细胞生物学之笔记--第11章细胞外基质及其细胞的相互作用

第十一章细胞外基质及其细胞的相互作用定义：细胞外基质extracellularmatrix,ECM是细胞分泌到细胞外空间的分泌蛋白和多糖构成的精密有序的网状结构分类：构成细胞外基质的大分子种类繁多，大致分为三类：①氨基聚糖与蛋白聚糖；②胶原和弹性蛋白；③非胶原性黏合蛋白：纤连蛋白和层粘连蛋白第一节细胞外基质的主要组成成分·从结构表现形式上，细胞外基质主要由①凝胶样基质（氨基聚糖、蛋白聚糖）和②纤维网架（胶原、弹性蛋白）构成，③起黏着作用：纤连蛋白、层粘连蛋白·分布：细胞外基质含量因组织种类而不同，上皮、肌组织、脑等含量较少；结缔组织中细胞外基质含量最大一、糖胺聚糖glycosaminoglycan,GAG与蛋白聚糖proteoglycan,PGGAG与PG是一些高分子量的含糖化合物，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（一）糖胺聚糖是由重复的二糖单位（氨基乙糖/糖醛酸）构成的直链多糖因糖残基上有羧基，故氨基聚糖呈强负电性透明质酸HAHyaluroincacid结缔组织、皮肤、软骨、滑液、玻璃体硫酸化×硫酸软骨素CSChondroitinsulfate软骨、角膜、骨、皮肤、动脉√硫酸皮肤素DSDermatansulfate皮肤、血管、心瓣膜、韧带√硫酸乙酰肝素HSHeparansulfate肺、动脉、细胞表面√肝素heparin肺、肝、皮肤、肥大细胞√硫酸角质素KSKeratansulfate软骨、角膜、椎间盘√HA：透明质酸是氨基聚糖中结构最简单的一种，其二糖单位是N-乙酰氨基葡萄糖和葡萄糖醛酸。透明质酸的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，一个透明质酸分子可以占据1000倍于自身分子的空间，有良好的弹性和抗压性，HA在组织创伤、早期胚胎中尤为丰富，促进细胞迁移和增殖；是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。任务完成后，可被透明质酸酶降解（二）蛋白聚糖是由糖胺聚糖和核心蛋白共价结合形成的高分子量复合物定义：蛋白聚糖proteoglycan,PG是由氨基聚糖（透明质酸除外）与核心蛋白共价形成的高分子复合物，是含糖量极高的糖蛋白。其分子量大，含糖量高，可达分子量的95%1.蛋白聚糖的分子结构核心蛋白为单链多肽，一条核心蛋白分子上可连接1~100条以上氨基聚糖（相同或不同的氨基聚糖），形成蛋白聚糖单体。若干个蛋白聚糖单体通过连接蛋白linkerprotein，以非共价键与透明质酸结合，形成蛋白聚糖多聚体2.蛋白聚糖的合成与装配核心蛋白在粗面内质网核糖体上合成，在内质网腔中装配上直链多糖——蛋白聚糖单体装配时，首先一个专一的四糖(-木糖-半乳糖-半乳糖-葡萄糖醛酸-)(Xyl-Gal-Gal-GlcUA)结合到核心蛋白的丝氨酸残基上；然后在糖基转移酶作用下，一个个糖基依次加上，形成氨基聚糖糖链蛋白聚糖的显著特点——多态性：核心蛋白氨基酸序列不同、糖链长度和成分不同蛋白聚糖主要根据其二糖单位命名有些蛋白聚糖是质膜的整合蛋白，如连接素syndecan，存在于成纤维细胞和上皮细胞质膜中（三）糖胺聚糖与蛋白聚糖的功能1.使组织具有弹性和抗压性2.对物质转运有选择渗透性糖基纵横交错、高度亲水、具有负电性，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、细胞的通透性，具有分子筛的作用；如肾小球基底膜硫酸软骨素,CS蛋白聚糖对原尿的生成具有筛滤作用3.角膜中蛋白聚糖具有透光性硫酸软骨素CS、硫酸角质素KS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4.糖胺聚糖具有抗凝血的作用肝素蛋白聚糖+抗凝血酶=抑制凝血因子的作用5.细胞表面的蛋白聚糖有传递信息作用如连接素的作用6.