1、细胞生物学,第三章：细胞微环境与细胞连接,2018/11/27,1,细胞环境包括内环境（细胞内环境）和外环境（细胞外环境）。细胞对其环境的稳定性要求很高，其调节通过细胞与细胞、细胞与环境之间的相互作用来实现。 作用方式为通过细胞与细胞、细胞与细胞外基质间的相互识别、黏着、连接和通讯等,2018/11/27,3,56岁Phyllis Jacobson是一位已婚的犹太裔秘书，她近来因口腔持续溃疡一种被她自认为是颊部的“唇疱疹（cold sores）”困扰两个月了,口腔及舌咽部有破损和溃疡，经局部治疗无效，并出现水泡。 给予抗病毒，抗真菌药物治疗无效，并且病情加重。 血细胞计数检查正常，额中线的与头
2、皮交汇处出现许多小的软水泡。 Jacobson太太患得是渐进性的寻常性天疱疮（pemphigus vulgaris）,临床案例,2018/11/27,4,患者具有后天获得性抗表皮角质细胞跨膜粘着蛋白desmogleins（桥粒芯蛋白）的自身抗体。桥粒芯蛋白是桥粒连接（常使棘细胞连接在一起的一种细胞连接方式）中的粘附分子。患者体内产生的自身抗体的靶点是这些钙粘着蛋白分子膜表面的表位，通过直接阻断它们的粘着功能或引起蛋白水解。,Cell Biology,2018/11/27,5,诊断要点：口腔喉部、鼻部粘膜包括非粘膜的皮肤组织损害；尼科尔斯基氏征阳性；血细胞计数正常； 治疗：每日口服60mg强的松
3、； 严重的患者需要更进一步的抗免疫治疗，包括静脉注射IgG、血浆滤过、氨苯砜（一种抗菌剂），甚至应用抗代谢药物和烷化剂,Diagnosis Treatment,一、细胞表面 二、细胞粘着与细胞连接细胞粘着分子细胞连接 三、 细胞外基质,2018/11/27,6,第三章 细胞环境与互作,一、细胞表面,细胞被由碳水化合物形成的覆盖在细胞质膜表面的保护层，称为细胞被，由于这层结构的主要成份是糖, 所以又称为糖萼(glycocalyx)或多糖包被。 由细胞分泌产生的，与质膜的蛋白质分子、脂类分子共价结合形成糖蛋白和糖脂分子 具有保护，细胞识别和血型决定等重要的作用,细胞被的结构及组成,（一）细胞黏着（
4、cell adhesion） 细胞通过黏着分子介导的细胞与细胞或细胞与细胞 外基质之间的粘着。 细胞黏着分子(cell adhesion molecular，CAM) 一类广泛存在于细胞膜上的跨膜糖蛋白，介导细胞 之间或细胞与细胞外基质之间相互结合，并起黏附 作用的一类细胞表面分子。,二、细胞粘着与连接,大致分为四类：钙粘素、选择素、免疫球蛋白超家族及整联蛋白家族。细胞粘附分子都是跨膜糖蛋白，分子结构由三部分组成：胞外区，肽链的N端部分，带有糖链，负责与配体的识别；跨膜区，多为一次跨膜；胞质区，肽链的C端部分，一般较小，或与质膜下的骨架成分直接相连，或与胞内的化学信号分子相连，以活化信号转导途
5、径。,细胞粘着分子,细胞粘着分子,细胞粘附分子的作用方式,钙粘素(cadherin) ，其作用依赖于Ca2。至今已鉴定出30种以上钙粘素，分布于不同的组织。 多为单次跨膜蛋白，介导同嗜性细胞粘着。,1介导细胞连接。在成年脊椎动物，E-钙粘素是保持上皮细胞相互粘合的主要CAM，是粘合带的主要构成成分。 2参与细胞分化。钙粘素对于胚胎细胞的早期分化及成体组织的构筑有重要作用。在发育过程中通过调控钙粘素表达的种类与数量可决定胚胎细胞间的相互作用，从而通过细胞的微环境，影响细胞的分化，参与器官形成过程。 3抑制细胞迁移。很多种癌组织中细胞表面的E钙粘素减少或消失，以致癌细胞易从瘤块脱落，成为侵袭与转移
