同组成管状结构。胞间连丝

植物细胞之间形成众多胞间连丝；B马铃薯细胞胞间连丝；胞间连丝的结构中央是由光面内质网延伸形成的链样管。在管状质膜与链样管之间是由细胞液构成的环孔。〔三〕化学突触化学突触〔chemicalsynapse〕：化学突触是存在于可兴奋细胞之间的细胞连接方式，它通过释放神经递质来传导神经冲动，

第二节细胞黏着及其分子机制同种类型细胞间彼此黏着是许多组织结构的根本特征。实验说明，细胞可以特异性识别某些细胞的外表，然后相互作用而忽略另一些细胞。将两栖动物早期胚胎的外胚层和中胚层细胞解离为单细胞并混合在一起，起初细胞形成一个混合的聚合体，然后从其他类型细胞中分选出来。外胚层细胞移动到聚合体的外外表，中胚层细胞移动到聚合体的内部，这些正是它们在胚胎中所占据的位置细胞识别与黏着的分子根底是细胞外表的细胞黏着分子〔celladhesionmolecule，CAM〕，细胞黏着分子都是整合膜蛋白，介导细胞与细胞间的黏着或细胞与细胞外基质间的黏着。这种黏着一方面将细胞连接成组织，另一方面提供了细胞与周围环境通信的根底。细胞黏着分子通过3种方式介导细胞识别与黏着〔1〕同亲型结合〔2〕异亲型结合〔3〕依赖衔接分子型结合细胞黏着分子都是跨膜蛋白，根据结构与功能特性分4大类：钙黏蛋白、选择素、整联蛋白及免疫球蛋白超家族。细胞黏着分子多数需要依赖Ca2+和Mg2+才起作用，它们介导的细胞识别与黏着还能在细胞骨架的参与下，形成细胞连接。钙黏蛋白〔cadherin〕是一类依赖Ca2+的同亲型结合的细胞黏着糖蛋白，对胚胎发育中的细胞识别、迁移和组织分化以及成体组织器官构成具有主要作用。最先发现的钙黏蛋白常根据发现的组织类型命名，称典型钙黏蛋白。非典型钙黏蛋白在序列组成上差异较大，主要功能是介导细胞黏着。一、钙黏蛋白典型钙黏蛋白胞外局部具有5个重复结构域，每个重复结构域之间是具有一定韧性的铰链区域，结合Ca2+。最后一个重复结构域形成1个把手样结构和1个口袋状结构。钙黏蛋白胞内结构域为细胞骨架〔微丝或中间丝〕提供锚定位点Ca2+结合在重复结构域之间的铰链区域，赋予整个钙黏蛋白胞外局部刚性，使一个细胞钙黏蛋白的把手样结构和另一细胞钙黏蛋白的口袋样结构彼此嵌合在一起，实现了Ca2+依赖性的细胞黏着。低浓度〔<0.05mmol/L〕Ca2+导致钙黏蛋白胞外局部的刚性丧失。钙黏蛋白介导高度选择性的细胞识别与黏着调控钙黏蛋白的种类与数量能影响细胞间的黏着与迁移，从而影响组织分化，比方小鼠8细胞胚胎时期，表达E-钙黏蛋白将松散的分裂球细胞变成紧密黏合的细胞。E-钙黏蛋白突变，会导致胚胎细胞的别离和死亡。上皮细胞转型为间质细胞或间质细胞转型为上皮细胞是一个受控的可逆过程，称之上皮－间质转型。其分子机制涉及E-钙黏蛋白表达与否。表达E-钙黏蛋白后，分散的间质细胞会聚集在一起形成上皮组织；不表达E-钙黏蛋白的上皮细胞那么从上皮组织迁移出来形成游离的间质细胞上皮－间质转型涉及E-钙黏蛋白的表达与否二、选择素选择素〔selectin〕:一类依赖Ca2+的异亲型结合的细胞黏着分子，属跨膜糖蛋白家族，其胞外局部高度保守并能识别和结合其它细胞外表所凸起的特异糖基的凝集素结构域〔lectindomain〕。