医学教程 细胞外基质

第九章细胞外基质云南农业大学动物科技学院2003.9-2010.9李莲军博士

细胞外基质(extracellularmatrix，ECM)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。细胞外基质的组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。

ECM静态地发挥支持、连接、保水、保护等作用，为细胞的生存及活动提供适宜的场所，并通过信号转导系统全方位地影响细胞的形态、代谢、功能、迁移、增殖和分化。细胞外基质第一节细胞外基质的组成胶原蛋白弹性蛋白黏合糖蛋白糖胺聚糖与蛋白聚糖细胞外基质组成细胞外基质主要由凝胶基质(多糖)和纤维网架(纤维蛋白)构成。细胞外基质多糖：糖胺聚糖、蛋白聚糖纤维蛋白

结构蛋白：胶原蛋白、弹性蛋白粘合蛋白：纤粘蛋白、层粘蛋白

粘合糖蛋白既可与细胞结合，又可与细胞外基质结合。对细胞的存活、形态、粘着、铺展、迁移、增殖、分化有直接影响。已发现数十种，其中纤粘连蛋白和层粘连蛋白研究最为深入。一、胶原(collagen)

胶原是动物体内含量最丰富的蛋白质，它遍布于体内各种器官和组织，是细胞外基质中最主要的水不溶性纤维蛋白，其中Ⅰ～Ⅲ型胶原含量最丰富。胶原由成纤维细胞、软骨细胞、成骨细胞及某些上皮细胞合成并分泌到细胞外，参与形成结缔组织(如骨、韧带、基膜、真皮)。胚胎及胎儿的胶原因缺乏分子间的交联而易于提取。随年龄增长，交联日益增多，组织僵硬老化。目前已发现的胶原至少有19种，由不同的结构基因编码，具有不同的化学结构及免疫学特性。

I、II、III、V、XI型胶原为有横纹的纤维形结构。1.胶原的类型常见的胶原类型Ⅰ型胶原纤维束,主要分布于皮肤、肌腱、韧带及骨中，具有很强的抗张力;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、广泛分布于有伸展性的组织，如疏松结缔组织;Ⅳ型胶原形成二维网格状,是基膜的主要成分及支架。

胶原都由原胶原交联而成，原胶原由三条α肽链形成三股螺旋，分为螺旋区，非螺旋区及球形结构域。2.胶原分子(原胶原)的结构

α肽链由重复的Gly-X-Y序列构成，通常X为Pro，y为Hypro

(羟脯胺酸)orHylys

(羟赖氨酸)）。

Gly-X-Y序列使α链呈左手螺旋。三股链再绕成右手超螺旋。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。胶原原纤维中的交联键是由侧向相邻的赖氨酸或羟赖氨酸残基氧化后所产生的两个醛基缩合而形成的。I型胶原的结构原胶原间共价交联，呈阶梯状排列，形成胶原纤维，在电镜下可见间隔67nm的横纹。（左模式图，右电镜照片）

3.I型胶原的合成与加工

前体

肽链在粗面内质网合成，并形成前原胶原

(preprocollagen)，前原胶原在粗面内质网合成、加工与组装，经高尔基体继续加工和组装后分泌到细胞外。前原胶原在细胞外由两种蛋白水解酶分别切去N-末端及C-末端前肽，成为原胶原(procollagen)。原胶原进而聚合装配成胶原原纤维(collagenfibril)和胶原纤维(collagenfiber)。Synthesis--fibroblasts胶原的合成与加工4.胶原的功能

胶原构成细胞外基质中的骨架结构,其它组分则通过与胶原结合形成结构与功能的复合体；

在不同组织中，胶原组装成不同形式的纤维,以适应特定功能的需要；

胶原可被胶原酶特异降解，而参入胞外基质信号传递的调控网络中。

二、弹性蛋白(elastin)弹性蛋白由二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；另一种短肽为富含丙氨酸及赖氨酸残基的α螺旋，负责在相邻分子间形成交联。

弹性蛋白也是富含甘氨酸和脯氨酸的蛋白质。与胶原蛋白不同的是，其脯氨酸没有羟基化，所以没有羟脯(赖)氨酸的存在。弹性蛋白特性

弹性蛋白是弹性纤维的主要成分。

弹性纤维与胶原纤维共同存在,赋予组织以弹性及抗张性。

弹性蛋白是高度疏水的非糖基化蛋白,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。Elastin--flexibility三、纤粘蛋白(fibronectin,FN)

FN是一种大型的糖蛋白，存在于所有脊椎动物，分子含糖4.5－9.5％，糖链结构依组织细胞来源及分化状态而异。

FN以可溶形式存在于血浆及各种体液中，总称血浆FN

；以不溶形式存在于细胞外基质及细胞表面，总称细胞FN。

FN可将细胞连接到细胞外基质上。

1.纤粘蛋白的结构各种FN均由相似的肽链(~220KD)组成，每条肽链约含2450个氨基酸残基，由三种类型(I,Ⅱ,Ⅲ型)的模块重复排列构成。每条肽链具有5－7个有特定功能的结构域，由对蛋白酶敏感的肽段连接。有些结构域能与其它ECM(如胶原、蛋白聚糖)结合，使细胞外基质形成网络；有些结构域能与细胞表面的受体结合，使细胞附着于ECM上。肽链中的三肽序列RGD(Arg-Gly-Asp)

