细胞外基质作用机理

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,*,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,细胞外基质,本章内容提要,第一节,ECM,的成分,一、胶原,二、纤粘连蛋白,三、层粘连蛋白,四、氨基聚糖及蛋白聚糖,五、弹性蛋白,第二节,ECM,的生物学作用,机体的各种组织和器官都是由细胞核细胞外基质（,ECM,）共同组成的。,ECM,是指位于上皮或内皮细胞下层、结缔组织细胞周围，为组织、器官甚至整个机体的完整性提供力学支持和物理强度的物质。,什么是,ECM,？,骨细胞、软骨组织和结缔组织细胞外基质的扫描电镜照片,左：骨细胞；中：软骨组织；右：结缔组织,ECM,的成分及组装形式由所产生的细胞决定，并与组织的功能相适应。如：角膜、肌腱。,不同组织的细胞分泌形成的,ECM,在特性上有显著的差异。,能够分泌和形成,ECM,的主要细胞类群是成纤维细胞和少数其他特化组织的细胞。,ECM,是细胞外大分子构成的高度的有组织的网络结构。影响细胞的存活、死亡、增殖和分化。,包括,：胶原,collagen,、非胶原糖蛋白,non-collagen glycoprotein,、氨基聚糖与蛋白聚糖,proteoglycan,、弹性蛋白,elastin,等。,结缔组织中含量较高。,主要成分：,不溶性的各类纤维（胶原和弹性蛋白）,+,可溶性的多聚体蛋白分子（蛋白聚糖和糖蛋白）。,上皮组织的细胞外基质,第一节,ECM,的成分,一、胶原,Collagen,是人体最丰富的蛋白，占蛋白总量的,30,以上。,ECM,主要成分，属不溶性纤维蛋白质。,功能：骨架结构，参与形成结缔组织，如骨、韧带、基膜、皮肤；参与信号传递。,组成：由原胶原,tropocollagen,交联而成。,类型：已知至少,20,种胶原，由不同的结构基因编码。,I,、,II,、,III,、,V,、,XI,型胶原为有横纹的纤维形结构。,各类胶原都有两个共同的特点都是由三条肽链组成；各类胶原蛋白的氨基酸组成完全不同，这在其他蛋白质中从未发现过,。,分子结构：,胶原纤维的基本结构单位是原胶原。,其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),。,原胶原是由三条,-,肽链组成的纤维状蛋白质，相互拧成三股螺旋状构型，长,300nm,，直径,1.5nm,。,原胶原间共价交联，呈阶梯状排列，形成胶原纤维，在电镜下可见间隔,67nm,的横纹。,新生儿的胶原交联程度低而易于抽提。,老年人胶原交联程度高，组织僵硬老化。,电镜照片所示的是鸡胚胎结缔组织的胶原纤维,;,图解是胶原的分子结构。,合成：由成纤维细胞、软骨细胞、成骨细胞、上皮细胞分泌。在,RER,上合成，形成三股螺旋之前于,Pro,及,Lys,残基上进行羟基化修饰。,羟化反应由脯氨酰,4,、脯氨酰,3,羟化酶催化。,Vc,是酶的辅助因子，,Vc,缺乏导致羟化反应不能进行。非羟化的前,链在细胞内被降解。因而，膳食中缺乏,Vc,可导致血管、肌腱、皮肤变脆，易出血，称为坏血病。,交联：由侧向相邻的,lys,或,hyl,残基氧化后所产生的两个醛基间进行缩合而成。,脊椎动物中胶原的合成、装配与分泌,胶原蛋白是在膜结合核糖体上起始合成的，然后进入内质网，通过内质网和高尔基体的加工修饰和装配，最后分泌到细胞外基质中,胶原装配的主要步骤,由前体肽装配成前胶原时，是通过分子内的交联完成的。而由胶原装配成胶原原纤维,(collagen fibril),则是通过分子间的交联,原胶原共价交联后成为具有抗张强度的不溶性胶原。,胚胎及新生儿的胶原因缺乏分子间的交联而易于抽提。,随年龄增长，交联日益增多，组织僵硬老化。,胶原的作用,为细胞外基质提供了一个水不溶性的框架，决定细胞外基质的机械性质。某一特定组织的性能通常与胶原分子的三维结构有关。