细胞外基质

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第十四章 细胞外基质及其与细胞的相互作用,内 容,概 述,第一节 胶原与弹性蛋白,第二节 非胶原糖蛋白,第三节 氨基聚糖和蛋白聚糖,第四节 细胞外基质的生物学作用,第五节 细胞外基质与医学,多细胞生物,细胞,(cell),：,机体形态结构与功能的基本单位,组织（,tissue) :,众多的细胞由细胞外基质组合在,一起构成的细胞群体。,（上皮组织，结缔组织，肌组织，神经组织）,组织,(tissue),器官,(organ),系统,(system),概 述,在生物多细胞有机体内，除细胞之外还有非细胞性的固有物质成分，即,细胞外基质,（,extracellular matrix，ECM）。,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 ：,来源：成纤维细胞（主要）,特化,组织,细胞,细胞外基质是由大分子构成的结构精细而错综复杂的网络。它在生物组织中所占据的空间因组织而异。,上皮组织、肌肉组织、脑与脊髓,中,ECM,含量很少,;,结缔组织,中,ECM,含量较高,;,皮肤结缔组织,中,ECM,最具代表性。,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 肝,含量少：,含量多： 结缔组织,平滑肌,细胞外基质的组成成分及组装形式由所产生的细胞决定，并与组织的特殊功能需要相适应。,角膜,的,ECM,为透明柔软的片层,;,骨、牙,者坚硬如岩石,;,肌腱,者坚韧如绳索,;,眼,中的玻璃体透明而柔软；,上皮和结缔组织者,如节片。,尽管,ECM,具有如此的多样性，但其生物,学作用却基本相同。,胶原和弹性蛋白,纤维网架,非胶原糖蛋白,（纤连蛋白和层粘连蛋白）,粘着成分,氨基聚糖和蛋白聚糖,凝胶样基质,细胞外基质的组成：,细胞与细胞外基质构成了完整的组织，是相互依存的关系。,ECM,成分的合成、分泌和组装是细胞活动的产物，其化学成分为,蛋白和多糖,。,ECM,不仅参与组织结构的维持，而且对细胞的存活、形态、功能、代谢、增殖、分化、迁移等基本生命活动具有多方位的影响。,ECM,成分可以借助其细胞表面的特异性受体向细胞发出信号，通过细胞骨架或各种信号转导途径将信号传导至细胞质，乃至细胞核，影响基因的表达及细胞的活动。,ECM,成分及其生物学作用的研究倍受重视，近年来已成为细胞生物学领域的一个研究热点及新的进展点。,单细胞生物也常借助于,ECM,而联结为群,落。,在进化过程中，随着多细胞生物的出,现，,ECM,发展成机体的固有成分。,第一节 胶原与弹性蛋白,一、 胶原（,collagen,）,高度特化、不溶性的纤维蛋白家族。,体内含量最多的蛋白,(30%),。,分布于各种组织细胞间。,不同组织中胶原的含量差别很大。,成纤维细胞、成骨细胞、软骨细胞合成分泌。,胶原,（,collagen）,是胶原蛋白的简称，是,ECM,中特化的蛋白质，其含量约占人体蛋白质总量的30%以上（动物体内含量最丰富的蛋白质），遍布于各种组织细胞间，构成,ECM,的结构框架。,胶原在不同组织中的含量,/,组,织,胶原的含量,（,克,100,克干重,）,脱钙骨,88.0,跟,腱,86.0,皮,肤,71.9,角,膜,68.1,软,骨,4663,韧,带,17.0,主动脉,1224,肺,10,肝,4,（一）胶原分子的结构特点,三条,螺旋肽链盘绕成的三股螺旋结构；,每条肽链约1000个氨基酸残基；,甘氨酸,(,Gly),含量约占三分之一；,富含,脯氨酸,(Pro),和,赖氨酸,(,Lys);,不含色氨酸,、,酪氨酸和蛋氨酸,;,脯氨酸常常羟化成,羟脯氨酸,(HyPro);,赖氨酸常常羟化成,羟赖氨酸,(,HyLys);,赖氨酸选择性的糖基化。,肽链中的氨基酸组成规则呈三肽重复顺序,:,Gly-X-Y,X:Pro Y:HyPro,或,HyLys,由于,甘氨酸,的分子质量最小，使肽链相互紧紧缠绕，卷曲形成规则的,螺旋结构，羟化和糖基化使肽链互相交联。形成稳定的,3,螺旋结构,。,胶原是不溶于水的纤维性蛋白，属于,硬蛋白,（,scleroprotein,）,类。,（二）胶原的类型,不同组织中胶原蛋白其分子类型不同，,已发现的胶原类型多达,19种,，对,至型,胶原了解最为清晰。,目前已鉴定出20多种不同的,链，每,种,链可分为若干亚型，如,1,()、,1,()、,1,()、,1,(),等。每种,链,各由一种基因编码。各种基因产物以不同,方式组合成不同类型胶原。