6、的前提。因而有人将E钙粘素视为转移抑制分子。,1、钙粘着蛋白（钙粘素）,钙粘素的作用：,钙 粘 素 结 构 模 式 图,粘着连接钙粘素-微丝,桥粒钙粘素-中间纤维,选择素 （selectin）属异嗜性CAM，其作用依赖于Ca2。主要参与白细胞与脉管内皮细胞之间的识别与粘合。已知选择素有三种：L-选择素、E-选择素及P-选择素。,2、选择素,选择素的分子结构 单次穿膜蛋白 胞外区由三个独立结构域组成：N末端凝集素结构域：识别特异糖基，参与细胞之间选择性黏附的重要活性部位。表皮生长因子样结构域：加强分子间黏附补体结合蛋白结构域：参与补体系统调节作用 胞内区可通过锚定蛋白与细胞内微丝结合。,选择素的
7、功能,参与白细胞或血小板与血管内皮的识别，帮助白细胞进入炎症部位。,选择素及整联蛋白介导白细胞迁移,免疫球蛋白超家族（Ig-superfamily，Ig-SF），分子结构中含有免疫球蛋白（Ig）的类似结构域CAM超家族，一般不依赖于Ca2。免疫球蛋白结构域是指借二硫键维系的两组反向平行折叠结构。 多介导淋巴细胞和免疫应答所需要的细胞之间的相互作用,3、免疫球蛋白超家族,整合素（integrin）专门介导异嗜性黏着，其作用依赖于Ca2/Mg2+。介导细胞与细胞间的相互作用及细胞与细胞外基质间的相互作用。几乎所有动植物细胞均表达整合素。 异二聚体，可识别RGD序列,4、整联蛋白家族,细胞黏着四家族
8、，免钙整联选择素； 前二同嗜后二异，一硫三钙不分离。,（二）细胞连接在多细胞生物体内，细胞与细胞或细胞外基质之间通过细胞膜相互联系，形成一个密切相关，彼此协调一致的统一体，称为细胞连接（cell junction）。,紧密连接锚定连接通讯连接,分布:存在腔道上皮细胞管腔面顶端及脑毛细血管内皮细胞间,1、以紧密连接为特征的封闭连接,电镜下结构:,形态:,焊接线/嵴线:跨膜蛋白排列形成膜质双层外层胞质面/P面有嵴网,膜质双层内层质膜外侧面/E面有对应的沟,分子组成:, 封闭蛋白 （occludin) 紧密蛋白 (claudin) Zonula occluden (ZO 蛋白）,4次穿膜的膜整合蛋白
9、，C末端和N末端 均伸向细胞质，对紧密连接的形成和功能 起重要作用,紧密连接限制膜脂和膜蛋白的侧向扩散,2、锚定连接,分类: 粘着连接:与肌动蛋白纤维相连 粘着带:细胞与细胞之间 粘着斑:细胞与细胞外基质之间桥粒连接:与中间纤维相连 桥粒:细胞与细胞之间 半桥粒:细胞与细胞外基质之间,锚定连接两类蛋白,粘着连接是由肌动蛋白纤维介导的锚定连接1）.粘着带,小肠上皮细胞之间粘着带结构模式图,粘着带（adhesion belt）,2）.粘着斑,帮助细胞运动。,粘着斑的结构和功能,桥粒连接是由中间纤维介导的锚定连接1）.桥粒,存在部位：位于上皮细胞粘着带的下方，是相邻细胞接触点上 一种类似纽扣状的结构
10、。,桥 粒 结 构 模 式 图,电镜下桥粒,2）.半桥粒,半桥粒结构 A.半桥粒结构照片 B.半桥粒结构模式图,锚定连接的种类及其化学组成,一种特殊的细胞连接, 位于特化的具细胞间通讯作用的细胞 具机械的细胞连接作用 在细胞间形成电偶联或代谢偶联, 以此来传递信号 通讯连接的方式：间隙连接(gap junction)化学突触(chemical synapse)胞间连丝(plasmodesmata): 植物细胞所特有,（三）、通讯连接（communicating junction）,1.间隙连接(gap junction),分布组织：,普遍存在与各种组织细胞中(成熟骨骼肌细胞和循环系统中的血细胞
11、除外),相邻膜间有24nm距离,故又名缝隙连接.,结构特点：,双方接触面积较大的盘状结构/连接子(Connexons),许多6-8nm的六角形颗粒规则地排列在质膜上,每个六角形颗粒称为一个“连接小体”，是缝隙连接的结构单位,每个连接小体由6个穿膜的连接蛋白围成，中央有直径2nm的水性通道，相邻细胞膜的连接小体一一对接，孔道相通，允许分子量1000以下的物质通过。间隙连接的通透性是可以调节的,功能：,加强细胞间连接，介导细胞间通讯。,间隙连接,连接子,间隙连接簇,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。由突触前膜(presynaptic membrane)、突触后膜
