细胞生物学-13.细胞外基质

主要内容第一节、细胞外基质的主要成分第二节、细胞外基质的主要受体第三节、细胞外基质的降解第四节、细胞外基质的功能第五节、细胞外基质相关疾病ECM的基本概念存在于细胞外间隙中由蛋白质和糖类组装成的结构精细、复杂的不溶性大分子纤维网络和凝胶主要组成包括糖胺聚糖与蛋白聚糖、胶原、弹性蛋白、非胶原糖蛋白等概述(Overview)ECM的组成成分氨基聚糖与蛋白聚糖胶原、弹性蛋白非胶原糖蛋白概述(Overview)ECM结构示意图胶原氨基聚糖蛋白聚糖层粘连蛋白纤连蛋白ECM的功能为组织的构建提供支撑框架骨、牙：钙化基质，坚硬如岩石肌腱、韧带：坚韧如绳索，适于承受张力角膜：透明层，软而透明概述(Overview)膝关节ECM的功能为组织的构建提供支撑框架上皮组织和肌肉组织中ECM特化为基膜概述(Overview)基膜肌肉结缔组织肌细胞质膜基膜上皮腔面基膜结缔组织ECM的功能为组织的构建提供支撑框架结缔组织中ECM含量丰富概述(Overview)上皮基膜巨噬细胞成纤维细胞透明质酸蛋白聚糖肥大细胞胶原纤维毛细血管弹性纤维结缔组织ECM的功能调节细胞的多种生命活动增殖分化迁移存活及死亡概述(Overview)纤粘连蛋白整合素受体微丝一、糖胺聚糖与蛋白聚糖二、胶原三、弹性蛋白四、纤连蛋白、层粘连蛋白五、基膜第一节ECM的主要成分1.糖胺聚糖（glycosaminoglycan，GAG）由重复的二糖单位构成的直链多糖二糖单位由氨基己糖和糖醛酸组成氨基己糖多为N-乙酰氨基葡萄糖（N-GlcNAc）或N-乙酰氨基半乳糖(N-GalNAc)糖醛酸为葡萄糖醛酸或艾杜糖醛酸一、糖胺聚糖与蛋白聚糖1.糖胺聚糖（GAG）类型：6类根据二糖单位的类型、连接方式、硫酸化修饰的数量及位置的不同透明质酸、硫酸软骨素、硫酸角质素、硫酸皮肤素、硫酸乙酰肝素、肝素一、糖胺聚糖与蛋白聚糖糖胺聚糖的分子特性及组织分布糖胺聚糖重复二糖单位每二糖单位所含硫酸基组织分布透明质酸(HA)Hyaluronicacid葡萄糖醛酸-N乙酰氨基葡萄糖0软骨、神经系统硫酸软骨素(CS)Chondroitinsulfate葡萄糖醛酸-N乙酰氨基半乳糖0.2-2.3软骨、神经ECM硫酸皮肤素(DS)Dermatansulfate葡萄糖醛酸或艾杜糖醛酸-N乙酰氨基半乳糖1.0-2.0皮肤、血管、心、心瓣膜硫酸乙酰肝素(HS)Heparansulfate葡萄糖醛酸或艾杜糖醛酸-N乙酰氨基葡萄糖0.8-1.8基膜肝素Heparin葡萄糖醛酸或艾杜糖醛酸-N乙酰氨基葡萄糖1.8-2.4肺、肝、皮肤、肥大细胞硫酸角质素(KS)Keratansulfate半乳糖-N乙酰氨基葡萄糖0.9-1.8软骨、角膜、椎间盘1.糖胺聚糖（GAG）-基本概念由重复的氨基己糖和糖醛酸二糖单位构成的直链多糖包括透明质酸、硫酸软骨素、硫酸皮肤素、硫酸角质素、硫酸乙酰肝素、肝素是细胞外基质的主要成分之一一、糖胺聚糖与蛋白聚糖2.蛋白聚糖（proteoglycan，PG）由糖胺聚糖与蛋白质的丝氨酸残基共价结合形成的巨大分子构成蛋白聚糖的蛋白质称为核心蛋白(coreprotein)，为单链多肽其含糖量达90％～95％一、糖胺聚糖与蛋白聚糖2.蛋白聚糖（PG）蛋白聚糖单体一条核心蛋白质(coreprotein)与一至数百个不同的氨基聚糖共价结合而成透明质酸除外一、糖胺聚糖与蛋白聚糖2.蛋白聚糖（PG）蛋白聚糖多聚体若干个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蛋白聚糖多聚体一、糖胺聚糖与蛋白聚糖软骨中的蛋白聚糖分子结构左：蛋白聚糖的电镜照片右：蛋白聚糖的模式图透明质酸蛋白聚糖单体蛋白聚糖多聚体1μm核心蛋白质连接蛋白质硫酸软骨素硫酸角质素透明质酸（放大）300nm3.生物学特性在ECM中占据较大的空间结构氨基聚糖多位硫酸化的硫酸根(-SO42-)及糖醛酸的羧基(-COO-)，在生理pH下均解离，带大量负电荷，同种电荷间相互排斥而使蛋白聚糖单体结构伸展，呈试管刷样结构一、糖胺聚糖与蛋白聚糖3.