,几种主要类型的胶原结构与分布特征,型号,亚基组成,超微结构,化学特征,分子量,分布,来源,1（）22（）,67,nm,条状纤维,低羟赖氨酸、低糖类,95000,皮肤、肌腱、骨、眼角膜、韧带,成纤维细胞,1（）3,67,nm,条状纤维,高羟赖氨酸、高糖类,95000,软骨、椎间盘、脊索、玻璃体,成软骨细胞成纤维细胞,1（）3,67,nm,条状纤维,高羟脯氨酸、低羟赖氨酸、低糖类,95000,皮肤、血管、子宫、胃肠道,网状细胞,1（）22（）,网状，非纤维结构,很高羟赖氨酸,、,高糖类,170000-,180000,基底膜,上皮细胞,内皮细胞,(三) 胶原的合成,产生胶原的细胞主要是,间质细胞，,例如由皮肤、肌腱及其它结缔组织的,成纤维细胞,（,fibroblast）、,骨组织和软骨组织的,成骨细胞,(,osteoblast),和,成软骨细胞,等合成和分泌。,胶原的合成开始于内质网上的核糖体，胶原纤维装配始于内质网，继续于高尔基复合体进行，最终完成于细胞外。生成的全过程包括,细胞内,和,细胞外,两个阶段。,1在细胞内形成前胶原分子,胶原分子的基因很大，一般约为30,-40Kb，,分别由50个左右的外显子和内含子组成，大多数外显子为54或54的倍数个的核苷酸，说明,链的基因是由含,54个,核苷酸的原始基因成倍扩大演化而来。,首先在粗面内质网膜,上的,核糖体中合成前体链，再进入内质网腔中切去信号肽，在肽链两端加上一小段氨基酸顺序（不含,Gly-X-Y,序列），即,前肽,（,prepeptide）,成为,前,链（,pro- chain,）,。,前,链,N-,端,前肽,具有150个氨基酸残,基，,C-,端,前肽,具有250个氨基酸残基，具有,较多的酸性氨基酸及芳香族氨基酸残基，,并含有半胱氨酸残基。带有,前肽,的,前,链,再被运输到高尔基体中加工。,在高尔基体中，脯氨酸残基羟化成,羟脯氨酸,，赖氨酸羟化成,羟赖氨酸,，并选择性糖基化。,然后三条前,链在,C,端前肽之间借助二硫键彼此交联，对齐排列，互相缠绕，合成绳索状的,前胶原分子,（,procollagen molecule）。,其前肽序列部分保持非螺旋卷曲状态，阻抑前胶原在细胞内组装成胶原纤维。,前胶原分子,通过小泡出胞，分泌到细胞外。,分泌到细胞外的,前胶原分子,，在,前胶,原肽酶,（蛋白水解酶）的作用下切去,C,N,两,端的,前肽,nm,长,300,nm,胶原分子,（,collagen molecule）。,胶原分子,按相邻分子相交错四分之一,长度（约67,nm）、,前后分子首尾相隔35,nm,的距离自我装配，成为明暗相间、直径,约1030,nm,的,原胶原纤维,(,collagen,fibril)。,若干原胶原纤维再经,糖蛋白,粘,合成为粗细不等的,胶原纤维,（,collagen,fiber )。,总结胶原蛋白合成过程,:,前体链前肽前,链前胶原分子,糖基化并,3,合,1,胞外切前肽,胶原分子原胶原纤维胶原纤维,交错 糖蛋白粘合,Assembly of collagen fibers begins in the ER and,is completed outside the cell,总结胶原的,合成装配与降解：,来源：成纤维细胞、软骨细胞、成骨细胞、上皮细胞等,合成：细胞内（细胞核,-,内质网,-,高尔基体,-,分泌小泡）,装配：细胞外,降解：细胞外,链基因细胞核,hnRNAmRNA,粗面内质网,-,核糖体,前体肽链,内质网腔：,切去信号肽前体链两端有前肽,前,链。,内质网,/,高尔基体内：羟基化、糖基化,、,三股,螺旋,C,端前肽以二硫键连接形成前胶原分子,细胞外基质：切去前肽,原,胶原分子,自我装配,胶原原纤维胶原纤维,胶原的转换率一般较慢，半衰期为数周或,数年不等。,骨胶原,分子可维持10年不发生降解,;,肌腱胶原,的转换最慢,;,牙龈胶原,的转换率高于骨、软骨及皮肤。,在某些局部区域、特殊生理（胚胎发,育、伤口愈合）或病理（炎症反应）情况,下，胶原的转换加快，并常伴有胶原类型,的改变。,二、弹性蛋白,弹性蛋白（,elastin）,是高度疏水的非,糖基化蛋白，约含,750-,830,个氨基酸残基。,由两种类型的短肽交替排列构成的无规则,卷曲。,一种短肽是,疏水短肽,，提供给分子以,弹性；,另一种短肽为,富集丙氨酸及赖氨酸,残,基的,螺旋，并在相邻分子间形成交联。,弹性蛋白的氨基酸成分近似于胶原,:,也富含甘氨酸及脯氨酸,;,但很少含羟脯氨酸，不含羟赖氨酸,;,弹性蛋白没有胶原特有的,Gly-X-Y,序列，,故,不形成,规则的三股肽链的绞合结构，而,呈无规则卷曲,;,不发生糖基化,修饰。,弹性蛋白的两种短肽各由一个外显子编码。在细胞中合成后，以可溶性的,原弹性蛋白,形式分泌到细胞外，再经,赖氨酰氧化酶,催化，使肽链中的,赖氨酸,转化为,醛,，借此而彼此聚集交联，在膜附近装配成具有多向伸缩性的弹性纤维立体网络结构。,弹性蛋白,是弹性纤维的主要成分。通,过细胞外基质中的弹性纤维网络使组织中,具有弹性和回缩能力，保证组织器官的弹,性功能。弹性纤维与胶原互相交织，可维,持皮肤等的韧性，防止组织和皮肤撕裂和,过度伸展。,弹性蛋白结构模型,最近研究表明，在弹性蛋白外周包绕一层有糖蛋白构成的,微原纤维（,microfibils,）,壳，保持了弹性纤维的完整性。