第四章細胞環(huán)境與互作

第四章

細胞環(huán)境與互作本章從以下4個方面討論了細胞的外部環(huán)境和細胞間的相互作用：1．細胞表面2．細胞外基質(zhì)3．細胞識別與粘著4．細胞連接主要內(nèi)容4.1細胞表面(cellsurface)●結(jié)構(gòu)上:包括細胞被(cellcoat)和細胞質(zhì)膜

?！窆δ苌?保護細胞，使細胞有一個相對穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境；參與細胞內(nèi)外的物質(zhì)交換和能量交換；參與細胞識別、信息的接收和傳遞；參與細胞運動維護細胞的各種形態(tài)，并與免疫、癌變都有十分密切的關系。細胞被(cellcoat):指細胞質(zhì)膜外表面覆蓋的一層多糖物質(zhì)，實際指細胞表面與質(zhì)膜中的蛋白質(zhì)或脂類分子共價結(jié)合的寡糖連。細胞被用釕紅染色，電子顯微鏡觀察到的淋巴細胞的細胞被成分：主要成份是糖,所以又稱為糖萼(glycocalyx),或多糖包被。糖被通常含有兩種主要的成份:糖蛋白和蛋白聚糖。

糖被的結(jié)構(gòu)和組成示意圖●保護作用:如消化道、呼吸道●介導細胞與環(huán)境的相互作用

參與細胞與環(huán)境的物質(zhì)交換

細胞增殖的接觸抑制、細胞

識別等■細胞被的功能■細胞被的結(jié)構(gòu)與組成●纖維素(cellulose)●半纖維素(hemicellulose)●果膠(pectin)●木質(zhì)素(lignin)●糖蛋白(glycoprotein)4.1.2植物的細胞外結(jié)構(gòu):細胞壁■細胞壁的化學組成與結(jié)構(gòu)纖維素微纖維的結(jié)構(gòu)

纖維素分子與纖維素微纖維

纖維素分子與纖維素微纖維：是由葡萄糖構(gòu)成的多聚體，（microfibril）為細胞壁提供了強度和硬度?！窭w維素(cellulose)植物細胞壁中的纖維素半纖維素（hemicellulose）:木糖、半乳糖和甘露糖等組成的高度分支的多糖，介導纖維素彼此連接或介導微原纖維與其它基質(zhì)成分（果膠質(zhì)）連接。半纖維素的化學組成組成半纖維素的5種單糖:β-D-葡萄糖(Glc)，β-D-半乳糖(Gal)，β-D-巖藻糖(Fuc)，β-D-木糖(Xyl)，β-D-阿拉伯糖(Ara)(b)半纖維素可能的結(jié)構(gòu)。●半纖維素(hemicellulose)

由半乳糖醛酸和它的衍生物組成的多聚體；含有大量攜帶負電荷的糖，結(jié)合Ca2+等陽離子，被高度水化形成凝膠；連接相鄰細胞壁，并且形成細胞外基質(zhì)，將纖維素包埋在水合膠中。果膠的化學組成和可能的結(jié)構(gòu)(a)果膠主要是由半乳糖醛酸和鼠李糖構(gòu)成的;(b)果膠可能的結(jié)構(gòu)排列●果膠(pectin)●糖蛋白(glycoprotein)總量占10%。伸展蛋白(extensin)：最重要的一種糖蛋白。糖蛋白在初生壁中含量可多達15％，糖的總量約占65％?！衲举|(zhì)素(lignin)：◆由聚合的芳香醇構(gòu)成的一類物質(zhì)?！裟举|(zhì)素主要位于纖維素纖維之間，它的作用是抵抗壓力。概念：細胞外基質(zhì)（extracellularmatrix，ECM）是指分部于細胞外空間，由成纖維細胞和部分特化細胞分泌的蛋白和多糖所構(gòu)成的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。4.2細胞外基質(zhì)(extracellularmatrix，ECM)

細胞外基質(zhì)的成分

4.2.1細胞外基質(zhì)的基本組成和功能基本組成分為三大類:生物細胞外結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)纖維水合基質(zhì)成份粘著分子動物細胞細胞外基質(zhì)膠原蛋白聚糖纖粘連蛋白