糖胺聚糖和蛋白聚糖与组织老化有关胚胎发育期，透明质酸合成旺盛，胎儿皮肤中的透明质酸HA和硫酸软骨素CS含量是成人20倍；随年龄增大逐渐减少，逐渐被硫酸皮肤素DS所取代关节软骨中的蛋白聚糖随年龄增加逐渐减少，硫酸软骨素CS被硫酸角质素KS逐渐取代随个体衰老，蛋白聚糖的糖链比例下降，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（四）糖胺聚糖和蛋白聚糖与疾病蛋白聚糖的降解可在一系列细胞外酶或溶酶体酶催化下进行基因突变引起的缺乏降解氨基聚糖的酶(如糖苷酶、硫酸酯酶)，将导致氨基聚糖、蛋白聚糖、或降解中间产物的内堆积，形成黏多糖累积病mucopolysaccharidoses，如Hunter综合症动脉粥样硬化患者的血管内皮细胞表面硫酸乙酰肝素HS、硫酸软骨素CS含量下降，硫酸皮肤素DS蛋白聚糖含量升高，容易与低密度脂蛋白结合，导致脂类的血管壁沉积氨基聚糖变化、蛋白聚糖异常表达，对肿瘤的发生、发展、转移有重要意义；一些肿瘤的透明质酸、硫酸软骨素增多，抑制细胞分化，有利于细胞迁移、增殖许多癌组织硫酸乙酰肝素硫酸化程度下降，为肿瘤增殖、脱落、侵袭、转移提供了条件二、胶原与弹性蛋白（一）胶原是细胞外基质的骨架胶原collagen是动物体内高度特化的纤维蛋白家族，是人体含量最丰富的蛋白质，占蛋白总量的25%~30%胶原遍布于各种器官和组织，在结缔组织中含量最丰富，是细胞外基质的框架结构胶原由成纤维细胞、软骨细胞、成骨细胞、某些上皮细胞合成并分泌到细胞外1.胶原的分子结构胶原分子为三股螺旋(triplehelix)结构，3条α多肽链盘绕而成，长300nm，直径1.5nm人类每条肽链约1050aa，其中Gly（甘氨酸）占1/3，同时富含Pro（脯氨酸）和Lys（赖氨酸），这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，X多为Pro，其环状结构稳定α螺旋构象；Y可为任一氨基酸，多为Hy-pro或Hy-lys；甘氨酸(Gly)是最小氨基酸，使肽链卷曲成规律的α-螺旋，适于在紧密的三股螺旋中心肽链的羟基化与糖基化使肽链交联，形成稳定的3α-螺旋结构2.胶原的类型α链是胶原的基本亚单位，目前已发现25种不同的α链，26种胶原；不同的α链以不同方式组合成不同类型的胶原每型胶原由3条相同或不同的α链构成，I型胶原异源三聚体[α1(I)]2[α2(I)]肌腱、皮肤、骨、韧带很强的抗张强度诱导成纤维细胞II型胶原同源三聚体[α1(II)]3软骨软骨细胞III型胶原同源三聚体[α1(III)]3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IV型胶原异源三聚体[α1(IV)]2[α2(IV)]基底膜形成二维网络样结构上皮细胞3.胶原的合成装配与降解·分泌细胞：胶原由结缔组织的成纤维细胞、间充质来源的成骨细胞、成软骨细胞、各种上皮细胞、牙本质细胞、神经组织的雪旺氏细胞等合成分泌·胶原分子的基因很大，约30~40kb；人α1(I)链的基因含51个外显子，多数外显子由54个或54倍数个核苷酸组成；推测I、II、III型胶原α链的基因是由编码54个核苷酸的原始基因复制演化而来；IV型胶原跟前三者差别较大（1）胶原在细胞内的合成胶原的合成、组装始于内质网，在高尔基体进行修饰，最后在细胞外组装成胶原纤维①细胞核内：α链的基因转录成hnRNA（不均一核RNA），经过剪接、加工形成mRNA②粗面内质网：表面的核糖体上翻译成前体肽链；进入内质网腔，切去信号肽，然后在肽链两端加上前肽，形成前α链(pro-αchains)；③粗面内质网腔：前α链中的Pro和Lys被羟化成Hypro和Hylys；3条前α链C端前肽形成二硫键交联，使3条前α链对齐，从C端向N端聚合成带前肽的三股螺旋结构——前胶原procollagen④高尔基体：前胶原分子囊泡运进高尔基体，进一步加工修饰，被包入分泌小泡，分泌到细胞外（2）胶原在细胞外的装配在分泌过程中，前胶原分子一旦暴露于细胞外，就被前肽酶切去N端、C端的前肽序列，形成直径1.5nm，长300nm