外壳糖蛋白微原纤维先于弹性蛋白出现，作为弹性蛋白附着的支架和组织者。弹性蛋白沉淀时，糖蛋白微原纤维外壳即消退于弹性纤维附近。,微原纤维基因发生突变，可能引发一种人类遗传性疾病,马方综合征,。,第二节 非胶原糖蛋白,存在于,ECM,中的非胶原糖蛋白有数十种，为多功能大分子，具有分别与细胞以及细胞外其它成分结合的多个结构域，是,ECM,成分的组织者，直接影响到细胞的存活、形状、黏着、铺展、迁移、增殖和分化。,纤连蛋白,和,层黏连蛋白,是非胶原糖蛋白的主要成员。,一、纤连蛋白,1纤连蛋白的类型,纤连蛋白,（,fibronectin，FN）,不,仅在动物界普遍存在，而且存在于较低,等的原始多细胞海绵体内。,为高分子量糖蛋白，含糖4.5%,9.5%，其亚单位分子质量为220250,kD。,各亚单位在,C-,末端形成二硫键交联,。,目前至少已鉴定出了20种以上纤连,蛋白多肽亚单位。,不同组织来源的纤连蛋白的不同亚单位,为,同一基因的编码产物,，只是在转录后,hnRNA,剪接上有所差异，因而产生了不同的,mRNA，,再翻译出不同的纤连蛋白亚单位,（异型性），翻译后的修饰（如糖基化）,也有差异。,FN,在动物体内分布十分广泛，根据存,在部位的不同可分为,两种类型,:,血浆纤连蛋白,细胞纤连蛋白,（1）,血浆纤连蛋白,：血浆,FN,是一种,由两条相似的肽链（,A,链和,B,链）在,C,端以二,硫键交联形成的,V,字形二聚体。以可溶性状,态存在于,血浆和各种体液,中，主要由肝实,质细胞产生，少数产生于血管内皮细胞。,（2）,细胞纤连蛋白,：,借助于更多的链间二硫键交联成纤维,束。以不溶形式分布于,ECM,、基膜、细胞,间和细胞表面。,细胞纤连蛋白包括,细胞表面纤连蛋白,和,基质纤连蛋白,两大类。主要由间质细胞,（如成纤维细胞、成骨细胞、内皮细胞等）,产生，为多聚体结构。,不溶性细胞,FN,并非自发性组装，必须在,细胞表面相应的,FN,受体,的指导和,转谷氨酰,胺酶,的参与下，通过分子间二硫键连接，,组装成纤维。,纤连蛋白的每个亚单位由数个结构域,构成，具有与,细胞表面受体、胶原、纤维,素,和,硫酸蛋白多糖,高亲和性的结合部位。,纤连蛋白分子结构示意图,FN,的结构模型,每条肽链有,12,个,型,重复序列模块结,构单位，分三组排列。其中两组为与蛋白,聚糖的弱结合结构域，一组与,型,模块结,构一起构成可与胶原结合的结构域。,型,重复序列模块结构单位构成与细,胞、,DNA,、蛋白聚糖强结合的结构域。,用蛋白酶水解、化学合成小肽及重组,DNA,技术研究发现细胞结构域中,Arg-Gly-,Asp (,RGD）,三肽序列,是细胞识别的最小结,构单位。该序列是细胞表面整联蛋白识别,和结合的部位。,化学合成外源性非纤连蛋白,RGD,三肽，,可与,FN,蛋白竞争与细胞结合的部位，从而,抑制细胞同,ECM,的结合。,但,RGD,序列并非,FN,所独有，它较为广泛,地存在于多种,ECM,中，单纯的,RGD,与整联,蛋白受体的亲和性远低于整个,FN,分子，说,明,ECM,与细胞结合,RGD,不是惟一的因素，,还有其他相关协同序列作用。,2纤连蛋白的功能,纤连蛋白是一种多功能分子。,（1）,介导细胞粘着,可增强细胞间粘连,及细胞与基质的粘连，能使细胞锚定在底,物上静止不动。通过粘着，纤连蛋白可,以调节细胞的形状和细胞骨架的组织，促,进细胞铺展。,（2）,诱导细胞运动迁移,比如胚胎,发育早期神经嵴细胞的迁移。在神经管形,成时，神经嵴细胞从神经管的背侧迁移到,胚胎各个区域，分化成神经节、色素细胞,等不同类型的细胞。纤连蛋白基质纤维,为细胞的运动提供了轨道。,（3）,在组织创伤修复中的作用,促进巨噬细胞和其它免疫细胞,迁移到受损部位。血浆纤连蛋白能,促进,血液凝固和创伤面修复,。组织创伤时，免,疫细胞可与血浆纤维蛋白结合，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，然后形成瘢痕，,刺激上皮细胞增生，使创面修复,。,二、层黏连蛋白,1层黏连蛋白的分子结构特点,层黏连蛋白,（,lanminin，LN）,是各种动,物的胚胎及成体组织的,基膜,（特化的细胞,外基质）的主要功能成分，也是胚胎发育,中出现最早的,ECM,成分。,LN,是糖链结构最复杂的高分子糖蛋白,（含糖量15%28%），具有50条左右,N-,连,接的寡糖，分子质量巨大，约850,kD。,LN,由一条重链（,链）和两条轻链（,、,链）构成，三条肽链借二硫键交联成非对称,的十字形分子。,十字形分子三条短臂由3条肽链的,N-,端序列构,成，每一短臂包括2个或,3,个球区和短杆区。,十字形分子长臂由3条肽链的近,C-,端序列共同,构成杆区；末端的分叶状大球区由,链,C-,端序列,卷曲而成，是与,硫酸,肝素结合的部位。