彈性蛋白

層粘連蛋白植物細胞細胞壁纖維素

半纖維素

果膠和伸展蛋白--●蛋白聚糖(proteoglycan)●結(jié)構(gòu)蛋白（膠原和彈性蛋白）●粘著蛋白(adhesiveproteins)動物細胞的細胞外基質(zhì)與植物細胞壁的主要組成●對細胞的形態(tài)和細胞活性的維持起重要作用；●幫助某些細胞完成特有的功能,如肝細胞合成蛋白質(zhì)；●同一些生長因子和激素結(jié)合進行信號傳導；●此外，某些特殊的細胞外基質(zhì)也是細胞分化所必需的。胚胎發(fā)育的最后階段-形態(tài)建成(morphogenesis)也需要某些細胞外基質(zhì)的成份?！黾毎饣|(zhì)的主要功能骨細胞、軟骨組織和結(jié)締組織細胞外基質(zhì)的掃描電鏡照片左：骨細胞；中：軟骨組織；右：結(jié)締組織4.2.2蛋白聚糖(proteoglycan，PG)與透明質(zhì)酸■蛋白聚糖的結(jié)構(gòu)：蛋白聚糖的主要成份是糖胺聚糖。糖胺聚糖:糖胺聚糖是由重復二糖單位構(gòu)成的無分支長鏈多糖。糖胺聚糖中常見的重復二糖單位

D-葡萄糖醛酸N-乙酰半乳糖按-4硫酸D-葡萄糖醛酸N-乙酰葡糖胺蛋白聚糖:由糖胺聚糖(glycosaminoglycans，GAG)以共價的形式同線性多肽連接而成的多糖和蛋白復合物。

左，蛋白聚糖；中，蛋白聚糖多聚體；右，糖氨聚糖二糖單位蛋白聚糖的結(jié)構(gòu)透明質(zhì)酸(hyaluronate)：

惟一的既能參與蛋白聚糖的形成，也能游離存在的糖胺聚糖。

透明質(zhì)酸在軟骨組織細胞外基質(zhì)的蛋白聚糖中的作用透明質(zhì)酸-蛋白聚糖與膠原纖維連接在細胞外基質(zhì)中形成纖維網(wǎng)絡●透明質(zhì)酸是增殖細胞和遷移細胞的胞外基質(zhì)主要成分,也是蛋白聚糖的主要結(jié)構(gòu)組分?！裢该髻|(zhì)酸使細胞保持彼此分離,使細胞易于運動遷移和增殖并阻止細胞分化?！裢该髻|(zhì)酸在結(jié)締組織中起強化、彈性和潤滑及

抗壓作用。透明質(zhì)酸(hyaluronicacid)及其生物學功能：蛋白聚糖及分布類型核心蛋白相對分子質(zhì)量分布硫酸軟骨素200,000～300,000(在軟骨中)

45,000(在骨中)

45,000和500,000(在皮膚中)軟骨，骨，皮膚，基膜中少量硫酸角質(zhì)素45,000骨，角膜

硫酸皮膚素40,000～50,000腱，原纖維結(jié)締組織，

皮膚和角膜中少量硫酸乙酰肝素30,000～200,000基膜，角膜，神經(jīng)組織透明質(zhì)酸-蛋白聚糖復合物十萬到百萬軟骨，骨(少量)，腱，主動脈，平滑肌●膠原：是細胞外基質(zhì)中最重要的水不溶性纖維蛋白?！窠Y(jié)構(gòu):膠原蛋白的基本結(jié)構(gòu)單位是原膠原(tropocollagen)，原膠原肽鏈的一級結(jié)構(gòu)具有(Gly-x-y)n重復序列。原膠原是由三條α-肽鏈組成的纖維狀蛋白質(zhì)，相互擰成三股螺旋狀構(gòu)型。膠原（collagen）4.2.3膠原和彈性蛋白電鏡照片所示的是雞胚胎結(jié)締組織的膠原纖維;圖解是膠原的分子結(jié)構(gòu)?！衲z原的類型膠原的類型、結(jié)構(gòu)和分布類型亞單位結(jié)構(gòu)分布Ⅰα1(Ⅰ)，α2(Ⅰ)纖維狀皮膚、腱、骨等Ⅱα1(Ⅱ)纖維狀

