醫(yī)學(xué)教程 細(xì)胞外基質(zhì)

第九章細(xì)胞外基質(zhì)云南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院2003.9-2010.9李蓮軍博士

細(xì)胞外基質(zhì)(extracellularmatrix，ECM)指分布于細(xì)胞外空間，由細(xì)胞分泌的蛋白和多糖所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。細(xì)胞外基質(zhì)的組分及組裝形式由所產(chǎn)生的細(xì)胞決定，并與組織的特殊功能需要相適應(yīng)。

ECM靜態(tài)地發(fā)揮支持、連接、保水、保護(hù)等作用，為細(xì)胞的生存及活動提供適宜的場所，并通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)全方位地影響細(xì)胞的形態(tài)、代謝、功能、遷移、增殖和分化。細(xì)胞外基質(zhì)第一節(jié)細(xì)胞外基質(zhì)的組成膠原蛋白彈性蛋白黏合糖蛋白糖胺聚糖與蛋白聚糖細(xì)胞外基質(zhì)組成細(xì)胞外基質(zhì)主要由凝膠基質(zhì)(多糖)和纖維網(wǎng)架(纖維蛋白)構(gòu)成。細(xì)胞外基質(zhì)多糖：糖胺聚糖、蛋白聚糖纖維蛋白

結(jié)構(gòu)蛋白：膠原蛋白、彈性蛋白粘合蛋白：纖粘蛋白、層粘蛋白

粘合糖蛋白既可與細(xì)胞結(jié)合，又可與細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)合。對細(xì)胞的存活、形態(tài)、粘著、鋪展、遷移、增殖、分化有直接影響。已發(fā)現(xiàn)數(shù)十種，其中纖粘連蛋白和層粘連蛋白研究最為深入。一、膠原(collagen)

膠原是動物體內(nèi)含量最豐富的蛋白質(zhì)，它遍布于體內(nèi)各種器官和組織，是細(xì)胞外基質(zhì)中最主要的水不溶性纖維蛋白，其中Ⅰ～Ⅲ型膠原含量最豐富。膠原由成纖維細(xì)胞、軟骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞及某些上皮細(xì)胞合成并分泌到細(xì)胞外，參與形成結(jié)締組織(如骨、韌帶、基膜、真皮)。胚胎及胎兒的膠原因缺乏分子間的交聯(lián)而易于提取。隨年齡增長，交聯(lián)日益增多，組織僵硬老化。目前已發(fā)現(xiàn)的膠原至少有19種，由不同的結(jié)構(gòu)基因編碼，具有不同的化學(xué)結(jié)構(gòu)及免疫學(xué)特性。

I、II、III、V、XI型膠原為有橫紋的纖維形結(jié)構(gòu)。1.膠原的類型常見的膠原類型Ⅰ型膠原纖維束,主要分布于皮膚、肌腱、韌帶及骨中，具有很強(qiáng)的抗張力;Ⅱ型膠原主要存在于軟骨中;Ⅲ型膠原形成微細(xì)的原纖維網(wǎng)、廣泛分布于有伸展性的組織，如疏松結(jié)締組織;Ⅳ型膠原形成二維網(wǎng)格狀,是基膜的主要成分及支架。

膠原都由原膠原交聯(lián)而成，原膠原由三條α肽鏈形成三股螺旋，分為螺旋區(qū)，非螺旋區(qū)及球形結(jié)構(gòu)域。2.膠原分子(原膠原)的結(jié)構(gòu)

α肽鏈由重復(fù)的Gly-X-Y序列構(gòu)成，通常X為Pro，y為Hypro

(羥脯胺酸)orHylys

(羥賴氨酸)）。

Gly-X-Y序列使α鏈呈左手螺旋。三股鏈再繞成右手超螺旋。原膠原分子間通過側(cè)向共價交聯(lián)，相互呈階梯式有序排列，聚合成直徑50~200nm、長150nm至數(shù)微米的原纖維，在電鏡下可見間隔67nm的橫紋。膠原原纖維中的交聯(lián)鍵是由側(cè)向相鄰的賴氨酸或羥賴氨酸殘基氧化后所產(chǎn)生的兩個醛基縮合而形成的。I型膠原的結(jié)構(gòu)原膠原間共價交聯(lián)，呈階梯狀排列，形成膠原纖維，在電鏡下可見間隔67nm的橫紋。（左模式圖，右電鏡照片）

3.I型膠原的合成與加工

前體

肽鏈在粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成，并形成前原膠原

(preprocollagen)，前原膠原在粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成、加工與組裝，經(jīng)高爾基體繼續(xù)加工和組裝后分泌到細(xì)胞外。前原膠原在細(xì)胞外由兩種蛋白水解酶分別切去N-末端及C-末端前肽，成為原膠原(procollagen)。原膠原進(jìn)而聚合裝配成膠原原纖維(collagenfibril)和膠原纖維(collagenfiber)。Synthesis--fibroblasts膠原的合成與加工4.膠原的功能

膠原構(gòu)成細(xì)胞外基質(zhì)中的骨架結(jié)構(gòu),其它組分則通過與膠原結(jié)合形成結(jié)構(gòu)與功能的復(fù)合體；