,骨、腱和皮肤等组织的细胞外基质胶原含量高，刚性及抗张力大。,胶原具有促进细胞生长的作用，如肝细胞等在含有胶原的培养基上生长较快。在细胞分化中，胶原基质和提纯的胶原底物具有维持并诱导细胞分化的作用。,许多实验证明，某种细胞经过特异的粘连蛋白的介导，可以粘连到特定类型胶原上。许多上皮细胞和内皮细胞经层粘连蛋白的介导可与基膜中的,型胶原粘连。,过度松弛皮肤症,这是,1890,年拍摄的,“,弹性皮肤人,”,的照片，是由于胶原装配不正确引起的遗传综合症。在某些个体中，由于胶原酶缺陷而引起，因为胶原酶缺陷，不能将前胶原转变成胶原。,如果编码胶原的基因发生突变，将导致胶原病。若影响到胶原纤维的正确装配，皮肤和其它各种结缔组织就会因此降低强度而变得非常的松弛。,二、非胶原蛋白,是细胞外基质成分的组织者，具有分别与细胞及其他,ECM,成分结合的多个结构域。,功能,：使细胞与,ECM,相互黏附，同时介导细胞的运动迁移，并在细胞分化和创伤修复中起重要作用。,类型：纤黏连蛋白、层黏连蛋白、亲玻纤黏连蛋白、软骨黏连蛋白、凝血酶应答蛋白和,von willebrand,因子等。,I,、纤粘连蛋白,Fibronectin,（,FN,）,类型：,血浆,FN,：,V,字形二聚体，,可溶，存在于血浆、体液。,细胞,FN,：多聚体，,不溶，存在于,ECM,及细胞表面。,已鉴定的,FN,亚单位,20,种以上。由同一基因编码，转录后拼接不同，形成多种异型分子。,结构：,含糖,4.5,9.5,。每条,FN,有,5,7,个有特定功能的结构域,FN,是一种大的纤维状糖蛋白，由两个亚单位构成二聚体，两条肽链的,C,端以二硫键共价相连，形成“,V”,形分子。,FN,是一种高相对分子质量的粘附性的糖蛋白，广泛存在于动物界，包括海绵、海胆及哺乳动物类。每个,FN,亚基上有与胶原、细胞表面受体、血纤蛋白和硫酸蛋白多糖高亲和结合的位点。,RGD,序列,:FN,中与细胞结合的结构域中的,Arg-Gly-Asp,三肽序列,fibronectin dimer,组装：,不自发组装成，受细胞表面受体指导。,肿瘤细胞表面,FN,减少，因受体异常所致。,功能：,介导细胞粘着，进而调节细胞的形状和细胞骨架的组织，促进细胞铺展；,FN,可将细胞连接到,ECM,上；,FN,上的,RGD,（,Arg-Gly-Asp,）序列可与细胞表面的整合素结合。,影响细胞的迁移；,在正常组织里，细胞是由多种多样的糖蛋白粘连起来，并约束在一个固定的位置上，主要是靠,FN,来维持其稳定状态。,在胚胎发生过程中，纤连蛋白对于许多类型细胞的迁移和分化是必需的。,在创伤修复中，纤连蛋白促进巨噬细胞和其它免疫细胞迁移到受损部位。,在血凝块形成中，纤连蛋白促进血小板附着于血管受损部位。,人工合成的,RGD,三肽可抑制细胞在,FN,基质上粘附。,Fibronectin helps connect the inside of the cell to the outside,II,、层粘连蛋白,laminin(LN),结构：,由,3,条肽链借二硫键交联成十字形分子。,已知,7,种,LN,，,8,种亚单位,（,1-3,、,1-3,、,1-2,）。,与,FN,不同，这,8,种亚单位由不同基因编码。,含糖量很高,（,15-28,），,具有,50,条左右,N-,连接的糖链。,细胞通过,LN,锚定于基膜上，至少存在两个不同的受体结合部位：,与,型胶原的结合部位；,与细胞质膜上的整合素结合的,Arg-Gly-Asp(R-G-D),序列。,层粘连蛋白的结构,结构上呈现不对称的十字形，由一条长臂和三条相似的短臂构成。,1,和,2,短臂上有两个球形域，,链上的短臂有三个球形结构域，其中有一个结构域同,型胶原结合，第二个结构域同肝素结合，还有同细胞表面受体结合的结构域,层粘连蛋白是基膜,(basal lamina),的主要结构成分。,基膜是一种复合的细胞外结构，通常位于上皮和内皮的基底面，是细胞外基质的特异区，将细胞层和其下的结缔组织分开。