軟骨、玻璃體液Ⅲα1(Ⅲ)纖維狀皮膚、肌肉等Ⅳα1(Ⅳ)，α2(Ⅳ)非纖維狀所有的基膜Ⅴα1(Ⅴ)，α2(Ⅴ)，α3(Ⅴ)纖維狀大多數(shù)間隙組織Ⅵα1(Ⅵ)，α2(Ⅵ)，α3(Ⅵ)纖維狀大多數(shù)間隙組織Ⅶα1(Ⅶ)非纖維狀錨定原纖維Ⅷα1(Ⅷ)?某些內(nèi)皮細胞Ⅹα1(Ⅹ)?肥大和鹽質(zhì)軟骨Ⅸα1(Ⅸ)，α2(Ⅸ)，α2(Ⅸ)?軟骨XIα1(XI)，α2(XI)，α3(XI)纖維狀肥大和鹽質(zhì)軟骨XIIα1(XII)?皮膚、腱XIIIα1(XIII)?表皮，基膜

XIVα1(XIV)?胎兒皮膚和腱脊椎動物中膠原的合成、裝配與分泌■脊椎動物膠原的合成與裝配

膠原裝配的主要步驟

膠原分子在ER和高爾基體中的修飾作用膠原纖維的分子間和分子內(nèi)交聯(lián)●為細胞外基質(zhì)提供了一個水不溶性的框架，決定細胞外基質(zhì)的機械性質(zhì)。某一特定組織的性能通常與膠原分子的三維結(jié)構(gòu)有關?！瞿z原的功能●如果編碼膠原的基因發(fā)生突變，將導致膠原病。●另外膠原具有促進細胞生長的作用。

●膠原是骨、腱和皮膚組織中的主要蛋白，這些組織的細胞外基質(zhì)不僅膠原含量高，而且剛性及抗張力大。彈性蛋白：是彈性纖維(elasticfibers)的主要成分。彈性纖維主要存在于韌帶和脈管壁，賦予組織以彈性和抗張能力。

彈性纖維曲伸模型

■彈性蛋白(elastin)4.2.4細胞外基質(zhì)中的黏著蛋白纖粘連蛋白的結(jié)構(gòu)■纖維黏連蛋白(fibronectin，F(xiàn)N)：以可溶形式存在于血漿和體液中；以不溶形式作為細胞外基質(zhì)成分。●介導細胞粘著（RGD序列），進而調(diào)節(jié)細胞的形狀

和細胞骨架的組織，促進細胞鋪展；細胞外基質(zhì)的

組織者?！裨谂咛グl(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；也能阻止癌細胞的擴散?！裨谘龎K形成中，纖連蛋白促進血小板附著于血管

受損部位。

FN的主要功能：層粘連蛋白是高分子糖蛋白（820KD）,動物胚胎及成體組織的基膜的主要結(jié)構(gòu)組分之一；層粘連蛋白的結(jié)構(gòu)由一條重鏈和兩條輕鏈構(gòu)成:●細胞通過層粘連蛋白錨定于基膜上；●層粘連蛋白中至少存在兩個不同的受體結(jié)合部位：

與Ⅳ型膠原的結(jié)合部位；

與肝素、細胞表面結(jié)合的結(jié)構(gòu)域。層黏連蛋白（laminin，LN）■層黏連蛋白(laminin，LN)

層粘連蛋白的結(jié)構(gòu)

●LN的主要功能就是作為基膜的主要結(jié)構(gòu)成分對基膜的組裝起關鍵作用，在細胞表面形成網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)并將細胞固定在基膜上?！?/p>

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(jīng)軸的生長，并促進成年動物的神經(jīng)損傷后重生長和再生。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。LN的功能4.2.5細胞外基質(zhì)與細胞的相互關系■基膜(basallamina，basementmembrane)

●形成基膜的組織和細胞:

①肌細胞和脂肪細胞的表面;②上皮組織基底面的下方，如皮膚上皮的下表面，將上皮細胞與結(jié)締組織分開;③血管內(nèi)皮細胞的下表面。●結(jié)構(gòu):

基膜是由不同的蛋白纖維組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，LN不僅是基膜的主要成分，也是基膜的組織者，而Ⅳ型膠原則是基膜的網(wǎng)狀鋼架?！窆δ?