L-选择素存在于各种白细胞的外表，参与炎症部位白细胞从内皮细胞间隙进入组织的过程E-选择素存在于活化的血管内皮细胞外表P-选择素位于血小板和内皮细胞上选择素的种类选择素及整联蛋白介导的细胞黏着，选择素主要参与白细胞与血管内皮细胞之间的识别与黏着，帮助白细胞经血流进入炎症部位三、免疫球蛋白超家族免疫球蛋白超家族〔IgSF〕：指分子结构中具有免疫球蛋白样结构域的细胞黏着分子超家族。其中有的介导同亲型细胞黏着，有的介导异亲型细胞黏着，但它们介导的细胞黏着都不依赖于Ca2+。其中了解最多的是神经细胞黏着分子〔neuralcelladhesionmoleculeNCAM)，在神经组织细胞间的黏着中起主要作用神经细胞黏着分子结构示意图4种神经细胞黏着分子免疫球蛋白样结构域，每个结构域在loop末端形成二硫键同亲型结合模型四、整联蛋白整联蛋白〔integrin〕：普遍存在于脊椎动物细胞外表，属于Ca2+或Mg2+依赖性的、异亲型结合的细胞黏着分子，由α和β两种亚基形成跨膜异二聚体目前人类至少已鉴定出24种不同的α亚基和9种不同的β亚基，可与胞外基质配体结合，有时也与其他细胞外表配体结合整联蛋白主要类型整联蛋白介导细胞与胞外基质的黏着整联蛋白通过与胞内骨架蛋白的相互作用介导细胞与胞外基质的黏着。大多数整联蛋白β亚基的胞内局部通过踝蛋白、α-辅肌动蛋白、细丝蛋白、纽蛋白等与细胞内的肌动蛋白纤维相互作用；胞外局部通过自身结构域与纤连蛋白、层粘连蛋白等含有Arg-Gly-Asp(RGD)三肽的胞外基质成分结合。典型结构有黏着斑和半桥粒黏着斑半桥粒整联蛋白介导的信号传递整联蛋白参与细胞信号转导，在调节细胞增殖、死亡、黏着、迁移及生长过程中发挥重要作用。整联蛋白参与的信号传递方向有“由内向外”及“由外向内”两种形式“由内向外”的信号转导：由细胞内部信号传递的启动而调节细胞外表整联蛋白活性的方式。当细胞内信号传递启动后，PIP2激活踝蛋白，引起踝蛋白与整联蛋白β链的结合能力增强，导致整联蛋白胞外构象的改变〔被激活〕而增强与其它胞外配体的结合能力，最后介导细胞黏着。血液凝固和白细胞从血液进入组织就是血小板及白细胞的整联蛋白受“由内向外”的信号转导而激活后实现的。踝蛋白“由外向内”的信号转导指整联蛋白作为受体介导信号从细胞外环境到细胞内转导的方式。整联蛋白介导的“由外向内”的信号转导通路依赖于细胞内酪氨酸激酶Src--黏着斑激酶FAK。一旦与配体结合，整联蛋白就会快速与肌动蛋白骨架产生联系，并聚集在一起形成黏着斑在黏着斑形成部位，还有结构蛋白如纽蛋白、踝蛋白及α-辅肌蛋白黏着斑激酶借助踝蛋白等结构蛋白被募集到黏着斑部位，互相磷酸化使彼此特异的酪氨酸带上磷酸基团，为细胞内酪氨酸激酶Src家族成员提供停泊位点。酪氨酸激酶Src又使黏着斑激酶FAK其他酪氨酸带上磷酸基团，为胞内多种信号传递蛋白提供停泊位点，最终调节细胞增殖、生长、生存和凋亡等重要生命活动。