細胞外基質作用機理.ppt

細胞外基質,EXTRACELLULAR MATRIX, ECM,本章內容提要,第一節(jié) ECM的成分 一、膠原 二、纖粘連蛋白 三、層粘連蛋白 四、氨基聚糖及蛋白聚糖 五、彈性蛋白 第二節(jié) ECM的生物學作用,機體的各種組織和器官都是由細胞核細胞外基質（ECM）共同組成的。 ECM是指位于上皮或內皮細胞下層、結締組織細胞周圍，為組織、器官甚至整個機體的完整性提供力學支持和物理強度的物質。,什么是ECM？,骨細胞、軟骨組織和結締組織細胞外基質的掃描電鏡照片 左：骨細胞； 中：軟骨組織； 右：結締組織,ECM的成分及組裝形式由所產生的細胞決定，并與組織的功能相適應。如：角膜、肌腱。 不同組織的細胞分泌形成的ECM在特性上有顯著的差異 。 能夠分泌和形成ECM的主要細胞類群是成纖維細胞和少數其他特化組織的細胞。,ECM是細胞外大分子構成的高度的有組織的網絡結構。影響細胞的存活、死亡、增殖和分化。 包括：膠原collagen、非膠原糖蛋白non-collagen glycoprotein、氨基聚糖與蛋白聚糖proteoglycan、彈性蛋白elastin等。,結締組織中含量較高。,主要成分： 不溶性的各類纖維（膠原和彈性蛋白）+可溶性的多聚體蛋白分子（蛋白聚糖和糖蛋白）。,上皮組織的細胞外基質,第一節(jié) ECM的成分,一、膠原Collagen,是人體最豐富的蛋白，占蛋白總量的30以上。ECM主要成分，屬不溶性纖維蛋白質。 功能：骨架結構，參與形成結締組織，如骨、韌帶、基膜、皮膚；參與信號傳遞。 組成：由原膠原tropocollagen交聯而成。 類型：已知至少20種膠原，由不同的結構基因編碼。 I、II、III、V、XI型膠原為有橫紋的纖維形結構。,各類膠原都有兩個共同的特點都是由三條肽鏈組成；各類膠原蛋白的氨基酸組成完全不同，這在其他蛋白質中從未發(fā)現過。,分子結構： 膠原纖維的基本結構單位是原膠原。 其肽鏈的一級結構具有(Gly-x-y)n重復序列， 其中x常為脯氨酸(Pro)， y常為羥脯氨酸(Hypro)或羥賴氨酸(Hylys)。 原膠原是由三條-肽鏈組成的纖維狀蛋白質， 相互擰成三股螺旋狀構型， 長300nm， 直徑1.5nm。,原膠原間共價交聯，呈階梯狀排列，形成膠原纖維，在電鏡下可見間隔67nm的橫紋。,新生兒的膠原交聯程度低而易于抽提。 老年人膠原交聯程度高，組織僵硬老化。,電鏡照片所示的是雞胚胎結締組織的膠原纖維; 圖解是膠原的分子結構。,合成：由成纖維細胞、軟骨細胞、成骨細胞、上皮細胞分泌。在RER上合成，形成三股螺旋之前于Pro及Lys殘基上進行羥基化修飾。 羥化反應由脯氨酰4、脯氨酰3羥化酶催化。 Vc是酶的輔助因子，Vc缺乏導致羥化反應不能進行。非羥化的前鏈在細胞內被降解。因而，膳食中缺乏Vc可導致血管、肌腱、皮膚變脆，易出血，稱為壞血病。 交聯：由側向相鄰的lys或hyl殘基氧化后所產生的兩個醛基間進行縮合而成。,脊椎動物中膠原的合成、裝配與分泌,膠原蛋白是在膜結合核糖體上起始合成的，然后進入內質網，通過內質網和高爾基體的加工修飾和裝配，最后分泌到細胞外基質中,由前體肽裝配成前膠原時，是通過分子內的交聯完成的。而由膠原裝配成膠原原纖維(collagen fibril)則是通過分子間的交聯,原膠原共價交聯后成為具有抗張強度的不溶性膠原。 胚胎及新生兒的膠原因缺乏分子間的交聯而易于抽提。 隨年齡增長，交聯日益增多，組織僵硬老化。 膠原的作用 為細胞外基質提供了一個水不溶性的框架，決定細胞外基質的機械性質。某一特定組織的性能通常與膠原分子的三維結構有關。 骨、腱和皮膚等組織的細胞外基質膠原含量高，剛性及抗張力大。 膠原具有促進細胞生長的作用，如肝細胞等在含有膠原的培養(yǎng)基上生長較快。