基膜不僅對組織結(jié)構(gòu)起支持作用，同時也是滲透性的障礙，調(diào)節(jié)分子和細胞的運動。（腎細胞）基膜的分子結(jié)構(gòu)模型

上皮組織的細胞外基質(zhì)整聯(lián)蛋白屬整合蛋白家族，是細胞外基質(zhì)受體蛋白。●結(jié)構(gòu)跨膜的異質(zhì)二聚體，它由兩個非共價結(jié)合的跨膜亞

基，即α(18個)和β亞基(8個)所組成?！稣?lián)蛋白(integrin)1.作為跨膜接頭將細胞外基質(zhì)同細胞內(nèi)的骨架網(wǎng)絡連成一個整體;■功能2.同時將細胞外信號向細胞內(nèi)傳遞的作用。4.3細胞識別與粘著■識別反應結(jié)果:內(nèi)吞、細胞黏著和信號反應。4.3.1細胞識別及識別反應■細胞識別(cellrecognition)：指細胞對同種或異種細胞、同源或異源細胞以及對自己和異己物質(zhì)分子的認識和鑒別。■細胞黏著方式34

凝集素在細胞黏著中的作用

■細胞黏著分子的結(jié)構(gòu)和類型概念：細胞粘附分子（celladhesionmolecule，CAM）是參與細胞與細胞之間及細胞與細胞外基質(zhì)之間相互作用的分子。4.3.2細胞黏著(celladhesion)的機制類型：根據(jù)細胞粘著分子的作用方式可分為三個家族①免疫球蛋白超家族(immunoglobulinssuperfamily，IgSF),如V-CAM,Ng-CAM②鈣粘著蛋白家族,如E-鈣黏著蛋白；③選擇蛋白(selectins)家族等。②③兩種家族的細胞粘著分子是鈣依賴性的，而免疫球蛋白超家族則主要是是非鈣依賴性的。①胞外區(qū)；②跨膜區(qū)；③胞質(zhì)區(qū)。

三、免疫球蛋白超家族免疫球蛋白超家族（Ig-superfamily，Ig-SF）包括分子結(jié)構(gòu)中含有免疫球蛋白（Ig）樣結(jié)構(gòu)域的所有分子，一般不依賴于Ca2＋。免疫球蛋白樣結(jié)構(gòu)域系指借二硫鍵維系的兩組反向平行β折疊結(jié)構(gòu)（圖11-19）。①免疫球蛋白超家族：存在于淋巴細胞的表面（Immunoglobulin-superfamily，Ig-SF)●有70-110個氨基酸組成的緊密折疊的結(jié)構(gòu)；●介導同嗜性的細胞黏著為非鈣依賴性；介導異嗜細胞

黏著為鈣依賴性的。鈣粘素的作用主要有以下幾個方面：1．介導細胞連接，在成年脊椎動物，E-鈣粘素是保持上皮細胞相互粘合的主要CAM，是粘合帶的主要構(gòu)成成分。橋粒中的鈣粘素就是desmoglein及desmocollin。2．參與細胞分化，鈣粘素對于胚胎細胞的早期分化及成體組織（尤其是上皮及神經(jīng)組織）的構(gòu)筑有重要作用。在發(fā)育過程中通過調(diào)控鈣粘素表達的種類與數(shù)量可決定胚胎細胞間的相互作用（粘合、分離、遷移、再粘合），從而通過細胞的微環(huán)境，影響細胞的分化，參與器官形成過程。3．抑制細胞遷移，很多種癌組織中細胞表面的E鈣粘素減少或消失，以致癌細胞易從瘤塊脫落，成為侵襲與轉(zhuǎn)移的前提。因而有人將E鈣粘素視為轉(zhuǎn)移抑制分子。一、鈣粘素鈣粘素（cadherin）屬親同性CAM，其作用依賴于Ca2＋。至今已鑒定出30種以上鈣粘素（表10-2），分布于不同的組織。②鈣黏著蛋白又稱鈣粘素（cadherin）：屬親同性CAM，其作用依賴于Ca2＋。E-鈣黏著蛋白(epidermalcell：表皮細胞)N-鈣黏著蛋白(neuralcell：神經(jīng)細胞)P-鈣黏著蛋白(placentacell：胎盤)鈣黏著蛋白的類型鈣黏著蛋白的作用：1．介導細胞連接2．參與細胞分化3．抑制細胞遷移選擇素（selectin）屬親異性CAM，其作用依賴于Ca2＋,主要參與白細胞與脈管內(nèi)皮細胞之間的識別與黏合。已知選擇素有三種：①E-選擇素（endothelial內(nèi)皮細胞）②P-選擇素(platelet血小板)③L-選擇素（leukocytes粒性白細胞)

