分子細(xì)胞生物學(xué)教學(xué)課件：Chapter20-細(xì)胞外基質(zhì)

1、The connective tissue underlying an epithelial cell sheet.It consists largely of extracellular matrix that is secreted by the fibroblasts. 第二十章 細(xì)胞間的結(jié)構(gòu)聯(lián)系細(xì)胞外基質(zhì)和細(xì)胞連接多細(xì)胞生物體中細(xì)胞外周圍物質(zhì)及細(xì)胞與細(xì)胞之間形成特定結(jié)構(gòu)Scanning electron micrograph of fibroblasts in connective tissue.The tissue is from the cornea of a rat. The e

2、xtracellular matrix surrounding the fibroblasts is composed largely of collagen fibrils. The glycoproteins, glycosaminoglycans, and proteoglycans, which normally form a hydrated gel filling the interstices of the fibrous network, have been removed by enzyme and acid treatment.細(xì)胞外基質(zhì)（extracellular mat

3、rix）： 分布于動(dòng)物組織細(xì)胞外空間、由細(xì)胞分泌的蛋白質(zhì)和多糖大分子構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。包括糖胺聚糖、蛋白聚糖，膠原和彈性蛋白，纖連蛋白和層連蛋白等成分。 細(xì)胞外基質(zhì)與細(xì)胞相互關(guān)連，對細(xì)胞的分化、增殖、形狀、遷移和功能活動(dòng)有重要影響。細(xì)胞連接(cell junction): 多細(xì)胞生物組織中,細(xì)胞與細(xì)胞間和細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)間形成的結(jié)構(gòu)關(guān)系。第一節(jié) 細(xì)胞外基質(zhì)的化學(xué)組成糖胺聚糖、蛋白聚糖: 凝膠樣多糖分子膠原和彈性蛋白 纖維蛋白，起支架作用纖連蛋白和層連蛋白 黏著作用的蛋白一、凝膠樣多糖分子結(jié)構(gòu)（糖胺聚糖和蛋白聚糖）（一） 糖胺聚糖(glycosaminoglycan, GAG) ： 糖胺聚糖由重復(fù)

4、的二糖單元構(gòu)成的長鏈多糖一個(gè)必定是氨基糖 即N-乙酰葡糖胺或N-乙酰半乳糖胺，且大都硫酸化另一個(gè)是糖醛酸或糖 即葡糖醛酸或艾杜糖醛酸 葡糖醛酸， N-乙酰半乳糖胺-6-硫酸半乳糖， N-乙酰半乳糖胺-6-硫酸葡糖醛酸， 葡糖胺葡糖醛酸， N-乙酰葡糖胺糖胺聚糖有4類特殊糖胺聚糖：透明質(zhì)酸(hyaluronic acid) ：25000多個(gè)二糖單元唯一的不被硫酸化的糖胺聚糖不是細(xì)胞分泌的，由質(zhì)膜上的酶聚合形成可參與蛋白聚糖的形成，也可游離存在葡糖醛酸 N-乙酰葡糖胺 透明質(zhì)酸生物學(xué)功能糖醛酸的羧基提供大量負(fù)電荷，電荷斥力使透明質(zhì)酸分子呈伸展?fàn)?，占?jù)很大空間，處于有限空間時(shí)，產(chǎn)生膨脹壓賦予組織抗壓

5、性透明質(zhì)酸分子表面羧基帶負(fù)電吸附陽離子，后者吸附大量水分子，形成水合膠體，有利于細(xì)胞之間的彼此分離，易于細(xì)胞遷移、增殖，一旦遷移停止，由透明質(zhì)酸酶將其降解 是蛋白聚糖的主要結(jié)構(gòu)組分與透明質(zhì)酸比，其它糖胺聚糖的特征含硫酸基含不同的二糖鏈短，不到300個(gè)單糖與蛋白質(zhì)共價(jià)結(jié)合形成蛋白聚糖由細(xì)胞合成分泌的除透明質(zhì)酸及肝素外，其他幾種氨基聚糖均不游離存在，而與核心蛋白質(zhì)共價(jià)結(jié)合構(gòu)成蛋白聚糖 （二）蛋白聚糖(proteoglycan) 蛋白聚糖由一條芯蛋白(core protein)與數(shù)百條糖胺聚糖（透明質(zhì)酸除外）結(jié)合，芯蛋白的絲氨酸殘基與糖胺聚糖共價(jià)接合 若干個(gè)蛋白聚糖單體借連接蛋白與透明質(zhì)酸結(jié)合成多聚

