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第五章细胞外基质与细胞连接 第一节细胞外基质 细胞外基质 extracellularmatrix ECM 是由细胞合成并分泌到胞外 分布在细胞表面或细胞之间的大分子 主要是一些多糖和蛋白 或蛋白聚糖 细胞外基质对于一些动物组织的细胞具有重要作用 一 细胞外基质的组成成分可分为三大类 蛋白聚糖 proteoglycan 是由糖胺聚糖 glycosamin oglycans 以共价的形式与线性多肽连接而成的多糖和蛋白复合物 它们能够形成水性的胶状物 结构蛋白 如胶原和弹性蛋白 它们赋予细胞外基质一定的强度和韧性 粘着蛋白 adhesiveproteins 如纤粘连蛋白和层粘连蛋白 它们促使细胞同基质结合 其中以胶原和蛋白聚糖为基本骨架在细胞表面形成纤维网状复合物 并通过细胞质膜中的整联蛋白将细胞外与细胞内连成了一个整体 Anoverviewofthemacromolecularorganizationoftheextracellularmatrix 一 蛋白聚糖proteoglycan 1 糖氨聚糖 由重复的二糖单位构成的长链多糖 其二糖单位之一是氨基己糖 故称为糖氨聚糖 包括透明质酸 硫酸软骨素 硫酸皮肤素 硫酸乙酰肝素 肝素 硫酸角质素 2 蛋白聚糖 由糖氨聚糖与核心蛋白的丝氨酸共价连接形成的巨分子 Thestructureofacartilage typeproteoglycancomplex A蛋白聚糖单体B硫酸软骨素 硫酸角质素 透明质酸C蛋白聚糖的模式图D软骨中的蛋白聚糖电镜照片 二 胶原 1 胶原 collagen 是细胞外最重要的水不溶性纤维蛋白 也是动物体内含量最丰富的蛋白 约占人体蛋白质总量的30 以上 是构成细胞外基质的骨架 在细胞外基质中形成半晶体的纤维 给细胞提供抗张力和弹性 并在细胞的迁移和发育中起作用 2 胶原的结构 胶原蛋白的基本结构单位是原胶原 tropocollagen 原胶原肽链的一级结构具有 Gly x y n重复序列 其中Gly为甘氨酸 x常为脯氨酸 Pro y常为羟脯氨酸 Hypro 或羟赖氨酸 Hylys 3 原胶原是由三条 肽链组成的纤维状蛋白质 相互拧成三股螺旋状构型 长300nm 直径1 5nm Thestructureofcollagen 胶原的组织和结构电镜照片所示的是鸡胚胎结缔组织的胶原纤维 图解是胶原的分子结构 3 胶原类型 已发现有多种类型的胶原 不同类型的胶原有不同的化学结构和不同的免疫性能 是不同基因的表达产物 各类胶原都有两个共同的特点 都是由三条肽链组成 各类胶原蛋白的氨基酸组成完全不同 这在其他蛋白质中从未发现过 表中是已鉴定的部分胶原纤维的结构特征和分布 4 脊椎动物胶原的合成与装配 胶原是由几千个不同的分子组成的高度组织化的结构 合成和装配十分复杂 胶原蛋白是在膜结合核糖体上起始合成的 然后进入内质网 通过内质网和高尔基体的加工修饰和装配 最后分泌到细胞外基质中完成装配 脊椎动物中胶原的合成 装配与分泌 1 装配过程中涉及的前体链 前胶原 胶原 胶原原纤维及胶原纤维的关系 胶原装配的主要步骤 2 由前体肽装配成前胶原时 是通过分子内的交联完成的 而由胶原装配成胶原原纤维 collagenfibril 则是通过分子间的交联 胶原纤维的分子间和分子内交联 5 胶原的作用 为细胞外基质提供了一个水不溶性的框架 决定细胞外基质的机械性质 某一特定组织的性能通常与胶原分子的三维结构有关 胶原是骨 腱和皮肤组织中的主要蛋白 这些组织的细胞外基质不仅胶原含量高 而且刚性及抗张力大 另外胶原具有促进细胞生长的作用 如肝细胞等在含有胶原的培养基上生长较快 在细胞分化中 胶原基质和提纯的胶原底物具有维持并诱导细胞分化的作用 许多实验证明 某种细胞经过特异的粘连蛋白的介导 