③選擇蛋白（選擇素）5.4細胞連接(celljunction)細胞的組織結(jié)構(gòu)及相互作用■概念:描述性:指細胞表面的特化結(jié)構(gòu)（或特化區(qū)域），兩個細胞通過這種結(jié)構(gòu)連接起來。功能性:將同類細胞連接成組織，并同相鄰組織的細胞保持相對穩(wěn)定。4.4.1細胞連接的概念和類型■類型:動物細胞有三種類型的連接∶緊密連接(tightjunction):封閉斑塊連接(plaque-bearingjunction)：黏著通訊連接(communicatingjunction)：通訊動物細胞中主要幾種類型的細胞連接

4.4.2緊密連接(tightjunction)■緊密連接的結(jié)構(gòu)●存在部位:緊密連接通常位于上皮頂端兩相鄰細胞間●結(jié)構(gòu)：蛋白縫合

肌組織毛細管的細胞間的緊密連接，箭頭所指是兩細胞質(zhì)膜的融合處緊密連接的模式結(jié)構(gòu)■緊密連接的功能3.并限制了膜蛋白在脂分子層的流動，維持細胞的極性，有利于物質(zhì)的跨細胞轉(zhuǎn)運。

1.連接細胞;2.防止物質(zhì)雙向滲漏;緊密連接在葡萄糖跨細胞轉(zhuǎn)運中的作用4.4.3斑塊連接(plaque-bearingjunction)

又稱為錨定連接■類型：●粘著連接(adherensjunctions，zonulaadherens)：分為黏著帶和黏著斑?！駱蛄＃悍譃闃蛄：桶霕蛄！黾毎|(zhì)斑：位于細胞質(zhì)膜內(nèi)表面的蛋白斑，作為連接點，對外連接跨膜蛋白，對內(nèi)連接細胞骨架蛋白。

黏著帶連接的結(jié)構(gòu)●黏著帶(adhesionbelt)位置：位于上皮細胞緊密連接的下方；兩細胞間間隔20-30nm；連接方式：靠鈣粘著蛋白同肌動蛋白相互作用，將兩個細胞連接起來。

細胞質(zhì)斑蛋白：β-連環(huán)蛋白、α-連環(huán)蛋白等●黏著斑(adhesionplaque，focaladhesion)黏著斑是細胞與細胞外基質(zhì)進行連接粘著斑連接位置：位于上皮細胞基底膜側(cè)；連接方式：靠整聯(lián)蛋白同細胞外基質(zhì)中纖黏連蛋白相互作用，

將細胞與細胞外基質(zhì)連接起來。

細胞質(zhì)斑蛋白：特殊的踝蛋白

黏著帶與黏著斑連接有什么不同?

主要差別是:黏著帶是細胞與細胞間的黏著連接，而黏著斑是細胞與細胞外基質(zhì)相連。除了這一根本區(qū)別之外，還有其他一些不同:①參與黏著帶連接的膜整合蛋白是鈣黏著蛋白，而參與粘著斑連接的是整聯(lián)蛋白，即細胞外基質(zhì)受體蛋白;②黏著帶連接實際上是兩個相鄰細胞膜上的鈣黏著蛋白與鈣黏著蛋白的連接，而黏著斑連接是整聯(lián)蛋白與細胞外基質(zhì)中的黏連蛋白的連接，因整聯(lián)蛋白是纖黏連蛋白的受體，所以黏著斑連接是通過受體與配體的結(jié)合;③黏著斑連接中，細胞質(zhì)斑含有踝蛋白(talin)，這種蛋白在其它的細胞質(zhì)斑中是不存在的。位置：主要存在于上皮組織，如皮膚和腸組織；概念：細胞通過鈣黏著蛋白或整聯(lián)蛋白錨定到中間

纖維上的連接方式；類型：橋粒和半橋粒(hemidesmosomes)?！鰳蛄?desmosomes)概念：細胞通過鈣黏著蛋白錨定到中間纖維上的連接方式；鈣黏著蛋白：橋粒芯蛋白、橋粒芯膠黏蛋白細胞質(zhì)斑蛋白：橋粒斑蛋白細胞骨架蛋白：中間纖維■橋粒(desmosomes)橋粒連接的電子顯微鏡照片圖中所示是兩個皮膚細胞橋粒連接

橋粒連接的分子結(jié)構(gòu)特點：整聯(lián)蛋白的細胞外結(jié)構(gòu)域與細胞外基質(zhì)相連，形態(tài)上類似半個橋粒，這種連接稱為半