1、第十四章 细胞外基质及其与细胞的相互作用,1,Cell Junction & Extracellular Metrix,2,是由一些不溶性大分子构成的、结构精细而错综复杂的网络结构；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影响细胞的形状、代谢、功能、迁移、增殖和分化。,概 述,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,构成支持细胞的框架，负责组织的构建；对细胞形态、生长、分裂、分化和凋亡起重要的调控作用。,细胞外基质的主要组成成分,氨基聚糖和蛋白聚糖 凝胶样基质 胶原和弹性蛋白 纤粘连蛋白和层粘连蛋白非胶原性黏合蛋白,胶原,纤粘连蛋白,层粘连蛋白,蛋白聚糖,纤维
2、网架,4,Cell Junction & Extracellular Metrix,5,化学组成,多糖,纤维蛋白,氨基聚糖和蛋白聚糖(glycosaminoglycan, GAG and proteoglycan, PG）,胶原和弹性蛋白(collagen and elastin),结构作用：,黏合作用：,纤黏连蛋白和层黏连蛋白(fibronectin and laminin),细胞外基质的主要组成成分,氨基聚糖和蛋白聚糖 是一些高分子的含糖化合物。构成细胞外高度亲水的凝胶，赋予组织良好的弹性和抗压性。,氨基聚糖（glycosaminoglycan, GAG）是由重复的二糖单位构成的直链多糖。
3、又称粘多糖。二糖单位之一是氨基己糖（N-乙酰氨基葡萄糖或 N-乙酰氨基半乳糖二糖单位另一个糖残基多为糖醛酸（葡萄糖醛酸或艾杜糖醛酸），糖残基带有羧基，呈强负电性据糖残基的性质、连接方式、硫酸化数量和存在的部位，可分为六种：,6,细胞外基质的主要组成成分 氨基聚糖,透明质酸（hyaluronic acid、hyanuroanate, HA） 结缔组织、皮肤、软骨、滑液、玻璃体,5000-10000个二糖重复单位排列构成二糖为 N-乙酰氨基葡萄糖-葡萄糖醛酸，是唯一不含硫酰酸基团的氨基聚糖 其糖醛酸的羧基带有大量负电荷，其相斥作用使整个分子伸展膨胀，占据很大的空间；在有限的空间可产生膨压，赋予组织
4、良好的弹性和抗压性 其表面有大量亲水基团，可结合大量水分子，形成凝胶 在组织创伤、早期胚胎中尤为丰富，促进细胞迁移和增殖 胚胎发育早期的空间填充物, 用于定形，如 心脏形成 作为关节液的重要成分，有润滑作用,7,细胞外基质的主要组成成分 氨基聚糖与蛋白聚糖,硫酸软骨素（chondroitin sulfate, CS）软骨、角膜、骨、皮肤、动脉,硫酸皮肤素 (dermatan sulfate, DS) 皮肤、血管、心、心瓣膜硫酸乙酰肝素(heparan sulfate, HS) 肺、动脉、细胞表面肝素(heparin) 肺、肝、皮肤、肥大细胞硫酸角质素(keratan sulfate, KS)
5、软骨、角膜、椎间盘,8,蛋白聚糖（proteoglycan，PG），是由氨基聚糖（除透明质酸外）与核心蛋白共价形成的高分子复合物，不同于一般糖蛋白,细胞外基质的主要组成成分 氨基聚糖与蛋白聚糖,分子量大，含糖量高，可达95%，多为较长的、不分枝的GAGs糖链核心蛋白为单链多肽，其上可连接1-100条以上氨基聚糖（可为不同的氨基聚糖），形成蛋白聚糖。,9,细胞外基质的主要组成成分 蛋白聚糖,若干个蛋白聚糖单体通过连接蛋白，以非共价键与透明质酸结合，形成蛋白聚糖多聚体。如 软骨中的蛋白聚糖复合体 （见 下图）,10,细胞外基质的主要组成成分 氨基聚糖与蛋白聚糖,透明质酸,硫酸角蛋白,硫酸软骨素,连