在細胞分化中，膠原基質和提純的膠原底物具有維持并誘導細胞分化的作用。 許多實驗證明，某種細胞經過特異的粘連蛋白的介導，可以粘連到特定類型膠原上。許多上皮細胞和內皮細胞經層粘連蛋白的介導可與基膜中的型膠原粘連。,這是1890年拍攝的“彈性皮膚人”的照片，是由于膠原裝配不正確引起的遺傳綜合癥。在某些個體中，由于膠原酶缺陷而引起，因為膠原酶缺陷，不能將前膠原轉變成膠原。,如果編碼膠原的基因發(fā)生突變，將導致膠原病。若影響到膠原纖維的正確裝配，皮膚和其它各種結締組織就會因此降低強度而變得非常的松弛。,二、非膠原蛋白,是細胞外基質成分的組織者，具有分別與細胞及其他ECM成分結合的多個結構域。 功能：使細胞與ECM相互黏附，同時介導細胞的運動遷移，并在細胞分化和創(chuàng)傷修復中起重要作用。 類型：纖黏連蛋白、層黏連蛋白、親玻纖黏連蛋白、軟骨黏連蛋白、凝血酶應答蛋白和von willebrand因子等。,I、纖粘連蛋白 Fibronectin（FN）,類型： 血漿FN： V字形二聚體，可溶，存在于血漿、體液。 細胞FN：多聚體，不溶，存在于ECM及細胞表面。 已鑒定的FN亞單位20種以上。由同一基因編碼，轉錄后拼接不同，形成多種異型分子。 結構： 含糖4.59.5。每條FN有57個有特定功能的結構域,FN是一種大的纖維狀糖蛋白，由兩個亞單位構成二聚體，兩條肽鏈的C端以二硫鍵共價相連，形成“V”形分子。,FN是一種高相對分子質量的粘附性的糖蛋白，廣泛存在于動物界， 包括海綿、海膽及哺乳動物類。每個FN亞基上有與膠原、細胞表面受體、血纖蛋白和硫酸蛋白多糖高親和結合的位點 。 RGD序列: FN中與細胞結合的結構域中的Arg-Gly-Asp三肽序列,fibronectin dimer,組裝： 不自發(fā)組裝成，受細胞表面受體指導。 腫瘤細胞表面FN減少，因受體異常所致。,功能： 介導細胞粘著，進而調節(jié)細胞的形狀和細胞骨架的組織，促進細胞鋪展； FN可將細胞連接到ECM上；FN上的RGD（Arg-Gly-Asp）序列可與細胞表面的整合素結合。 影響細胞的遷移； 在正常組織里， 細胞是由多種多樣的糖蛋白粘連起來， 并約束在一個固定的位置上，主要是靠FN來維持其穩(wěn)定狀態(tài)。 在胚胎發(fā)生過程中，纖連蛋白對于許多類型細胞的遷移和分化是必需的。 在創(chuàng)傷修復中，纖連蛋白促進巨噬細胞和其它免疫細胞遷移到受損部位。 在血凝塊形成中，纖連蛋白促進血小板附著于血管受損部位。 人工合成的RGD三肽可抑制細胞在FN基質上粘附。,Fibronectin helps connect the inside of the cell to the outside,II、層粘連蛋白 laminin(LN),結構： 由3條肽鏈借二硫鍵交聯成十字形分子。 已知7種LN，8種亞單位（1-3、1-3、1-2）。與FN不同，這8種亞單位由不同基因編碼。 含糖量很高（15-28），具有50條左右N-連接的糖鏈。 細胞通過LN錨定于基膜上，至少存在兩個不同的受體結合部位： 與型膠原的結合部位； 與細胞質膜上的整合素結合的Arg-Gly-Asp(R-G-D)序列。,結構上呈現不對稱的十字形， 由一條長臂和三條相似的短臂構成。1和2短臂上有兩個球形域， 鏈上的短臂有三個球形結構域，其中有一個結構域同型膠原結合，第二個結構域同肝素結合，還有同細胞表面受體結合的結構域,層粘連蛋白是基膜(basal lamina)的主要結構成分。 基膜是一種復合的細胞外結構， 通常位于上皮和內皮的基底面，是細胞外基質的特異區(qū)， 將細胞層和其下的結締組織分開。典型的基膜厚約50nm，有些基膜的厚度達200nm。