12、(postsynaptic membrane)和突触间隙(synaptic cleft)三部分组成,2.化学突触,化学突触的结构,3.胞间连丝,胞间连丝是由穿过细胞壁的质膜围成的细胞质通道，直径约2040nm。 通道中有一由膜围成的筒状结构，称为连丝小管(desmotubule)。连丝小管是由光面内质网特化而成，管的两端各与一个细胞中的内质网相连。 连丝小管与胞间连丝的质膜内衬之间，填充有一圈细胞质溶质(cytosol)。一些小分子可通过细胞质溶质环在相邻细胞间传递。,细胞连接的类型总结,功能分类有三种，一封二锚三通讯；结构分类有八种，一紧二带三黏斑；四桥五半六间隙，七化八胞植物间；通透极性要
13、封紧，牢固要靠锚定连。,二、细胞外基质,细胞之间精密有序的胞间网络由蛋白质和多糖大分子构成 细胞外基质,分布于细胞外空间，细胞分泌的由蛋白质和多糖 构成的高度水合性纤维网络凝胶结构。,细胞外基质定义 ：,功能： 对细胞支持、连接、保护、营养 与细胞各种生命活动有关与组织细胞病理过程有关,（创伤修复、纤维化、细胞恶变侵润转移）,来源：成纤维细胞（主）特化组织细胞,含量种类差别大、决定组织物理性状适合其功能,上皮组织肌组织脑、脊髓,含量少：,含量多： 结缔组织,平滑肌,动物各种组织中的ECM虽然在量和形态上各不相同，分子组成也不同，但大致可归纳为三大类：蛋白聚糖、结构蛋白和黏着蛋白。,主要是糖类物
14、质组成的凝胶样结构 蛋白聚糖(Proteoglycan)：水溶性物质，也叫糖胺聚糖,主要是胶原和弹性蛋白，提供强度和韧性主要是纤连蛋白和层粘连蛋白，促进细胞与细胞外基质的结和,具有抵抗压力的作用,起结构或粘结作用,黏着蛋白：,植物体的组织结构与动物差别很大，它不具有像动物组织那样的ECM，,但植物细胞的细胞壁相当于动物体中的ECM-纤维素。,植物细胞壁中的纤维素(Cellulose),黏着蛋白：粘接作用,结构蛋白：结构作用,功能,弹性蛋白(elastin),胶原(collagen),纤连蛋白(fibronectin),层粘连蛋白(laminin),糖胺聚糖(GAG),蛋白聚糖(PG),ECM,
15、糖胺聚糖,纤维蛋白,凝胶基质-,纤维网架-,组成,（一）、ECM的化学组成,透明质酸(HA),葡糖醛酸 (glucuronic acid) 或 艾杜糖醛酸 (iduronic acid),（1）.糖胺聚糖,不分支糖链,N-乙酰葡糖胺 (N-acetyl-glucosamine) 或 N-乙酰半乳糖胺 (N-acetylgalactosamine),大都硫酸化,(glycosaminoglycan, GAG),(曾称粘多糖),糖残基上带有羧基或磺酸基 呈强负电性,1.多糖的分子结构-糖胺聚糖与蛋白聚糖,糖胺聚糖可在细胞外创造水合的、胶状的材料，形成了所谓的细胞外基质的基质(Ground subs
16、tance),透明质酸(hyaluronic acid)； 硫酸软骨素(chondroitin sulfate) 和硫酸皮肤素(heparan sulfate)； 硫酸类肝素(heparan sulfate)和肝素(heparin)； 硫酸角质素(keratan sulfate)。,根据糖残基性质、连接方式和磺酸基数量和存在部位，可将糖胺聚糖(GAG)分为4类：,除透明质酸外的所有GAG(糖胺聚糖)均可与蛋白质共价结合，形成更加复杂的高分子量复合物蛋白聚糖。所结合的蛋白质称为核心蛋白(core protein)。,（2）.蛋白聚糖 (PG), GAG + 核心蛋白,分子结构：,透明质酸的存在方