,目前已发现的,LN,分子结构亚单位有,1,、,2,、,3,、,1,、,2,、,3,、,1,和,2 8,种之多，分别由,8,个不同的结构基因,编码，这些亚单位至少可以形成,7,种类型的,LN,。,2. 层黏连蛋白的功能,层黏连蛋白与,型胶原、硫酸乙酰肝,素、肝素、脑苷脂和神经节苷脂,结合，成,为,基膜,的重要成分。,也有被上皮细胞、内皮细胞、神经细胞,表面的,LN,受体识别与结合的,RGD(Arg-Gly-,Asp),三肽顺序，使细胞附于,基膜,上，并促,进细胞生长。,三、基膜与整联蛋白,基膜是,ECM,的特化结构形式，存在于,多种组织之中。,整联蛋白是动物细胞与,ECM,蛋白的主要,受体，普遍存在于各类细胞表面。,LN,作为,基膜,的主要成分，对基膜基质,的组装起关键作用。,基膜,是紧贴上皮细胞、血管内皮细胞,下方的一层薄膜，它对维持细胞的形状及,功能起着主要的作用。,1.,基膜的成分,基膜中主要有,4,种蛋白成分：,包括,型胶原蛋白,、,层黏连蛋白,、,渗滤素,（硫酸乙酰肝素蛋白聚糖，,perlecan,）及,内联蛋白,（,entactin,）。,（,1,）,型胶原蛋白,非连续三股螺旋结构，是构成基膜的主要结构成分和基本框架。,（,2,）,层黏连蛋白,通过内联蛋白与,型胶原蛋白二维网络相连接。是胚胎发育过程中最早合成的基膜成分。,（,3,）,渗滤素,硫酸类肝素蛋白聚糖分子,可与许多,ECM,成分和细胞表面分子交联结合。,（,4,）,内联蛋白,形成,型胶原纤维网络与层黏连蛋白纤维网络之间的连桥。分子呈哑铃状。在基膜的组装中非常重要，并协助,ECM,中其他成分的结合。,基膜（,basement membrane,）,是动物上皮层的下方特化的细胞外基质，是一层网膜，柔软可折曲，不同的部位的基膜厚度不同，一般染色在光镜下难以辨认，,PAS,染色及镀银染色可以显示。,电子显微镜下基膜分为,三层,：靠近上皮基底面为,透明板,（,lamina lucida,），是一电子致密度低的薄层，厚约,10,50nm,；下面的电子密度高的是均质层，称,致密板,（,lamina densa,）,厚约,20,300nm,，由细丝状物质和无定形基质组成，是上皮细胞分泌而来的；致密板之下，靠近结缔组织称为,网织板,（,lamina fibroreticularis,），较厚，有网状纤维和基质组成，该层由结缔组织的成纤维细胞产生。,2.,基膜的功能,基膜,是上皮细胞和内皮细胞的铺垫，,也包绕于肌细胞、神经细胞、神经髓鞘细,胞和脂肪细胞周围，隔离细胞与结缔组织。,在组织结构上，基膜把细胞与其下方的结,缔组织隔开。,基膜,是一种半透膜，具有,选择性屏障,作用。,上皮的基膜可阻止下方结缔组织中的成纤维细胞与,上皮细胞接触，却不阻止巨噬细胞、淋巴细胞和神,经突起穿过；,在肾小球、肺泡等部位,基膜,介于两层细胞之,间，基膜起,分子筛滤,作用；,肌肉、神经、上皮受损伤后，,基膜,为再生,细胞提供,支架,；,基膜,还决定细胞的,极性,，影响细胞代谢，在,细胞膜周围组织蛋白质结构，诱导细胞分化和引导,细胞迁徙等。,ECM,的各种生物学作用都是通过与,细,胞表面的特异性受体,结合而启动的。,陆续鉴定出许多,ECM,成分的受体。大多,为,跨膜糖蛋白,。某些糖脂及跨膜蛋白聚糖,可作为一些,ECM,成分的辅助受体。,每种,ECM,分子都有数种受体；不同,的,ECM,分子又可竞争结合同一种受体。,3.,整联蛋白,整联蛋白,(integrin),是多种,ECM,成分的受体，,是一个相当大的受体家族。,（,1,）整联蛋白的受体作用,整联蛋白族受体与可溶性信号分子（如激素、,生长因子等）的细胞表面受体不同，与配体的亲,和性低而在细胞表面的浓度高（一般高10100,倍）。细胞通过整联蛋白与,ECM,分子进行多位点,的弱结合，从而使细胞可在不脱离黏附的状态,下探察其周围环境，并通过可逆性的结合与解离,而进行细胞迁移。,一种,ECM,成分常以几种整联蛋,白为受体。有的整联蛋白受体只结合一种,配体；有的整联蛋白受体则可识别并结合,数种配体，但结合的亲和性不同。,整联蛋白受体的表达具有组织特异性及发,育阶段特异性。,不同的组织或不同的发育阶段可通过不,同的受体与不同的,ECM,成分作用而表现出不同的,生物学效应。,不同分化状态下的细胞可通过调节细胞,表面整联蛋白的分子数来改变其与细胞外基,质及其它细胞之间的相互作用,。,（,2,）整联蛋白的分子组成,整联蛋白由,和,两个,肽链亚单位组成（异,源二聚体）。,亚单位,16,种，,亚单位,9,种，组成,20,多种不同的异二聚,体，分别与不同类型的,受体结合。,组成整联蛋白的,肽链由最初合成的产物被切割成长短不同的两个序列片段，再通过二硫键结合彼此相连而成。,链,单次穿膜，,C,端伸入膜内侧，,N,端在细胞膜外与长肽序列的,C,端形成二硫键结合，这与整联蛋白与配体结合时的,Ca,2+,或,Mg,2+,依赖性相关。,肽链长链,N,端折叠成,3-4,个二价阳离子结合位点。