第三节细胞外基质多细胞生物除细胞外还包括由细胞分泌的蛋白质和多糖构成的胞外基质。细胞外基质在结缔组织中含量最为丰富，由成纤维细胞分泌形成复杂的网络结构，占据结缔组织的大局部胞外空间结缔组织由多种细胞和胞外基质成分构成，细胞主要是分泌胞外基质的成纤维细胞细胞外基质成分主要有3种类型：(1)结构蛋白(2)蛋白聚糖{3}粘连糖蛋白细胞外基质的功能：胞外基质不仅为组织的构建提供了支撑框架，还对与其接触的细胞的存活、发育、迁移、增殖、形态以及其它功能产生重要的整合调控作用。〔1〕结构与类型是胞外基质最根本成分，也是动物体内含量最丰富的蛋白质根本结构单位是原胶原，由3条α多肽链盘绕成3股螺旋结构α链的一级结构具有Gly-X-Y三肽重复序列,其中X常为脯氨酸〔Pro〕，Y常为羟脯氨酸〔Hypro〕或羟赖氨酸〔Hylys〕1.胶原(collagen)A.一条胶原α链，呈左手螺旋，具有Gjy-X-Y三肽重复序列特征。B.胶原分子模式图，由3条α链螺旋盘绕形成胶原的类型及其特征并非所有类型的胶原都由相同的α链螺旋盘绕形成。目前已发现人的胶原类型多达27种，几种常见的胶原类型及其组织分布〔二〕胶原的合成与装配胶原的合成与组装始于内质网，并在高尔基体中进行修饰，最后再细胞外组装成胶原纤维。

前α链→原胶原→

胶原分子→胶原原纤维→胶原纤维。胶原纤维的强度可通过胶原分子内以及胶原分子间Lys残基之间形成共价键而得到极大增强脯氨酸和赖氨酸残基的羟基化有助于羟基间形成氢键，以稳定胶原3股螺旋结构缺少维生素C时，脯氨酸的羟基化受到影响，导致胞外基质中胶原不断丧失而引起血管脆性增加从而引起坏血病胶原的空间排布形式：不同组织中，胶原组装成不同的纤维形式，以适应特定的功能。如骨和角膜中，胶原纤维常分层排布，同一层的胶原彼此平行，而相邻两层的纤维彼此垂直，形成夹层板样的结构，使组织具有牢固和不易变形的特性。胶原纤维的大小和空间排布至少受两方面因素的影响：一是胞外基质中一些纤维〔胶原或非胶原〕结合胶原，介导胞外基质中胶原分子间或胶原与非胶原分子间的相互作用，从而影响胶原的排布形式；二是分泌胶原的细胞对胶原在胞外基质中排布的影响〔如成纤维细胞对分泌的胶原进行“梳理”〕。〔三〕胶原的空间排布形式成骨缺陷病：

Ⅰ型胶原发生突变，患者容易发生骨折〔四〕胶原的功能构成细胞外基质的骨架结构，胞外基质中的其他组分通过与胶原结合形成结构与功能的复合体，赋予组织刚性及抗张力强度二、弹性蛋白弹性蛋白〔elastin〕：弹性蛋白是弹性纤维的主要成分，主要存在于脉管壁及肺组织。弹性蛋白是高度疏水的非糖基化蛋白，主要由2种不同类型的区域交替排列而成：一是高度疏水区域，赋予分子弹性二是富含Ala(丙氨酸〕和Lys的α螺旋区域，有助于相邻分子形成交联。弹性纤维与胶原纤维共同存在，分别赋予组织以弹性和抗张性。弹性蛋白伸展及收缩示意图弹性蛋白分子通过共价键互相连接在一起形成卷曲的网状结构，从而可以随意的伸展及回缩弹性蛋白具有2个明显的特征：〔1〕构象呈无规卷曲状态；〔2〕通过Lys残基相互交连成网状结构。