典型的基膜厚约,50nm,，有些基膜的厚度达,200nm,。,形成基膜的组织和细胞,:,肌细胞和脂肪细胞的表面,;,上皮组织基底面的下方，如皮肤上皮的下表面,;,血管内皮细胞的下表面。此外，施旺细胞,(Schwann cells),的表面也有基膜。,结构,:,基膜是由不同的蛋白纤维组成的网状结构，,LN,是基膜的主要成分，也是基膜的组织者，而,型胶原则是基膜的网状钢架。,功能,:,基膜不仅对组织结构起支持作用，同时也是渗透性的障碍，调节分子和细胞的运动,LN,的功能：,组成基膜，是胚胎发育中最早出现的,ECM,。,LN,分子中具有与,型胶原、细胞表面、及其它的蛋白聚糖结合的位点。在基膜中，主要功能就是作为基膜的主要结构成分对基膜的组装起关键作用，在细胞表面形成网络结构并将细胞固定在基膜上。,LN,还有许多其他的作用，如在细胞发育过程中刺激细胞粘着、细胞运动。,LN,还能够刺激胚胎中神经轴的生长，并促进成年动物的神经损伤后再生。,如同纤粘连蛋白，细胞外的,LN,能够影响细胞的生长、迁移和分化。,四、氨基聚糖及蛋白聚糖,1,氨基聚糖（,glycosaminoglycan,，,GAG,）,是重复二糖单位构成的无分枝长链多糖。因二糖单位之一常为氨基糖,（,N-,乙酰氨基葡萄糖或,N-,乙酰氨基半乳糖）,而得名。,二糖单位通常由氨基已糖和糖醛酸组成。,可分为六种：透明质酸、硫酸软骨素、硫酸皮肤素、硫酸乙酰肝素、肝素、硫酸角质素。,透明质酸,(HA),是唯一不硫酸化的,GAG,，含多达,10,万个糖基。可结合大量水分子，赋予组织一定的抗压性。,氨基聚糖的分子特性及分布,2,蛋白聚糖,proteoglycan,是氨基聚糖（除,HA,）与核心蛋白的丝氨酸残基共价连接的结合物。,核心蛋白质的,Ser,残基在高尔基体中装配上,GAG,链。,首先合成由四糖组成的连接桥,（,Xyl-Gal-Gal-GlcUA,）,连接到,Ser,残基上，然后再延长糖链。,左蛋白聚糖；中蛋白聚糖多聚体；右氨基聚糖,除,HA,及肝素外，其他,GAG,均不游离存在。,HA,以非共价键连接许多蛋白聚糖单体形成多聚体。,如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，称为透明质酸,-,蛋白聚糖复合物。,在这种复合物中，透明质酸作为一个长轴，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。,HA,在软骨组织,ECM,的蛋白聚糖中的作用,蛋白聚糖和透明质酸,-,蛋白聚糖复合物直接与胶原纤维连接形成动物细胞外的纤维,-,网络结构，不同类型的胶原和不同类型的蛋白聚糖连接形成不同的纤维,-,网络，对于提高细胞外基质的连贯性起关键作用。,蛋白聚糖的特性与功能,显著特点是多态性：不同的核心蛋白,不同的氨基聚糖；,软骨中的蛋白聚糖是最大巨分子之一,赋予软骨以凝胶样特性和抗变形能力；,蛋白聚糖可视为细胞外的激素富集与储存库，可与多种生长因子结合，完成信号的传导。,弹性蛋白,(elastin),是弹性纤维的主要成分，外面包着一层由微原纤维（糖蛋白）构成的壳。,弹性纤维与胶原纤维共同存在，分别赋予组织以弹性及抗张性。弹性纤维的伸展性比同样横截面积的橡皮条至少大,5,倍。,弹性纤维主要存在于脉管壁及肺，亦少量存在于皮肤、肌腱及疏松结缔组织中。,老年组织中弹性蛋白的生成减少，降解增强，以致组织失去弹性。,弹性蛋白是高度疏水的非糖基化蛋白，具有两个明显的特征,:,构象呈无规则卷曲状态；,通过,Lys,残基相互交连成网状结构。,五、弹性蛋白,elastin,结构：是一种非糖基化的蛋白质，包含,830,个,aa,残基，富含脯氨酸和甘氨酸，但很少羟化。肽链中不含胶原特有的,Gly-X-Y,重复顺序。,由二类短肽交替排列构成。,一种是疏水短肽，赋予分子以弹性；,另一种为富,Ala,丙氨酸及,Lys,赖氨酸残基的,螺旋，负责在相邻分子间交联，形成网状结构。,第二节 细胞外基质的生物学作用,1,影响细