,链与,链同向单次穿膜，非共价键结合，形成整联蛋白异二聚体分子。,半胱氨酸,整联蛋白主要是以,1,亚单位与,9,种,亚单位分别构成的异二聚体。大多数细胞,表达同一配体或不同配体的多种独特整联,蛋白。但是，许多整联蛋白却主要表达某,些类型的细胞。,下表列举脊椎动物的几种介导细胞与,ECM,组分和（或）细胞粘附分子（,cell adhesion molecule,CAM,）相互作用的整联蛋白。,不仅同一种整联蛋白可以与一种以上的不同配体现结合，同一种配体也可以与不同的整联蛋白相结合。,常见于脊椎动物的几种整联蛋白,亚单位组成,细胞分布,配 体,1,1,多种细胞,胶原、层黏连蛋白,2,1,多种细胞,胶原、层黏连蛋白,4,1,造血细胞,纤维结合蛋白、,CAM-1,5,1,成纤维细胞,纤维结合蛋白,L,2,T,淋巴细胞,CAM-1,、,CAM-2,M,2,单核细胞,血清,蛋白、,CAM-1,b,3,血小板,血清蛋白、 纤维结合蛋白,6,4,上皮细胞,层黏连蛋白,第三节 氨基聚糖和蛋白聚糖,氨基聚糖,（,glycosaminoglyan，GAG）,与,蛋白聚糖,（,proteoglycan，PG）,是一些,高分子量的含糖化合物，形成,ECM,高度亲水,性的凝胶。,一、氨基聚糖,1分子结构,氨基聚糖是由,重复的二糖单位,构成的无,分枝长链多糖，故名。,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）；,二糖单位的另一个常是,糖醛酸,（葡萄糖醛,酸或艾杜糖醛酸）。,只有硫酸角质素例外，以半乳糖代替了糖,醛酸。,在多数的氨基聚糖种类中，其糖基常硫酸,化。,重复二糖单位构成的直链多糖，多数糖基硫酸化并带,有羧基，呈强负电性。,艾杜糖醛酸,N-,乙酰半乳糖,-4-,硫酸,硫酸皮肤素二糖重复单位,2. 氨基聚糖的分类,根据组成的,糖基、连接方式、硫酸化,的,数量及位置的不同氨基聚糖至少可分为,6,种。,6,种类型,(,按糖基连接方式 硫酸化位置分,),：,1.,透明质酸（,HA,）,2.,硫酸软骨素（,CS,）,3.,硫酸皮肤素（,DS,）,4.,硫酸角质素（,KS,）,5.,硫酸乙酰肝素（,HS,）,6.,肝素（,heparin,）,氨基聚糖的分子特性及组织分布,二糖单位：,N-,乙酰氨基葡萄糖,葡萄糖醛酸,5 000,10 000,个二糖重复单位,透明质酸（,hyaluronic acid,HA,）,-1,3,连接,组成,N-,乙酰氨基葡萄糖,葡萄糖醛酸,抗压能力,透明质酸,（,hyaluronic,acid，HA）,是一种重要的氨基聚糖，一个,分子中包含几千个二糖单位，分子量大。,是增殖细胞和迁移细胞的,ECM,的主要成分，,特别是在胚胎组,织中。,HA,分子表面含有大量亲水基团，可结,合大量水分子，形成粘性的水化凝胶。,HA,分子表面的糖醛酸羧基还可结合阳离,子，增加了基质的离子浓度和渗透压，大,量水分子被摄入基质。因此，,HA,倾向于向,外膨胀，产生压力，使结缔组织具有抗压,能力。,润滑作用,在体液（尤其是关节液）,中,HA,起润滑作用，利于细胞运动迁移。在,胚胎发育早期和创伤修复时，细胞分泌大,量的,HA，,促进细胞迁移和增殖 。,结构：最简单,不发生硫酸化,含有大量亲水基团、负电荷,形态：呈无规则卷曲状,降解：透明质酸酶,功能：赋予组织弹性、抗压性,促进细胞迁移、增殖,创伤修复愈合,透明质酸（,hyaluronic acid,，,HA,）,二、蛋白聚糖,蛋白聚糖（,protroglycan，PG）,存在,于所有结缔组织和,ECM,及许多细胞表面，是,氨基聚糖与核心蛋白质,（,core,protein）,的丝氨酸残基共价结合而成的大,分子，含糖量极高可达90%95%。,蛋白聚糖单体,连接蛋白,透明质酸,蛋白聚糖多聚体,非共价,氨基聚糖,核心蛋白,透明质酸,分子筛,形成巨大多聚体,异质性高,分类困难,蛋白聚糖的一个显著特点是多态性，即,蛋白聚糖的核心蛋白和氨基聚糖的种类和,数目不同，有极大的差异性，分类十分困,难。近年来常采用,DNA,重组技术，根据核心,蛋白的氨基酸顺序对,PG,进行分类 。,蛋白聚糖的功能,:,1.,占据空间，有强大的抗变形能力,;,2.,构成基底膜的重要成分,;,3.,与生长因子结合,增强或抑制其活性,.,第四节 细胞外基质的生物学作用,一、细胞外基质对细胞生物学行为的影响,ECM,不是静态的仅仅发挥,支持、连接、,保水、抗压、保护,等物理学作用的结构，,而是动态的对细胞的基本生命活动产生,多,方面,影响与控制的、具有重要生物学作用,的精细结构。,1,、,细胞外基质的结构作用,ECM,大分子以高度有序的形式组装成具有组织特异性的网络结构。以,胶原为骨架,选择性的与非胶原糖蛋白、蛋白聚糖及弹性蛋白结合成三维精细空间结构。赋予组织以韧性、弹性、保水性及对机械力的缓冲性，并为细胞提供生存及从事各种活动的微环境。