可以粘连到特定类型胶原上 许多上皮细胞和内皮细胞经层粘连蛋白的介导可与基膜中的 型胶原粘连 6 如果编码胶原的基因发生突变 将导致胶原病 若影响到胶原纤维的正确装配 皮肤和其它各种结缔组织就会因此降低强度而变得非常的松弛 过度松弛皮肤症 这是1890年拍摄的 弹性皮肤人 的照片 是由于胶原装配不正确引起的遗传综合症 在某些个体中 由于胶原酶缺陷而引起 因为胶原酶缺陷 不能将前胶原转变成胶原 三 弹性蛋白 弹性蛋白是弹性纤维 elasticfibers 的主要成分 弹性纤维主要存在于韧带和脉管壁 弹性纤维与胶原纤维共同存在 赋予组织以弹性和抗张能力 弹性纤维曲伸模型 四 纤维粘连蛋白 fibronectin FN 纤维粘连蛋白属非胶原糖蛋白的一种 称为冷不溶球蛋白 它是一种高相对分子质量的粘附性的糖蛋白 广泛存在于动物界 包括海绵 海胆及哺乳动物类 每个FN亚基上有与胶原 细胞表面受体 血纤蛋白和硫酸蛋白多糖高亲和结合的位点 1 纤粘连蛋白的结构 RGD序列 FN中与细胞识别的结构域中的Arg Gly Asp三肽序列 2 纤粘连蛋白的作用 介导细胞粘着在FN的分子上既有与胶原结合的结构域 又有与细胞结合的结构域 这样 FN可以介导细胞外基质与细胞进行结合 影响细胞的迁移在正常组织里 细胞是由多种多样的糖蛋白粘连起来 并约束在一个固定的位置上 主要是靠FN来维持其稳定状态 Structureandfunctionoffibronectin 五 层粘连蛋白 laminin LN 层粘连蛋白是基膜 basallamina 的主要结构成分 基膜是一种复合的细胞外结构 通常位于上皮和内皮的基底面 是细胞外基质的特异区 将细胞层和其下的结缔组织分开 典型的基膜厚约50nm 有些基膜的厚度达200nm 人皮肤的扫描电镜照片显示基膜将表皮细胞与底层细胞分 形成基膜的组织和细胞 肌细胞和脂肪细胞的表面 上皮组织基底面的下方 如皮肤上皮的下表面 将上皮细胞与结缔组织分开 血管内皮细胞的下表面 此外 在施旺细胞 Schwanncells 的表面也覆盖有基膜 基膜的结构 基膜是由不同的蛋白纤维组成的网状结构 LN不仅是基膜的主要成分 也是基膜的组织者 而 型胶原则是基膜的网状钢架 基膜的功能 基膜不仅对组织结构起支持作用 同时也是渗透性的障碍 调节分子和细胞的运动 基膜的分子结构模型 1 层粘连蛋白结构 结构上呈现不对称的十字形 由一条长臂和三条相似的短臂构成 1和 2短臂上有两个球形域 链上的短臂有三个球形结构域 其中有一个结构域同 型胶原结合 第二个结构域同肝素结合 还有同细胞表面受体结合的结构域 层粘连蛋白结构 2 层粘连蛋白功能 LN分子中具有与 型胶原 细胞表面 及其它的蛋白聚糖结合的位点 在基膜中 主要功能就是作为基膜的主要结构成分对基膜的组装起关键作用 在细胞表面形成网络结构并将细胞固定在基膜上 LN还有许多其他的作用 如在细胞发育过程中刺激细胞粘着 细胞运动 LN还能够刺激胚胎中神经轴的生长 并促进成年动物的神经损伤后再生 如同纤粘连蛋白 细胞外的LN能够影响细胞的生长 迁移和分化 Anoverviewofthemacromolecularorganizationoftheextracellularmatrix 二 细胞外基质的主要功能 对细胞的形态和细胞活性的维持起重要作用 帮助某些细胞完成特有的功能 同一些生长因子和激素结合进行信号转导 此外 某些特殊的细胞外基质也是细胞分化所必需的 胚胎发育的最后阶段 形态建成 morphogenesis 也需要某些细胞外基质的成份 1 能够分泌和形成细胞外基质的主要细胞类群是成纤维细胞 fibroblast 和少数其他特化组织的细胞 2 各种不同组织的细胞分泌形成的细胞外基质在特性上有显著的差异 骨细胞 软骨组织和结缔组织细胞外基质的扫描电镜照片左 骨细胞 中 软骨组织 右 结缔组织 三 几点说明 。