,形成基膜的組織和細胞: 肌細胞和脂肪細胞的表面; 上皮組織基底面的下方，如皮膚上皮的下表面; 血管內皮細胞的下表面。此外，施旺細胞(Schwann cells)的表面也有基膜。,結構: 基膜是由不同的蛋白纖維組成的網狀結構，LN是基膜的主要成分，也是基膜的組織者，而型膠原則是基膜的網狀鋼架 。,功能: 基膜不僅對組織結構起支持作用，同時也是滲透性的障礙，調節(jié)分子和細胞的運動,LN的功能：組成基膜，是胚胎發(fā)育中最早出現的ECM。 LN分子中具有與型膠原、細胞表面、及其它的蛋白聚糖結合的位點。在基膜中，主要功能就是作為基膜的主要結構成分對基膜的組裝起關鍵作用， 在細胞表面形成網絡結構并將細胞固定在基膜上。 LN還有許多其他的作用，如在細胞發(fā)育過程中刺激細胞粘著、細胞運動。LN還能夠刺激胚胎中神經軸的生長，并促進成年動物的神經損傷后再生。 如同纖粘連蛋白，細胞外的LN能夠影響細胞的生長、遷移和分化。,四、氨基聚糖及蛋白聚糖,1氨基聚糖（glycosaminoglycan，GAG）,是重復二糖單位構成的無分枝長鏈多糖。因二糖單位之一常為氨基糖（N-乙酰氨基葡萄糖或N-乙酰氨基半乳糖）而得名。 二糖單位通常由氨基已糖和糖醛酸組成。 可分為六種：透明質酸、硫酸軟骨素、硫酸皮膚素、硫酸乙酰肝素、肝素、硫酸角質素。 透明質酸(HA)是唯一不硫酸化的GAG，含多達10萬個糖基?？山Y合大量水分子，賦予組織一定的抗壓性。,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）與核心蛋白的絲氨酸殘基共價連接的結合物。 核心蛋白質的Ser殘基在高爾基體中裝配上GAG鏈。 首先合成由四糖組成的連接橋（Xyl-Gal-Gal-GlcUA）連接到Ser殘基上，然后再延長糖鏈。,左蛋白聚糖；中蛋白聚糖多聚體；右氨基聚糖,除HA及肝素外，其他GAG均不游離存在。 HA以非共價鍵連接許多蛋白聚糖單體形成多聚體。 如透明質酸同糖胺聚糖和核心蛋白組成軟骨組織的蛋白聚糖復合物，稱為透明質酸-蛋白聚糖復合物。 在這種復合物中，透明質酸作為一個長軸，將蛋白聚糖連接在一起，形成更大的更復雜的蛋白聚糖，使細胞外基質具有更大的抗壓性。,HA在軟骨組織ECM的蛋白聚糖中的作用,蛋白聚糖和透明質酸-蛋白聚糖復合物直接與膠原纖維連接形成動物細胞外的纖維-網絡結構，不同類型的膠原和不同類型的蛋白聚糖連接形成不同的纖維-網絡，對于提高細胞外基質的連貫性起關鍵作用。,蛋白聚糖的特性與功能 顯著特點是多態(tài)性：不同的核心蛋白, 不同的氨基聚糖； 軟骨中的蛋白聚糖是最大巨分子之一, 賦予軟骨以凝膠樣特性和抗變形能力； 蛋白聚糖可視為細胞外的激素富集與儲存庫，可與多種生長因子結合，完成信號的傳導。,彈性蛋白(elastin)是彈性纖維的主要成分，外面包著一層由微原纖維（糖蛋白）構成的殼。 彈性纖維與膠原纖維共同存在，分別賦予組織以彈性及抗張性。彈性纖維的伸展性比同樣橫截面積的橡皮條至少大5倍。 彈性纖維主要存在于脈管壁及肺，亦少量存在于皮膚、肌腱及疏松結締組織中。 老年組織中彈性蛋白的生成減少，降解增強，以致組織失去彈性。 彈性蛋白是高度疏水的非糖基化蛋白，具有兩個明顯的特征: 構象呈無規(guī)則卷曲狀態(tài)； 通過Lys殘基相互交連成網狀結構。,五、彈性蛋白 elastin,結構：是一種非糖基化的蛋白質，包含830個aa殘基，富含脯氨酸和甘氨酸，但很少羥化。肽鏈中不含膠原特有的Gly-X-Y重復順序。 由二類短肽交替排列構成。 一種是疏水短肽，賦予分子以彈性； 另一種為富Ala丙氨酸及Lys賴氨酸殘基的螺旋，負責在相鄰分子間交聯，形成網狀結構。,第二節(jié) 細胞外基質的生物學作用,1影響細胞