6、接蛋白,核心蛋白,细胞外基质中的蛋白聚糖多聚体 氨基聚糖为硫酸软骨素和硫酸角质素，糖链数约130余条左右，分子量为310 9，使软骨具有良好的弹性和抗压性,11,蛋白聚糖在内质网合成并装配,细胞外基质的主要组成成分 氨基聚糖与蛋白聚糖,有的蛋白聚糖也是质膜的整合成分，如 成纤维细胞和上皮细胞质膜中的 连接素（ syndecan） 其核心蛋白以跨膜糖蛋白的方式嵌入质膜脂双层，胞外区连有硫酸软骨素和硫酸类肝素氨基聚糖糖链，可与细胞外基质的胶原、纤粘连蛋白、以及信号分子结合胞内区肽段可与膜下细胞骨架相互作用,12,氨基聚糖和蛋白聚糖的功能,细胞外基质的主要组成成分 氨基聚糖与蛋白聚糖,使组织具有弹性
7、和抗压性对物质转运有选择渗透性 其糖基纵横交错，构成高度水化孔胶样物，孔的大小和电荷密度可调节对分子及细胞的通透性 如 肾小球基膜中的硫酸软骨素蛋白聚糖对原尿的生成即具有筛滤作用角膜中蛋白聚糖具有透光性 硫酸软骨素、硫酸角质素高度硫酸化使基质脱水变得致密，阻止血管的形成，使角膜柔软、具有透光性，角质化亦有保护作用氨基聚糖具有抗凝血作用 肝素蛋白聚糖 由靠近血管的肥大细胞产生细胞表面的氨基聚糖有传递信息作用 如 连接素,13,氨基聚糖与蛋白聚糖与组织老化有关 ，随着年龄增长,细胞外基质的主要组成成分 氨基聚糖与蛋白聚糖的功能,如 皮肤中 透明质酸 逐渐减少，后逐渐被硫酸皮肤素所取代 关节软骨中的
8、蛋白聚糖逐渐减少，可硫酸软骨素被硫酸角质素取代蛋白聚糖糖链比例下降，导致组织的保水性及弹性减弱氨基聚糖的阴离子可结合钙离子，在组织的钙化、尤其是骨盐的沉积中起重要作用,14,氨基聚糖和蛋白聚糖的 与 疾病粘多糖累积病 Hunter综合症动脉粥样硬化 脂类沉积肿瘤的发生,细胞外基质的主要组成成分 氨基聚糖与蛋白聚糖,15,糖苷酶或硫酸酯酶缺乏粘多糖分解产物累积,16,17,18,治疗高脂血症。防治冠心病、心绞痛、心肌梗死、冠状动脉粥样硬化、心肌缺血,胶原与弹性蛋白,细胞外基质的主要组成成分 胶原,Human collagen fibers,胶原 (横切面 电镜),成纤维细胞,胶原 （collag
9、en）是细胞外基质中的骨架结构占哺乳动物总蛋白量的1/4，含量最丰富可由成纤维细胞、软骨细胞、成骨细胞及某些上皮细胞合成并分泌到细胞外,19,胶原分子结构 为三股螺旋（triple helix）3条多肽链盘绕而成，长300nm，直径1.5nm,细胞外基质的主要组成成分 胶原,人类每条肽链约1050 aa，其中Gly占1/3，同时富含Pro和Lys，2种氨基酸经常羟基化形成Hypro和Hylys，Lys选择性糖基化肽链中的氨基酸组成规律的三肽重复序列Gly-X-Y,20,胶原的类型 链是胶原的基本亚单位，不同的链组合生成不同类型的胶原。 目前已发现25种不同的链，26种胶原,细胞外基质的主要组成
10、成分 胶原,I型胶原 1 （I）2 2 （I），存在于肌腱、皮肤、骨、韧带 II型胶原 1（II） 3，存在于软骨 III型胶原 1 （III）3，存在于皮肤、肌肉、结缔组织，在血管壁和各种软组织或器官间质形成微细的纤维网，常与I型共分布 IV型胶原1 （IV）2 2 （IV） ，仅存基底膜,21,Cell Junction & Extracellular Metrix,22,胶原合成的过程,细胞外基质的主要组成成分 胶原,共价键,螺旋胶原分子在细胞外基质组装： 相邻分子相错1/4长度，约67nm，前后分子相距约35nm，聚合形成明暗相间的胶原原纤维,23,胶原的合成装配（I-III型）前链
11、(pro-chains) ，带有信号肽和前肽 （propeptide，不含Gly-X-Y结构 去除信号肽; 选择性羟基化、糖基化 C-端前肽借二硫键形成链间交联，使3条对齐排列，3条链 以氢键相连，形成三股螺旋，前肽部分不螺旋，即前胶原（pro-collagen） 分泌到细胞外;去除前肽;相邻分子相错1/4长度，约67nm， 前后分子相距约35nm，聚合形成明暗相间的纤维，即胶原原纤维（collagen fibril） 细胞外基质中聚集成束，形成胶原纤维（collagen fiber）,细胞外基质的主要组成成分 胶原,内质网、高尔基体,细胞外,24,Cell Junction & Extrac