17、式及其功能：,透明质酸是唯一既能与蛋白聚糖结合形成复合物，又能游离存在细胞外基质中的糖胺聚糖 在软骨组织的细胞外基质中，透明质酸同糖胺聚糖和核心蛋白组成软骨组织的蛋白聚糖复合物，作为一个长轴，将蛋白聚糖连接在一起，形成更大的更复杂的蛋白聚糖，使细胞外基质具有更大的抗压性。透明质酸是细胞增殖和迁移的主要成分， 一旦迁移细胞停止移动，透明质酸就会从细胞外基质中消失，此时细胞间开始接触。,2、纤维蛋白的分子结构,胶原是哺乳动物中最丰富的蛋白质，其重量约占体内蛋白质总重的25%-30%。 是胞外最重要的水不溶性纤维蛋白，构成ECM的骨架，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。,胶原 (
18、collagen),（1）起结构作用的纤维蛋白, 胶原的分子结构,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X常为脯氨酸(Pro)， Y常为羟脯氨酸(Hypro)或羟赖氨酸(Hylys)。原胶原由三条a-肽链组成纤维状蛋白质， 相互拧成三股螺旋状构型， 长300nm， 直径1.5nm, 胶原的分子结构合成、装配与运输,哺乳动物具有大约20种不同的胶原基因，编码各种不同组织所需要的胶原。 首先是在粗面内质网上合成带有信号肽的前原胶原(preprocollagan)。 胶原纤维的加工组装始于内质网、在高尔基体中继续进行, 最后完
19、成于细胞外。,脊椎动物中胶原的合成、装配与分泌,胶原的结构（左模式图，右电镜照片）,弹性蛋白是弹性纤维(elastic fibers)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 弹性纤维的伸展性比同样横截面积的橡皮条至少大5倍。,弹性蛋白 (elastin),弹性纤维的主要成分为弹性蛋白(elastin) (750个氨基酸):,具有很强的疏水性 富含脯氨酸和甘氨酸 不发生羟基化,特点,弹性蛋白分子网伸缩变化示意图,拉伸方向,拉伸方向,弹性蛋白分子间的交联比胶原更复杂。通过赖氨酸残基参与的交联形成富于弹性的网状结构,起粘合作用的纤维蛋白分子
20、由多个区组成，每个区都含有可同其它ECM分子或细胞表面受体的专一结合位点。,（2）起粘合作用的纤维蛋白（黏着蛋白）,细胞外基质与细胞联系起来的桥梁作用。 在脊椎动物中，研究得最清楚的起粘合作用的纤维蛋白有纤连蛋白(FN)和层粘连蛋白(LN)。,是一种非胶原糖蛋白，由两个亚基组成的二聚体，在近羧基端有1对二硫键将两个亚基连在一起，使两个亚基排成“V”字形。 每个亚基长约2500个氨基酸残基，且亚基多肽链折叠成56个棒状和球形功能区，各功能区之间的连接部位可折屈，对蛋白酶敏感。, 纤连蛋白的分子结构：,纤连蛋白 (fibronectin,FN),纤连蛋白二体分子结构,三肽序列-Arg-Gly-As
21、p- RGD序列,FN中与细胞结合的结构域中的三肽序列 同样存在于细胞外基质和血液的其它类型的黏着蛋白序列中。,动物上皮细胞层基部的下方，单个的肌细胞、脂肪细胞、施旺氏细胞四周也围绕有基膜一薄层基膜(basal laminae) (40120nm)。,层粘连蛋白是基膜主要结构成分。,层粘连蛋白 (laminin,LN):糖蛋白,基膜的结构模型 （A.电镜下鸡胚角膜中的基膜，金瓯中的胶原纤维与其下层的结缔组织相连接；B。基膜的分子结构模型）,由3条长肽链(a、b1、b2)组成的大复合物(850kDa)，每条肽链由1500多个氨基酸组成，肽链间通过二硫键连在一起，整个分子呈十字架形。,a、b1、b2分别有3、3、2种，这些肽链原则上可组合成18种层粘连蛋白异构型，它们的分布因组织不同而异。,层粘连蛋白的分子结构,（二）、ECM的生物学作用,1影响细胞的存活、生长与死亡2决定细胞的形状3控制细胞的分化4参与细胞的迁移,思考题,解释名词细胞被；细胞连接；桥粒；细胞外基质；同嗜性细胞黏着 2. 细胞连接的种类及各自的特点，归纳具有锚定功能的连接的异同点。,