,2,、,影响细胞的生存与死亡,正常真核细胞，除成熟血细胞外，大多须黏附于特定的,ECM,上才能抑制凋亡而存活，称为锚着依赖性（,anchorage dependence）。,例如，上皮细胞和内皮细胞一旦脱离了,ECM,则会发生程序性死亡或凋亡,（,anoikis，a Greek word meaning,“,homelessness”）。,上皮细胞,和,内皮细胞,只有黏附于,ECM,的天然成分才得以存活。,乳腺上皮细胞,黏附于人工基膜时，可避免凋亡，当黏附于纤连蛋白或,性胶原时，凋亡发生。,CHO,细胞,和,人成骨肉瘤细胞,在无血清培养时，唯有通过,5,1,整联蛋白的介导黏附于纤连蛋白上方可存活，其他整联蛋白虽然能介导黏附，却不能防止凋亡。,3,、,决定细胞的形态,各种细胞脱离了,ECM,呈单个游离状态时多呈球形。同一种细胞在不同的,ECM,上黏附时可表现出完全不同的形状。,上皮细胞,黏附于基膜上才能显现出其极性状态，并通过细胞间连接的建立而形成柱状上皮细胞。,成纤维细胞,在天然,ECM,中呈扁平多突状，在,型胶原凝胶中呈梭状，置于玻片上时又会呈球状。,ECM,决定细胞的形状这一作用是通过其受体影响细胞骨架的组装而实现的。不同细胞具有不同的细胞外基质，介导的细胞骨架组装的状况不同，从而表现出不同的形状。形态会直接影响和改变细胞的功能状态。,4,、,参与细胞的增殖的调节,绝大多数真核细胞在球形状态下不能增殖。不同的,ECM,对细胞增殖的影响不同。,成纤维细胞,在纤连蛋白基质上增殖加快，在层黏连蛋白基质上增殖减慢；,上皮细胞,对纤连蛋白及层黏连蛋白的增殖反应则相反,;,只是,肿瘤细胞,的增殖丧失了锚着依赖性，可在半悬浮状态增殖。,ECM,中的许多成分含有某些生长因子的,同源序列；,一些,ECM,成分可结合生长因子；,ECM,中的不溶大分子可与细胞表面的特,异性受体发生作用。,以上这些因素均可能直接或间接地影响,到细胞的增殖活动。,5,、,参与细胞分化的调控,细胞通过与特定的,ECM,成分作用而发生分化。,即特定的,ECM,可使某些类型的细胞撤出细胞周,期，进行功能与形态的分化。,成肌细胞,在纤连蛋白上增殖并保持未分化的,表型；当被置于层黏连蛋白上则停止增殖，转入,分化，进而融合为肌管,。,而纤连蛋白对,成红细,胞,，有促进分化作用。,未分化的,间质细胞,:,在,纤连蛋白和,型胶原,基质中可形成结缔组织的成纤维细胞；,在,软骨黏连蛋白和,型胶原,基质中演化为成软骨细胞；,在,层黏连蛋白与,型,2,胶原,基质中则会分化为呈片层状极性排列的上皮细胞。,6,、,参与细胞的迁移,ECM,可以控制细胞迁移的速度与方向，并为细胞,迁移提供“脚手架”，以及迁徙细胞未来的分化趋,势。,细胞的迁移依赖于细胞的粘附与去黏附，,细胞骨架的组装与去组装。细胞黏附于一定的,ECM,时诱导黏着斑的形成，,黏着斑,是联系,ECM,与细,胞骨架的“铆钉”。,纤连蛋白,可促进成纤维细胞及角膜上皮细胞,的迁移；,层黏连蛋白,可促进多种肿瘤细胞的迁移,。,神经嵴周围的,ECM,富含透明质酸可促进,神经嵴细胞,的分散迁徙。当神经嵴细胞分别沿着背、腹两侧进行迁徙时，由于背、腹两侧不同路径中,ECM,成分差异，导致原本同一来源的同种细胞在背、腹两侧迁移速度不同。背侧,ECM,中硫酸软骨素含量较高，对迁徙有抑制作用，使得背侧的移动速度慢于腹侧细胞。,神经嵴细胞,在沿富含纤连蛋白基质部位迁徙时，最终分化为肾上腺素能神经元、形成神经节；当迁徙停止于缺乏或不含有,FN,部位时，细胞表面出现神经元黏附分子和,N,钙粘素，以使神经节中的细胞黏合。,7,、,促进创伤的修复,FN,可吸引成纤维细胞、平滑肌细胞及内皮,细胞到达创伤部位修补损伤组织，然后纤维化，,形成瘢痕组织。,ECM,成分还可刺激上皮细胞向血块迁移而闭合,创面。然后由上皮组织产生并分泌,LN,及型胶原,等成分取代,FN,及纤维蛋白成为永久性基膜。,组织损伤后只要基膜存在，就可以为再生的,细胞提供迁移的基础，使组织的构筑易于重建。,二、细胞对细胞外基质的决定性作用,1,、细胞是所有,ECM,产生的来源；,2,、不同,ECM,的差异性取决于其来源细胞的,性质和功能状态；,3,、,ECM,成分的降解是在细胞控制下进行。,1,、细胞是所有,ECM,产生的来源,ECM,是细胞生命活动的产物，细胞按既,定的程序，以一定的方式合成并经由一定,的转运方式分泌。,同时，细胞调控,ECM,组分在胞外的加工,修饰过程、整体组装形式和空间分布状态。,2,、不同,ECM,的差异性取决于其来源细胞的,性质和功能状态,不同的,ECM,成分由不同的局部细胞产生,、合成和分泌。,同一个体的不同组织、同一组织的不,同发育阶段；或同一发育阶段、同一组织,细胞的不同功能状态，所产生的,ECM,不同。