12、ellular Metrix,25,胶原的电镜照片A: I型胶原，具有横纹；B：IV胶原，无横纹,胶原的降解 胶原的周转很缓慢，成年人骨中的胶原分子，可维持达10年；一般的蛋白质 半衰期为数小时或数天,细胞外基质的主要组成成分 胶原,26,参与胶原分解的酶类主要有：胶原酶，主要作用于I、型胶原；明胶酶，作用于、V、型胶原；肿瘤细胞能产生明胶酶，特异性地作用于型胶原，破坏基膜，为侵袭、转移开辟道路。基质裂解素，作用于、IV、X型胶原。,27,胶原的功能 与相关疾病 协助完成细胞生长、粘附、运动、增殖、分化 粘连、支持、保护细胞连聚为组织、器官，如: 羟化赖氨酸和弹性蛋白交连，使组织有弹性， 交联
13、受阻胶原病 缺抗坏血酸（vitamin C），脯氨酸羟化受阻， 不利于交联氢键的生成，影响胶原的稳定， 胶原分子生长不良，间质胶原大大减少， 血管变脆、牙龈出血，引起坏血病 肝肺纤维化：胶原生成失衡,胶原病是指具有下列共同特点的一系列疾病(1)原因不明的发热。 浙江医学高等专科学校 实用人体机能学精品课程(2)出现皮疹，但不痒。 浙江医学高等专科学校 实用人体机能学精品课程(3)关节疼痛、肿胀。 浙江医学高等专科学校 实用人体机能学精品课程(4)肌肉疼痛。 浙江医学高等专科学校 实用人体机能学精品课程（5）血沉升高 。,28,成骨发育不全 型,p127,弹性蛋白（elastin）是构成细胞外基
14、质中弹性纤维网络的主要成分，是高度疏水的非糖基化纤维蛋白，,细胞外基质的主要组成成分 弹性蛋白,为高度疏水蛋白，人类的为830aa，富含脯氨酸、甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸，无糖基化，很少有羟脯氨酸，不含羟赖氨酸 主要由2类片段组成， 疏水性短肽 与分子的的弹性有关 螺旋片段 富含丙氨酸、赖氨酸，与相邻分 子形成交联,Elastic fiber,Single elastin molecule,30,弹性蛋白以可溶性蛋白原的形式分泌到细胞外，通过赖氨酸残基之间相互交联装配，形成弹性纤维网,细胞外基质的主要组成成分 弹性蛋白,弹性蛋白表面包饶一层糖蛋白组成的微原纤维（microfibrils） 其中原纤
15、蛋白（fibrillin）是保持弹性纤维完整所必需的成分，其基因突变，可导致马凡氏综合症（Marfans syndrome）胶原纤维与弹性纤维交织，可以限制其伸展程度，防止组织撕裂，使组织既有弹性又有韧性 弹性蛋白是动脉中含量最高的细胞外基质蛋白，其基因突变可导致动脉壁平滑肌过度增殖引起动脉狭窄,31,Cell Junction & Extracellular Metrix,32,包绕弹性蛋白的糖蛋白fibrilin基因突变所致皮肤、骨骼、心血管系统和眼睛异常 多处皮肤皱褶患者身体瘦高、肢长，蜘蛛脚样指患者60% -80% 有心血管疾病眼部典型损害为晶状体脱位,Marfan Syndrome,
16、Cell Junction & Extracellular Metrix,33,纤粘连蛋白 (fibronectin，FN ) 为高分子糖蛋白，含糖量4.5%-9.5%，其含糖量因组织不同和分化状态不同而有差异。有两种存在形式：,细胞外基质的主要组成成分 纤粘连蛋白,血浆纤粘连蛋白， plasma fibronectin, PF， 主要存在于体液、血浆中，促进血液凝固、创伤愈合、细胞吞噬细胞纤粘连蛋白，cell surface fibronectin, CF，高度不溶, 主要存在于细胞外基质和细胞表面。CF在细胞表面装配，沉积在细胞外基质（包括某些基膜）, 主要由间质细胞分泌,34,有许多结合