6、體 蛋白聚糖的形成內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成芯蛋白高爾基體進(jìn)行多糖鏈的裝配: 連接四糖、糖胺聚糖、硫酸化、異構(gòu)化若干蛋白聚糖借連接蛋白與透明質(zhì)酸結(jié)合形成蛋白聚糖 蛋白聚糖多樣化，分子量巨大蛋白聚糖芯蛋白的分子量變化（1-6萬）及氨基酸序列變化多樣結(jié)合的糖胺聚糖鏈花樣繁多，加上硫酸化的修飾若干蛋白聚糖借連接蛋白與透明質(zhì)酸結(jié)合形成蛋白聚糖聚集體 蛋白聚糖的作用：蛋白聚糖帶負(fù)電，吸附陽離子，后者結(jié)合大量水分子，形成多孔的凝膠物。使組織具有抗壓性，對細(xì)胞起保護(hù)作用對物質(zhì)有分子篩濾過作用 傳遞信息的作用：與信號分子結(jié)合，然后提呈給細(xì)胞膜受體調(diào)節(jié)分泌蛋白的活性限制分泌蛋白的活動(dòng)空間，濃集和保護(hù)酶不被降解細(xì)胞表面的輔受體有

7、的芯蛋白插入質(zhì)膜或與糖基磷脂酰肌醇結(jié)合形成脂錨定蛋白，在胞質(zhì)內(nèi)與細(xì)胞骨架相連，在外作為生長因子、信號分子、膠原、纖連蛋白的受體由磷脂酰肌醇糖脂（glycosylphosphatidylinositol， GPI）連接的脂錨定蛋白位于膜的外側(cè)（可與生長因子結(jié)合，起輔助受體的作用）二、纖維蛋白膠原(collagen)和彈性蛋白(elastin)1、膠原 膠原是動(dòng)物體內(nèi)含量最豐富的蛋白 (總量的25以上）。細(xì)胞分泌產(chǎn)生的已發(fā)現(xiàn)19種膠原，各型膠原都是由三條相同或不同的肽鏈形成三股螺旋 膠原纖維 膠原原纖維 膠原分子膠原及其分子結(jié)構(gòu) 膠原纖維，直徑達(dá)幾微米膠原纖維由膠原原纖維（直徑10-300nm）組

8、成；膠原原纖維由首尾連接成束排列的膠原分子組成膠原分子是三條肽鏈盤繞成三股超螺旋結(jié)構(gòu)肽鏈具有Gly-x-y重復(fù)序列 (通常x為脯氨酸,y為羥脯氨酸)Figure19-40The structure of a typical collagen molecule.(A) A model of part of a single collagen a chain in which each amino acid is represented by a sphere. The chain contains about 1000 amino acid residues and is arranged as

9、 a left-handed helix with three amino acid residues per turn and with glycine as every third residue. Therefore an a chain is composed of a series of triplet Gly-X-Y sequences in which X and Y can be any amino acid (although X is commonly proline and Y is commonly hydroxyproline). (B) A model of a p

10、art of a collagen molecule in which three alpha chains, each shown in a different color, are wrapped around one another to form a triple-stranded helical rod. Glycine is the only amino acid small enough to occupy the crowded interior of the triple helix. Only a short length of the molecule is shown

11、(From model by B.L. Trus.) Gly-X-Y甘-脯-羥脯 Figure19-43The intracellular and extracellular events involved in the formation of a collagen fibril.Note that collagen fibrils are shown assembling in the extracellular space contained within a large infolding in the plasma membrane. As one example of how th

12、e collagen fibrils can form ordered arrays in the extracellular space, they are shown further assembling into large collagen fibers, which are visible in the light microscope. 膠原的合成與加工膠原的合成與加工 前肽鏈在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成，進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中羥基化脯氨酸和賴氨酸，3條修飾的前肽鏈通過氫鍵裝配成前膠原分子前膠原分子分泌到細(xì)胞外，蛋白水解酶切去前肽成為膠原分子（前肽的作用是阻止前膠原分子在細(xì)胞內(nèi)裝配成膠原原纖維）膠原分子在

13、細(xì)胞外聚合裝配成膠原原纖維（collagen fibril），膠原纖維（collagen fiber）各分子間通過賴氨酸共價(jià)結(jié)合加固原纖維結(jié)構(gòu)，還依賴于原纖維結(jié)合膠原。常見的膠原類型及其在組織中的分布膠原是細(xì)胞外基質(zhì)中最主要的水不溶性纖維蛋白；型膠原含量最豐富型：具有很強(qiáng)的抗張強(qiáng)度，主要分布于皮膚、肌腱、韌帶及骨中型：主要存在于軟骨中型：形成的纖維比型細(xì),分布于血管、皮膚等型：形成二維網(wǎng)格,是基膜的主要支架 ：將復(fù)層上皮的基膜與下方的結(jié)締組織連接、：原纖維結(jié)合膠原，將原纖維結(jié)合成束， 與型、 與型結(jié)合 影響膠原裝配的因素羥基化作用：羥基化與三股螺旋的穩(wěn)定有關(guān),Vc是脯氨酸羥化酶的輔助因子,Vc

14、缺乏導(dǎo)致羥化不足,不能形成穩(wěn)定的膠原原纖維,血管皮膚變脆易出血,壞血病.基因突變膠原分子間的交聯(lián)靠賴氨酸殘基形成共價(jià)鍵增加牢固性，否則易撕裂原纖維結(jié)合膠原在膠原束、網(wǎng)結(jié)合中形成中起作用。Figure19-47Type IX collagen.(A) Schematic drawing of type IX collagen molecules binding in a periodic pattern to the surface of a type-II-collagen-containing fibril. (B) Electron micrograph of a rotary-shado