,例如：,胚胎结缔组织成纤维细胞,产生：,纤连蛋白、透明质酸、,型胶原及弹性蛋白为主的,ECM,成年结缔组织成纤维细胞,产生：,纤连蛋白、,型胶原为主的,ECM,软骨细胞,产生：,软骨黏连蛋白、,型胶原为主的,ECM,成分的降解是在细胞严密控制下进行的。,蛋白成分可在,金属蛋白酶,（,matrix metalloproteinases,MMPs,）家族与丝氨酸蛋白酶家族的联合作用下被降解，其糖链部分则在各种相应的,糖苷酶,的催化下完成。这些酶无一不是由细胞产生的。,基质金属蛋白酶,（,MMPs,）是一种水解,酶，对蛋白多糖、胶原、弹性蛋白、纤连,蛋白、明胶和层黏连蛋白具有降解作用。,迄今已鉴定出,20,多种,MMPs,，根据各自的,底物特异性，分为,5,个亚家族：,由,28,个成员组成的,5,个基质金属蛋白酶亚家族：,胶原酶：,MMP-1,明胶酶：,MMP-2,基质溶素：,MMP-3,模型基质金属蛋白酶：,MT-1-MMP,其它：基质裂解蛋白,MMPs,家族中的成员基本结构一致。经过,转录和翻译过程产生,MMPs,前酶原的,N,端有信,号肽序列，引导翻译后的产物至内质网。,信号肽在内质网切除后，,MMPs,以无活性,的酶原形式分泌至细胞外，特异性地与,ECM,结合而被激活。,前肽区约由,80,个氨基酸组成，含有保守的半胱氨酸序列（,-PRCGXPD-,），通过半胱氨酸中的硫原子与活性位点二价锌离子的相互作用抑制酶活性。当酶原中的前肽区被其它的,MMPs,或蛋白酶（如纤溶酶）切除后，,MMPs,就会具有活性，这一激活过程由所谓的“半胱氨酸开关（,cysteine switch)”,机制完成。,Signal Propeptide Catalytic Hemopexin-like Transmembrane,Za,2+,Za,2+,MMPs,的基本结构（两个锌离子位于催化区）,MMPs,具有降解,ECM,成分的能力，对细胞,分化、骨骼生长、组织修复、胚胎发生和,血管生成等具有重要作用。,在造血干细胞的活化与迁徙中，,MMP-9,对,ECM,的水解十分关键，体内缺乏,MMP-9,的,小鼠的骨骼形成和生长受到明显抑制。,由于,MMPs,家族成员对底物的选择具有重复性，,单个,MMPs,成员基因的剔除并不产生致死性结果。,MMPs,调节过程一旦受到破坏就会引发的疾病有：,关节炎、心血管疾病、脑卒中、动脉硬化,、,肿,瘤转移,等。,骨性关节炎,与,类风湿关节炎,患者关节液中胶原,酶（,MMP-1,、,MMP-8,、,MMP-13,）表达和对胶,原的降解能力有所增加；,MMP-1,过表达致使小,鼠心脏间质中的胶原含量降低，导致心脏收缩,功能下降。,细胞外基质的功能,功能：,1.,细胞生长,2.,细胞分裂,3.,细胞分化,4.,细胞运动,5.,细胞迁移,6.,细胞识别,7.,细胞粘着,8.,细胞代谢,总之，由于细胞外基质对细胞的形状、,结构、功能、存活、增殖、分化、迁移等一,切生命现象具有全面的影响，因而无论在胚,胎发育的形态发生、器官形成过程中，或在,维持成体结构与功能完善（包括免疫应答及,创伤修复等）的一切生理活动中均具有不可,忽视的重要作用。,第五节 细胞外基质与医学,一、胶原与疾病,因胶原的含量、结构或类型异常而导致,的疾病，不但种类多，而且累及的范围广。,这些病统称为“,胶原病,”（,collagen,disease）。,例如,:,累及心血管系统时,，可发生动脉瘤、动脉粥样硬化及心瓣膜病；,累及骨、关节时,，可致骨脆性增加而易骨折、关节活动度过大和关节炎；,累及皮肤时,，可造成愈合不良与异常膨胀；,累及眼时,可引起晶体脱位。病变的部位可发生在间隙胶原或基膜胶原,。,1.,成骨不全,(osteogenesis imperfect,，,OI),2,.,Ehlers-Danlos,综合征,3.,维生素缺乏病,成骨不全,(osteogenesis imperfecta,OI),是一类以骨脆性增加、骨量减少、伴有其他胶原组织改变为病理表现的遗传病（,AD),的统称。,主要的致病原因是, 1,和, 2,链各自的编码基因,Collagen I1(Col I1),和,Collagen I2(Col I2),发生点突变，导致三螺旋区域,Gly-X-Y,三联体的甘氨酸残基替换，进而阻止成骨细胞合成和分泌,1,型胶原。因其以易发骨折为标志。,其他临床表现：骨质疏松、牙齿缺陷、蓝巩膜、耳聋、容易挫伤、关节松弛以及脊柱侧弯等。称,“玻璃娃娃”,。男女均有发病，发病率约,1/10000,15000,。,除遗传因素占主要外，英国,Blumsohn,认为患者父亲年龄增加,(,超过,35,岁,),是散发型,OI,病例的高危因素。,尚无确切的根治手段。针对,OI,患儿病残的防治主要包括减轻疼痛、降低骨折发病率等。,Ehlers-Danlos,综合征,（,Ehlers-Danlos syndrome,）,先天性结缔组织发育不全综合征（埃勒斯,-,当洛综合征 ）,（皮肤弹性过度综合征）,由,Ehlers(1901,年,),与,Danlos(1908,年,),提出,一般认为是在胚胎期，由于中胚层细胞发育不全而引起。