是细胞表面某些整合素受体识别与结合的部位。

血浆FN(450KD)是二聚体，由两条相似的肽链C端借二硫键联成V字形。主要由肝细胞分泌。

细胞FN是多聚体，分子间可通过二硫键相互交联，组装成纤维。已鉴定的FN亚单位20种以上。由同一基因编码，转录后拼接不同，从而形成多种异型分子。

FN不自发组装成纤维，通过细胞表面受体指导下进行。2.纤粘连蛋白组装3.纤粘蛋白的主要功能1.介导细胞与细胞外基质的黏着2.与细胞的迁移有关3.与组织创伤的修复有关肿瘤细胞表面的FN纤维减少，因细胞表面的FN受体异常所致。四、层粘蛋白(laminin，LN)

LN也是一种大型的糖蛋白，与Ⅳ型胶原一起构成基膜。

LN分子由一条重链(α)和二条轻链(β,γ)借二硫键交联而成，外形呈十字形，三条短臂各由三条肽链的N端序列构成。已知7种LN分子，8种亚单位(α1-3、β1-3、γ1-2)。与FN不同，这8种亚单位由不同基因编码。

LN分子中至少存在8个与细胞结合的位点。

LN是含糖量很高(占15-28％)的糖蛋白，具有50条左右N-连接的糖链，是迄今所知糖链结构最复杂的糖蛋白。而且LN的多种受体是识别并结合其糖链结构的。2.层粘蛋白的作用

层粘蛋白是动物基膜的主要结构组分之一；

细胞通过层粘蛋白锚定于基膜上

与Ⅳ型胶原的结合部位； 与质膜上整合素结合(Arg-Gly-Asp序列)；

层粘蛋白在胚胎发育及组织分化中具有重要作用；

层粘蛋白也与肿瘤细胞的转移有关。

基膜是上皮细胞下方一层特化的细胞外基质，也存在于肌肉、脂肪和许旺细胞(schwanncell)周围。它不仅起保护和过滤作用，还决定细胞的极性，影响细胞的代谢、存活、迁移、增殖和分化。3.基膜基膜中除LN和Ⅳ型胶原外，还有entactin(内联蛋白，也称

nidogen)、perlecan(渗滤素)、decorin(装饰蛋白)等多种蛋白，其中LN通过entactin

与Ⅳ型胶原结合。基膜的结构五、糖胺聚糖与蛋白聚糖(一)糖胺聚糖

糖胺聚糖(glycosaminoglycan，GAG)是由重复二糖单位构成的无分枝的长链多糖。其二糖单位通常由氨基已糖(氨基葡萄糖或氨基半乳糖)和糖醛酸(或半乳糖)组成。

GAG可分为四类六种，即：透明质酸(HA)、硫酸软骨素和硫酸皮肤素、硫酸乙酰肝素和肝素、硫酸角质素。

除HA及肝素外，其他GAG均不游离存在。糖胺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0.9-1.8软骨、角膜、椎间盘glycosaminoglycans(GAGs)重复的二糖单位透明质酸(Haluronicacid、HA)是唯一不硫酸化的GAG，含多达10万个糖基，可结合大量水分子，赋予组织一定的抗压性。

HA主要存在于结缔组织、皮肤、关节液、软骨及玻璃体液等处，构成这些部位的组织基质。

透明质酸由膜蛋白透明质酸合成酶合成。脊椎动物有三种透明质酸合成酶(HAS1,HAS2,HAS3)。它们通过反复交替加入底物尿苷二磷酸-α-N-乙酰葡糖胺及尿苷二磷酸-α-D-葡萄糖醛酸而延长透明质酸链，新产生的多糖透过细胞膜进入细胞外。透明质酸透明质酸是由二糖单位(葡糖醛酸-N-乙酰氨基葡糖)组成的直链高分子多糖。◆透明质酸是增殖细胞和迁移细胞的胞外基质主要成分，也是蛋白聚糖的主要结构组分。◆透明质酸在结缔组织中起强化、弹性和润滑作用。◆透明质酸使细胞保持彼此分离，使细胞易于运动、迁移和增殖，并阻止细胞分化。透明质酸的生物学功能(二)蛋白聚糖(proteoglycan)

蛋白聚糖是糖胺聚糖与核心蛋白质(coreprotein)的共价结合物。

除透明质酸外，所有糖胺聚糖均可与核心蛋白质的Ser残基共价结合形成更为复杂的复合物，称蛋白聚糖(蛋白聚糖=糖胺聚糖+核心蛋白)。若干蛋白聚糖单体借连接蛋白以非共价键与透明质酸结合形成更大的多聚体，称聚集素。核心蛋白质的Ser残基在高尔基体中装配上GAG链。首先合成由四糖组成的连接桥(Xyl-Gal-Gal-GlcUA，木糖－半乳糖－半乳糖－葡萄糖醛酸)连接到Ser残基上，然后再延长糖链。蛋白聚糖见于所有结缔组织和细胞外基质及许多细胞表面。蛋白聚糖并不都是细胞外基质成分，而是质膜的整合成分。蛋白聚糖的显著特点是多态性：不同的核心蛋白,不同的糖胺聚糖；软骨中的蛋白聚糖是最大巨分子之一,赋予软骨以凝胶样特性和抗变形能力；蛋白聚糖可视为细胞外的激素富集与储存库，可与多种生长因子结合，完成信号的传导。蛋白聚糖的特性与功能第二节细胞外基质的生物学作用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。2、影响细胞的存活、生