生物学特性高度亲水糖基含有多个羟基(-OH)，且氨基聚糖带有大量的负电荷，可吸引Na+云集在其周围，而Na+具有渗透效应，可导致ECM摄入大量的水分一、糖胺聚糖与蛋白聚糖一、糖胺聚糖与蛋白聚糖4.生物学功能GAG和PG在ECM中提供凝胶样环境，具有缓冲和抗压作用因为在外界压力作用下体积的缩小使其负电荷相互靠近，同种电荷间的排斥力产生膨胀压抵抗压缩，压力去除后则反弹，在弹性蛋白的协同作用下可恢复组织原有的体积一、糖胺聚糖与蛋白聚糖4.生物学功能蛋白聚糖分子中含有一系列的结构位点，可与ECM、细胞表面以及生长因子等结合，发挥其生物学功能一、糖胺聚糖与蛋白聚糖4.生物学功能参与细胞的迁移和增殖在胚胎组织和创伤组织中透明质酸合成旺盛、含量高，一旦细胞增殖到足够的数量或细胞迁移到位，便由透明质酸酶将其破坏有的蛋白聚糖分子含有EGF样结构，具有诱导细胞生长的作用1.胶原分子的基本结构2.胶原的分类3.胶原的生成过程4.胶原的降解二、胶原(collagen)一般特点细胞外基质中的骨架结构一种糖蛋白,不溶性纤维形蛋白质动物体内含量最丰富、分布最广泛的蛋白质，占人体蛋白质总量的25%以上二、胶原(collagen)胶原糖蛋白是细胞外基质的骨架结构，含量丰富，分布广泛成纤维细胞胶原纤维胶原纤维三条肽链形成的三股超螺旋结构，一般长300nm，直径1.5nm1.胶原分子的基本结构每条肽链称为链链由(Gly-X-Y)n重复序列构成Gly含量约占胶原氨基酸总量的1/3X和Y可以为其他任何aa，但X常为Pro(脯氨酸)，Y常为Hypro(羟脯氨酸)或Hylys(羟赖氨酸)Hypro或Hylys的羟基可形成链间氢键，有助于三股超螺旋结构的稳固Pro的环状结构与Gly极小的侧链使多肽链自身卷曲为左手螺旋结构，每圈含有3个氨基酸残基1.胶原分子的基本结构胶原链的一级结构特点示意图类型分子组成三股螺旋的长度特点I[1(I)]2[2(I)]或[1(I)]3300nm67nm横纹较粗大的纤维束II[1(II)]3300nm67nm横纹较细的条状纤维束III[1(III)]3300nm67nm横纹较细的纤维束IV[1(IV)]2[2(IV)]390nm三维交联网络.C端球状，不形成纤维束1.胶原分子的基本结构链相同形成同源三聚体,不同形成异源三聚体；编码链的基因25种，形成20多种胶原NatureReviewsMolecularCellBiology,15,771,20142.胶原的分类原纤维性胶原形成胶原原纤维，并可进一步聚集成粗大的胶原纤维包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型胶原在组织中含量最丰富，细胞间质的主要成分主要分布于皮肤、角膜、骨、肌腱、韧带等为结缔组织提供抗张强度CollagenfibersasseenbySEM胶原纤维原纤维原胶原三股肽链2.胶原的分类成网胶原，胶原一级结构中的Gly-X-Y重复序列被一些非重复序列所间隔，并形成散在的球状结构区域，因而导致三股螺旋结构中断和折转，形成网状结构包括Ⅳ和VII型胶原是基膜大分子网络的主要组成成分Ⅳ型胶原分子形成的网状结构示意图7SCCCCCNCNN1个Ⅳ型胶原分子4个Ⅳ型胶原分子N端的共价交联2个Ⅳ型胶原分子C端的聚合NC7SCNN7S成网胶原的结构2.胶原的分类原纤维相关胶原具有间断三股螺旋并与原纤维相关的胶原(FACIT)包括IX和Ⅻ型胶原结合在胶原原纤维的表面，与ECM中的其他成分相互作用，辅助原纤维性胶原的装配2.胶原的分类短链胶原如Ⅷ和Ⅹ型胶原其分子都很小其它类胶原如ⅩⅢ型胶原产生胶原的细胞以间质型细胞为主，如成纤维细胞、成骨细胞及成软骨细胞等胶原的生物合成及组装过程细胞内阶段细胞外阶段I型胶原为例进行讲述3.