因多有血缘婚姻史，故认为是一种显性遗传性疾病。,三大主征：皮肤及血管脆弱；皮肤弹性过强，可牵引出很长的皮襞，皮肤变薄；关节活动度过大，可做自动、被动的关节过度伸屈。常继发感染，有时可合并先天性心脏病。,无根治方法。 蛋白饮食，大量维生素,E,和硫酸软骨素效果较好。,预防合并感染。防止外伤，预防血管破裂所致大出血。,Ehlers-Danlos,综合征,遗传异质性：各种亚型：,EDS-EDS ,等，,EDS ,型病情最严重（,AD,或,AR,）。,型：编码,型胶原纤维的,1,链胶原基因,COL5 A1,、,COL5 A2,突变,型：,COL3 A1,基因突变,型：赖氨酰羟化酶基因突变,a,型：,COL1 A1,缺陷,b,型：,COL1 A2,缺陷,c,型：前胶原,N-,肽酶缺陷,维生素,C,缺乏病,(scurvy,),维生素,C,缺乏病,与胶原前,链的羟基化不足有关。,脯氨酰,3,羟化酶,和,脯氨酰,4,羟化酶,是催化脯氨酸羟化,的膜结合蛋白酶，二者均以维生素,C,为作用的辅助因子。,当人体缺乏维生素,C,时，一方面前胶原,链氨基酸羟化不,足，不能形成稳定的三股螺旋结构，而随即在细胞内降,解；另一方面，由于原来的基质和血管中的正常胶原逐,渐丧失，导致组织中胶原缺乏，皮肤、肌腱和血管等脆,性增加，表现为皮下、牙龈易出血，牙齿松动,维生素,C,缺,乏病,症状。,导致胶原异常的机制大致可分为5个方面：,1胶原在体内合成与降解的动态平衡发生紊乱；,2胶原基因结构的异常；,3胶原基因产物后修饰异常；,4组织中各种类型胶原的特定比例失常；,5胶原分子组装异常,.,二、弹性蛋白与疾病,Marfan,综合征,(Marfan syndrome,，,MFS),Marfan,综合征,(Marfan syndrome,，,MFS,),常染色体显性（,AD,）遗传性结缔组织疾病，多数可累及眼、骨骼及心血管系统,常有家族史。发病率约,1/50001/10000,。,1896,年法国儿科医生,Marfan,描述了一位,5,岁女孩四肢像蜘蛛样细长；以后,50,年,MFS,的其他的特征一一被描述。包括：,1914,年晶状体脱位；,1931,年被证明为,AD,遗传性疾病；,1943,年,Taussig,和他的助手指出,MFS,的升主动脉瘤样病变 ；具有里程碑意义的是,McKusick,对,MFS,进行了全面的综合性的描述。,患者,微纤维原基因,(FBN1,基因,),突变导致原纤维蛋白,1,编码错误，使结缔组织的重要成分纤维蛋白原结构异常。,FBN 1,是弹性蛋白的前基质，为弹性蛋白的附着和分化提供支架和模板。,MFS,的缺陷基因,(FBN 1),己定位于人类第,15,号染色体上,( 15q21.1),，,FBN 1,蛋白广泛分布于主动脉、软骨、晶状体及皮肤等处的弹力纤维中，而这些部位正是马凡综合征表型异常所在。,主动脉中层囊性变性与弹力纤维细小、断裂，造成主动脉壁薄弱、扩张而形成动脉瘤。,海曼,（,1955,1986,）,美国女子排球运动员。身高米。主攻手。身体素质好，弹跳力强，扣球凶狠有力，击球点高，防守和拦网都十分出色，作风顽强。在,1981,年第三届世界杯排球赛中，获得最佳运动员和最佳扣球奖，她多次作为国家队主力队员参加国际重大排球比赛，是当代世界瞩目的女子排坛重扣手之一。,1986,年,1,月,24,日因心脏病突发猝死在球场上。经诊断，海曼可能死于,马凡氏综合征,，我国排球选手朱刚也是因此疾病而死亡。,Hamman Flora,骨骼畸形,骨骼畸形,二尖瓣功能障碍,骨骼畸形,晶状体脱位和高度近视,Marfan,综合征,（,AD,）,的系谱,马凡氏综合征,(AD,）,患者全身管状骨较长，体型瘦削，四肢远端细长，蜘蛛样指（趾），头颅前后径长，形成长方头，狭长脸，眼上方眶上嵴明显突起，两侧晶状体异位等特征。,40%-60%,伴有先天性心血管畸形，以主动脉瘤多见。,三、纤连蛋白与疾病,1.,肾小球肾炎,2.,类风湿性关节炎,3.,恶性肿瘤细胞,四、层黏连蛋白与疾病,1.,糖尿病,2.,扩张性心肌病与心肌炎,3.,酒精中毒性肝病,4.,进行性全身硬化症,5.,某些恶性肿瘤,五、蛋白聚糖与疾病,1.,动脉粥样硬化,2.,蛋白聚糖与肿瘤的发生与转移,六、整联蛋白与疾病,1.,牛皮癣,2.,白细胞粘附缺陷（,CAD）,3.,癌细胞转移,七、,MMPs,与疾病,1.,膝关节的前交叉韧带不愈合症,思考题,1.,细胞外基质化学组成主要有哪些？有哪些主要功能？,2.,胶原的分子组成和结构有何特点，如何合成和装配，,有何功能？,3.,纤连蛋白和层黏连蛋白分子结构如何，有哪些类型，,有哪些生物学作用？,4.,氨基聚糖和蛋白聚糖的结构特点？,5.,氨基聚糖和蛋白聚糖主要有哪些功能？,The End,Thanks for your listening!,