15、wed type-II-collagen-containing fibril in cartilage sheathed in type IX collagen molecules; an individual type IX collagen molecule is shown in (C). (B and C, from L. Vaughan et al., J. Cell Biol. 106:991-997.) 膠原的作用 膠原在胞外基質(zhì)中含量最高,剛性及抗張力強(qiáng)度最大,構(gòu)成細(xì)胞外基質(zhì)的骨架結(jié)構(gòu)在不同組織中，膠原組裝成不同的纖維形式,以適應(yīng)特定功能的需要 2、彈性蛋白(elastin)彈

16、性纖維 主要存在于脈管壁及肺。是有彈性能回縮的纖維。 彈性纖維的松弛和拉伸狀態(tài)彈性纖維的內(nèi)芯由彈性蛋白縱向排列，外圍是微原纖維鞘，由原纖維蛋白組成。 彈性蛋白約750aa組成，呈無規(guī)則卷曲狀 由兩種短肽序列交替排列： 一種是提供彈性的疏水短肽，富含甘氨酸、脯氨酸；另一種是富含賴氨酸的親水序列。通過賴氨酸使相鄰的彈性蛋白分子交聯(lián)成網(wǎng)。強(qiáng)疏水性非糖基化 彈性纖維的形成過程在成纖維細(xì)胞表面微原纖維束先形成，作為彈性纖維裝配的支架，隨后產(chǎn)生彈性蛋白。彈性蛋白單體在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中合成時(shí)，伴侶蛋白隨之與其結(jié)合（防止彈性蛋白聚合），一直到分泌到細(xì)胞外當(dāng)彈性蛋白與分子伴侶復(fù)合物接觸到彈性纖維鞘時(shí)，分子伴侶被纖維鞘半

17、乳糖置換，彈性蛋白與彈性纖維鞘結(jié)合 彈性蛋白的賴氨酸側(cè)鏈在賴氨酰氧化酶的催化下脫氨基形成醛賴氨酸，然后與相鄰的彈性蛋白的醛賴氨酸形成共價(jià)鍵。微原纖維移到彈性纖維的外圍。彈性纖維賦予組織以彈性。老年人彈性蛋白較少或喪失，皮膚彈性低老年人的膠原韌性降低，交聯(lián)度增大。三、黏合蛋白層連蛋白和纖連蛋白 起黏合作用，分子上有多個(gè)結(jié)構(gòu)域，可與膠原、蛋白聚糖、細(xì)胞等結(jié)合，將細(xì)胞外基質(zhì)各成分及細(xì)胞黏合在一起纖連蛋白(fibronectin) 層連蛋白(laminin) 1、纖連蛋白(fibronectin)是糖蛋白（含糖4.5%-9.5%）二聚體，“V”字形，每個(gè)亞基通過C端形成二硫鍵交聯(lián)形成 RGD（Arg-

18、Gly-Asp）序列，被細(xì)胞表面整聯(lián)蛋白識別結(jié)合纖連蛋白每個(gè)亞基有數(shù)個(gè)結(jié)構(gòu)域，RGD三肽序列是被細(xì)胞識別的最小結(jié)構(gòu)單位纖連蛋白的膜蛋白受體為整聯(lián)蛋白（integrin）家族成員,整聯(lián)蛋白有與RGD高親和性結(jié)合部位。纖連蛋白介導(dǎo)細(xì)胞的黏著。 整聯(lián)蛋白（integrin）：細(xì)胞膜上的一類整合蛋白家族，由、亞基組成異二聚體，介導(dǎo)細(xì)胞與細(xì)胞、細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)之間的黏合，起受體和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)作用。2、層連蛋白(laminin)是糖蛋白,動(dòng)物組織中基膜的主要結(jié)構(gòu)組分之一3條多肽鏈組成，十字架形有與型膠原的結(jié)合部位，在裝配基膜的結(jié)構(gòu)時(shí)起重要的“鋼筋網(wǎng)架”作用有RGD（Arg-Gly-Asp）序列，與細(xì)胞表面整聯(lián)

19、蛋白結(jié)合層連蛋白的分子結(jié)構(gòu)Figure19-54Scanning electron micrograph of a basal lamina in the cornea of a chick embryo.Some of the epithelial cells (E) have been removed to expose the upper surface of the matlike basal lamina (BL). A network of collagen fibrils (C) in the underlying connective tissue interacts with

20、 the lower face of the lamina. (Courtesy of Robert Trelstad.) 基膜Figure19-52How type IV collagen molecules are thought to assemble into a multilayered network.The model is based on electron micrographs of rotary-shadowed preparations of these molecules assembling in vitro. (Based on P.D. Yurchenco et al., J. Histochem. Cytochem. 34:93-102) IV型膠原分子氨基端尾部伸出片層，與相鄰的另一片層的氨基端共價(jià)結(jié)