胶原的生成过程成纤维细胞软骨细胞胶原的分子结构及生物合成过程示意图S-S为二硫键●为半乳糖基◆为葡萄糖基Ⅰ基因Ⅱ前体RNAⅢmRNAⅣ前链Ⅴ前胶原Ⅵ原胶原Ⅶ胶原原纤维细胞外转录剪接翻译N端前肽C端前肽重复Gly-X-Y序列组装细胞内RER细胞核胶原生成的细胞内阶段主要包括转录、翻译、前链的修饰及修饰后的聚合翻译是在RER进行，合成带有信号肽的早前胶原(preprocollagen)早前胶原在RER腔中被切去信号肽而成为前链(pro-chain)N端前肽C端前肽重复的Gly-X-Y序列前链在ER中进行修饰—羟化Pro和Lys残基发生羟化分别由脯氨酰羟化酶、赖氨酰羟化酶催化维生素C是羟化酶的辅助因子维生素C缺乏则前胶原的羟化不足，不能形成稳定的三股螺旋结构，导致坏血病N端前肽C端前肽OHOHOHOH胶原生成的细胞内阶段胶原生成的细胞内阶段N端前肽C端前肽OHOHOHOH前链在ER进行修饰—糖基化羟赖氨酸的糖基化：赖氨酰羟化酶催化进行前肽部分Asn（天冬酰胺）残基的糖基化糖链很短糖基化程度可调控原胶原纤维的直径前链的C端前肽借二硫键形成链间交联，使三条链“对齐”排列，因而从CN端聚合形成三股螺旋结构胶原生成的细胞内阶段带有前肽的三股螺旋胶原分子称为前胶原(procollagen)。前胶原是原胶原的前体和分泌形式，是以囊泡的形式分泌到细胞外胶原生成的细胞内阶段胶原生成的细胞外阶段前胶原分子在细胞外特异性蛋白水解酶作用下切去N端前肽及C端前肽,形成不溶性的原胶原（tropocollagen）胞内(水溶性)胞外(水不溶)前胶原氨肽酶前胶原羧肽酶原胶原是胶原纤维的基本结构单位三条链盘绕而成三股螺旋结构称为原胶原(tropocollagen)，直径约1.5nm、长度约300nm原胶原疏水性极强，不溶性的纤维分子300nm长，直径1.5nm胶原生成的细胞外阶段原胶原在细胞外进一步组装成原纤维(collagenfibril)原胶原分子呈1/4交替有序排列，前后首尾相隔，侧向共价交联，形成明暗相间、直径10～300nm、长至数微米、有周期性横纹的胶原原纤维原纤维胶原生成的细胞外阶段原纤维的明暗相间横纹的形成胶原生成的细胞外阶段胶原原纤维共价交联，形成不溶性的巨大胶原纤维(collagenfiber)。胶原纤维胶原的合成及组装过程CollagenfibersasseenbySEM胶原纤维胶原原纤维原胶原三股肽链2.胶原的生物学功能胶原构成ECM的骨架胶原在ECM中含量最高，刚性及抗张力度最大，是构成ECM的骨架结构，并与其他成分结合形成结构与功能的复合体。胶原几乎参与所有ECM的构建，不同器官、组织中胶原的含量、类型、排布方式不同，这些差别与器官、组织的功能相适应。胶原原纤维在ECM中按组织的需要以不同的形式组装。胶原纤维I型胶原纤维的抗张力强度超过钢材交联键越多则抗张力强度越大跟腱是体内最强的腱，交联度最高随年龄增长，交联键日益增多，胶原纤维亦越发紧密，从而导致皮肤、血管及各种组织变得僵硬，成为老化的一个重要方面如果交联受到抑制，则胶原纤维的抗张强度大大降低，皮肤、肌腱及血管变脆，易于撕裂二、胶原含量最丰富的细胞外基质糖蛋白由3条α链盘绕成的三股超螺旋结构链具有Gly-X-Y三肽重复序列，通常X是脯氨酸或赖氨酸，Y是羟脯氨酸或羟赖氨酸是构成结缔组织和基膜的主要大分子骨架对于维持组织器官的形态和受力强度具有重要作用三、弹性蛋白人表皮中的弹性蛋白纤维网络扫描电镜图(已将胶原及氨基聚糖处理掉)三、弹性蛋白非糖基化的纤维状蛋白质由成纤维细胞、大动脉平滑肌细胞和软骨细胞等产生构成弹性纤维的主要成分主要存在于伸展性较大的组织中肺、大动脉血管、子宫、胎盘及一些弹性韧带在皮肤结缔组织中特别丰富，使皮肤具有弹性由750个氨基酸残基组成的蛋白质，富含Pro和Gly，很少羟化，高度疏水不含Gly-X-Y重复序列，呈无规则卷曲结构，借Lys间交联键形成网状结构肽链由两种片断交替排列结合而成一是疏水性片断，赋予分子弹性一是富含丙氨酸和赖氨酸的α螺旋，