的原胶原分子collagenmolecule原胶原分子在细胞外进一步按相邻分子相错1/4长度(约67nm)，前后分子首尾相隔35nm自我装配成明暗相间、直径10~30nm的胶原原纤维collagenfibril细胞外基质中，胶原原纤维常聚集成束，形成直径数微米、光镜下可见的胶原纤维collagenfiber前α链→3前α链→前胶原→原胶原分子→胶原原纤维→胶原纤维（3）胶原的降解·胶原的更新转换很慢，成年人骨中的胶原分子，半衰期达10年；一般的蛋白质半衰期为数小时或数天·胶原分子可被胶原酶collagenase降解，胶原酶的活化与抑制对胶原的转换率具有重要作用①活化胶原酶：创伤组织、癌变组织胶原酶活性↑；蛋白酶、纤溶酶活化胶原酶；糖皮质激素诱导合成胶原酶②抑制胶原酶：结缔组织合成胶原酶抑制剂；雌二醇、黄体酮抑制子宫胶原降解4.胶原的功能（1）胶原在不同组织中行驶不同的功能·皮下结缔组织中，抵抗拉力；肌腱很强韧性，承受巨大拉力；·骨、角膜胶原呈胶合板样多片层，透明而又有一定强度；·III型胶原纤维网，包绕腺泡、肌肉；·IV型胶原基底膜网架结构胶原与细胞外基质各种成分结合，组织细胞外基质，结合细胞表面受体，连接组织、器官（2）胶原与细胞的增殖分化有关人体细胞绝大多数是贴附依赖性细胞，胶原为主的细胞外基质为细胞的增殖起刺激促进作用胶原能诱导细胞分化，在不同胶原上，干细胞被诱导成不同类型细胞：I型胶原：成纤维细胞、II型胶原：软骨细胞、IV型胶原：上皮细胞（3）哺乳动物在发育的不同阶段表达不同类型的胶原·胎儿皮肤表达大量Ⅲ型胶原，渐被I型胶原取代；皮肤损伤，Ⅲ型胶原含量上升·成熟组织胶原稳定，在炎症和创伤修复时，胶原表达呈现胚胎特点：·胶原分子间缺乏交联。人体衰老，胶原分子交联增多，胶原纤维结构变得紧密，导致人体组织变得僵硬5.胶原与疾病（1）维生素C缺乏导致坏血病胶原形成过程中，α链的羟基化和糖基化，是肽链间交联形成稳定3α-螺旋的必须条件，此过程需要酶和多种辅助因子(Vc、Fe2+、α-酮戊二酸)的参与。缺乏辅助因子，羟化受阻，分子交联失败，导致非羟化的α链在细胞内被降解，皮肤、血管变脆——坏血病（2）遗传性胶原病·成骨发育不全综合症，是I型胶原合成障碍，骨骼发育不良，四肢短小，易骨折·II型胶原基因突变导致软骨异常，骨和关节发育异常·爱-唐综合症，胶原基因突变导致胶原N端延长或没有切去前肽，使胶原结构细长、无规则，骨骼、肌腱缺乏刚性，关节活动过度，皮肤、肌腱、血管变脆·胶原表达过度，可造成肝、肺、皮肤病理性纤维化；从正常含量的5%~10%上升到50%（3）免疫性胶原病人体免疫组织在正常状况下，对自身的胶原组织有免疫耐受性；此特性丧失致自身免疫性胶原组织损伤，如类风湿性关节炎、慢性肾炎等；免疫复合物在胶原组织沉淀，引起炎症反应（二）弹性蛋白是构成细胞外基质中弹性纤维网络的主要成分弹性蛋白elastin是构成细胞外基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，分布于皮肤、大动脉、肺等肽链不含Gly-X-Y三肽重复序列，不形成三股螺旋，而呈无规则的卷曲肽链主要由两类短肽交替排列：①疏水性短肽，赋与分子弹性；②螺旋短肽，富含丙氨酸、赖氨酸，在相邻分子间形成交联弹性蛋白以可溶性弹性蛋白原tropoelastin的形式，分泌到细胞外，并通过赖氨酸残基之间相互交联装配形成弹性纤维网弹性蛋白的无规则卷曲和高度交联，使之弹性伸长、回缩能力强，比同样横截面橡皮条弹性高5倍胶原纤维与弹性纤维相互交织，限制伸展程度，防止组织断裂弹性蛋白的降解主要由弹性蛋白酶elastase催化·弹性纤维elasticfiber并非单纯由弹性蛋白构成，弹性蛋白表面包饶一层糖蛋白组成的微原纤维microfibrils，其中较大的糖蛋白——原纤蛋白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Marfan'ssyndrome：结缔组织弹性纤维受损，严重者主动脉易破裂弹性蛋白是动脉中含量最高的细胞外基质蛋白，占主动脉干