弹性蛋白与胶原纤维共同存在，分别赋予组织弹性及抗张性胶原和弹性蛋白的重要性在年老个体中表现得更为明显：随着年龄的增大，胶原的交联度会越来越大，弹性蛋白会逐渐丧失，导致关节不灵活、皮肤起皱、失去弹性摄于新疆三、糖胺聚糖和蛋白聚糖〔一〕糖胺聚糖〔GAG〕：又称氨基聚糖，是由重复的氨基己糖〔N-乙酰氨基葡糖或N-乙酰氨基半乳糖〕-糖醛酸二糖单位构成的不分支的长链多糖糖胺聚糖的糖基通常带有硫酸基团或羧基，故糖胺聚糖带有大量的负电荷，能够吸引大量的阳离子，这些阳离子又能再结合大量的水分子，最终糖胺聚糖就像海绵一样吸水产生膨压，赋予胞外基质抗压的能力，并为组织提供机械支撑作用。糖胺聚糖可分为透明质酸、硫酸软骨素和硫酸皮肤素、硫酸乙酰肝素和硫酸角质素等4类。透明质酸：透明质酸是一种重要的糖胺聚糖，但它不但不被硫酸化，而且通常也不与任何核心蛋白共价连接。透明质酸除赋予胞外基质抗压的能力外，还使细胞易于增殖和迁移，也起润滑关节的作用。蛋白聚糖由糖胺聚糖〔GAG〕与核心蛋白的丝氨酸残基共价连接形成，其中糖胺聚糖通过一个连接四糖与核心蛋白相连〔二〕蛋白聚糖〔PG〕蛋白聚糖：由糖胺聚糖通过一个连接四糖与核心蛋白的Ser残基共价连接形成的蛋白-多糖复合物，其糖含量高达90%~95%。蛋白聚糖的核心蛋白在rER上合成，但其糖基化发生在高尔基体中，首先一个特异的连接四糖与核心蛋白的丝氨酸残基共价结合，然后每次由糖基转移酶将糖胺聚糖一个个地添加到四糖末端。蛋白聚糖复合体结构示意图很多组织中，蛋白聚糖以单分子形式存在。但是在软骨中，大量的蛋白聚糖借助连接蛋白以非共价键的形式与透明质酸结合，形成很大的蛋白聚糖复合体蛋白聚糖通过连接蛋白与透明质酸结合在一起蛋白聚糖的功能：蛋白聚糖具有显著的多态性，可以含有不同的核心蛋白以及成分和长度不同的多糖链。基膜中的小蛋白聚糖与Ⅳ型胶原结合，构成基膜的结构组分；个别不被分泌到细胞外的蛋白聚糖或通过自身的核心蛋白插入到脂双层中或通过核心蛋白与糖基化磷脂酰肌醇相连而成为质膜的成分，充当其它受体的辅助受体。四、纤连蛋白和层粘连蛋白〔一〕纤连蛋白〔FN〕：纤连蛋白是由2个相似亚基通过C端形成的二硫键交联而成粘连蛋白，整个分子呈“V形”。每个亚基有数个结构域，有的能识别并结合细胞外基质组分，有的〔含有RGD三肽〕能识别并结合细胞外表受体〔整联蛋白〕。2个亚基在C端通过2个二硫键连接在一起形成二聚体，每个亚基折叠后形成5-6个结构域，每个结构域能够结合特异的分子或者细胞纤连蛋白的功能：纤连蛋白〔FN〕既能结合细胞外表受体，又能结合胶原等胞外基质，因此FN就像一个“分子桥”，将细胞锚定〔黏着〕在细胞外基质上；FN促进细胞迁移，帮助血液凝固和创伤修复，可能涉及细胞癌变。〔二〕层粘连蛋白〔LN〕层粘连蛋白：一种粘连性高糖蛋白，通过二硫键将1条α链、1条β链和1条γ链连在一起，分子外形呈“十字形”，3条短臂各由3条肽链的N端序列构成。层粘连蛋白的功能：与FN一样，有多种“双结合”的结构域，也是“分子桥”，故主要作用与FN相似。层粘连蛋白主要分布于各种动物胚胎及成体组织的基膜，具有多个结构