17、位点，可结合ECM成分或细胞每条肽链约含2450aa，构成5-7个有特定功能的球形结构域各结构域之间的肽段可折曲，对蛋白酶敏感具有三肽序列Arg-Gly-Asp（RGD）结合活性部位，是细胞表面各种FN受体识别并结合的最小单位，但并非FN所特有,细胞外基质的主要组成成分 纤粘连蛋白,FN结构特点,FN电镜,纤维状糖蛋白，由2个相似的亚单位构成二聚体，二聚体C端以二硫键相连， “V”形，活动度大 其中PF为二聚体， CF为二聚体交联后形成的多聚体,35,Heparin-and-fibrin-binding domain,Collagen-binding domain,Fibrin-binding
18、 domain,Cell-binding domain,Heparin-binding site,Fibrin-binding site,RGD stands for the cell binding site sequence: Arg-Gly-Asp,人的FN分子 含有两条相似多肽，两多肽由C端二硫键相连,细胞外基质的主要组成成分 纤粘连蛋白,结合肝素、纤维蛋白的结构域,结合胶原的结构域,结合纤维蛋白的结构域,结合细胞的结构域,结合肝素的结构域,结合纤维蛋白的结构域,36,FN及其通过整合素蛋白与细胞内骨架系统结合,FN功能 黏着 迁移,细胞外基质的主要组成成分 纤粘连蛋白,介导细胞-细胞
19、外基质 的黏着与细胞的迁移：在黏着斑处FN受体（如 整联蛋白）通过FN与细胞外基质相连，通过黏着斑的形成于解离，影响细胞骨架的组装与去组装，促进细胞迁移在胚胎发生期引导细胞迁移及细胞分化在组织创伤中，PF可结合血浆纤维蛋白，在伤口处吸引成纤维细胞平滑肌细胞、和内皮细胞向伤口迁移，形成肉芽组织FN与疾病肾小球炎恶性肿瘤中的FN受体异常，细胞黏着能力下降,38,层粘连蛋白（laminin，LN） 是胚胎发育中出现的最早的细胞外基质成分，为糖蛋白，含糖13-28%。结构复杂，功能多样,细胞外基质的主要组成成分 层粘连蛋白,LN分子结构,-链,-链,球形结构域,缠绕的 -螺旋结构域 domain,-链
20、,Laminin-1 结构,39,高分子糖蛋白，分子量820-850Da，300nm长由三条多肽组成的异三聚体一条重链与两条轻链以二硫键相连，呈不对称十字结构：三条短臂（ N-端）、一条长臂,细胞外基质的主要组成成分 层粘连蛋白,至少有8个细胞结合位点，结合上皮细胞、内皮细胞、成纤维细胞、神经元、神经鞘细胞、肿瘤细胞等是一个大的蛋白家族，现已鉴定出8种不同一级结构序列的LN亚单位,40,LN的功能,细胞外基质的主要组成成分 层粘连蛋白,基膜的主要成分具有RGD序列，被各种细胞识别，从而固定在基膜上在早期胚胎中保持细胞间的黏附、细胞的极性、及细胞的分化具有重要意义LN与疾病糖尿病基底膜的改变,4
21、1,基膜/基底膜（basal lamina 或basement membrane）是细胞外基质的特化的柔软、坚韧的网膜结构一般厚40-120nm，位于上皮细胞或内皮细胞基底部，或包绕在肌细胞、雪旺氏细胞周围，将细胞与结缔组织隔离,细胞外基质的主要组成成分 基膜,Basal lamina,Basal lamina,Basal lamina,上皮细胞,内皮细胞,结缔组织,肾小球,上皮,肌肉,肌肉细胞质膜,结缔组织,BLOOD,42,细胞外基质的主要组成成分 基膜,质膜,内联蛋白nidogen,渗滤素perlecan,整联蛋白：在此作为laminin受体,IV型胶原,基膜的分子结构模型,层粘连蛋白laminin,43,