在不同組織中，膠原組裝成不同形式的纖維,以適應(yīng)特定功能的需要；

膠原可被膠原酶特異降解，而參入胞外基質(zhì)信號傳遞的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中。

二、彈性蛋白(elastin)彈性蛋白由二種類型短肽段交替排列構(gòu)成。一種是疏水短肽，賦予分子以彈性；另一種短肽為富含丙氨酸及賴氨酸殘基的α螺旋，負(fù)責(zé)在相鄰分子間形成交聯(lián)。

彈性蛋白也是富含甘氨酸和脯氨酸的蛋白質(zhì)。與膠原蛋白不同的是，其脯氨酸沒有羥基化，所以沒有羥脯(賴)氨酸的存在。彈性蛋白特性

彈性蛋白是彈性纖維的主要成分。

彈性纖維與膠原纖維共同存在,賦予組織以彈性及抗張性。

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(gòu)象呈無規(guī)則卷曲狀態(tài);

通過Lys殘基相互交連成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。Elastin--flexibility三、纖粘蛋白(fibronectin,FN)

FN是一種大型的糖蛋白，存在于所有脊椎動物，分子含糖4.5－9.5％，糖鏈結(jié)構(gòu)依組織細(xì)胞來源及分化狀態(tài)而異。

FN以可溶形式存在于血漿及各種體液中，總稱血漿FN

；以不溶形式存在于細(xì)胞外基質(zhì)及細(xì)胞表面，總稱細(xì)胞FN。

FN可將細(xì)胞連接到細(xì)胞外基質(zhì)上。

1.纖粘蛋白的結(jié)構(gòu)各種FN均由相似的肽鏈(~220KD)組成，每條肽鏈約含2450個氨基酸殘基，由三種類型(I,Ⅱ,Ⅲ型)的模塊重復(fù)排列構(gòu)成。每條肽鏈具有5－7個有特定功能的結(jié)構(gòu)域，由對蛋白酶敏感的肽段連接。有些結(jié)構(gòu)域能與其它ECM(如膠原、蛋白聚糖)結(jié)合，使細(xì)胞外基質(zhì)形成網(wǎng)絡(luò)；有些結(jié)構(gòu)域能與細(xì)胞表面的受體結(jié)合，使細(xì)胞附著于ECM上。肽鏈中的三肽序列RGD(Arg-Gly-Asp)

是細(xì)胞表面某些整合素受體識別與結(jié)合的部位。

血漿FN(450KD)是二聚體，由兩條相似的肽鏈C端借二硫鍵聯(lián)成V字形。主要由肝細(xì)胞分泌。

細(xì)胞FN是多聚體，分子間可通過二硫鍵相互交聯(lián)，組裝成纖維。已鑒定的FN亞單位20種以上。由同一基因編碼，轉(zhuǎn)錄后拼接不同，從而形成多種異型分子。

FN不自發(fā)組裝成纖維，通過細(xì)胞表面受體指導(dǎo)下進(jìn)行。2.纖粘連蛋白組裝3.纖粘蛋白的主要功能1.介導(dǎo)細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)的黏著2.與細(xì)胞的遷移有關(guān)3.與組織創(chuàng)傷的修復(fù)有關(guān)腫瘤細(xì)胞表面的FN纖維減少，因細(xì)胞表面的FN受體異常所致。四、層粘蛋白(laminin，LN)

LN也是一種大型的糖蛋白，與Ⅳ型膠原一起構(gòu)成基膜。

LN分子由一條重鏈(α)和二條輕鏈(β,γ)借二硫鍵交聯(lián)而成，外形呈十字形，三條短臂各由三條肽鏈的N端序列構(gòu)成。已知7種LN分子，8種亞單位(α1-3、β1-3、γ1-2)。與FN不同，這8種亞單位由不同基因編碼。

LN分子中至少存在8個與細(xì)胞結(jié)合的位點(diǎn)。

LN是含糖量很高(占15-28％)的糖蛋白，具有50條左右N-連接的糖鏈，是迄今所知糖鏈結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的糖蛋白。而且LN的多種受體是識別并結(jié)合其糖鏈結(jié)構(gòu)的。2.層粘蛋白的作用

層粘蛋白是動物基膜的主要結(jié)構(gòu)組分之一；

細(xì)胞通過層粘蛋白錨定于基膜上

與Ⅳ型膠原的結(jié)合部位； 與質(zhì)膜上整合素結(jié)合(Arg-Gly-Asp序列)；

層粘蛋白在胚胎發(fā)育及組織分化中具有重要作用；

層粘蛋白也與腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移有關(guān)。

基膜是上皮細(xì)胞下方一層特化的細(xì)胞外基質(zhì)，也存在于肌肉、脂肪和許旺細(xì)胞(schwanncell)周圍。它不僅起保護(hù)和過濾作用，還決定細(xì)胞的極性，影響細(xì)胞的代謝、存活、遷移、增殖和分化。3.基膜基膜中除LN和Ⅳ型膠原外，還有entactin(內(nèi)聯(lián)蛋白，也稱

nidogen)、perlecan(滲濾素)、decorin(裝飾蛋白)等多種蛋白，其中LN通過entactin

與Ⅳ型膠原結(jié)合?；さ慕Y(jié)構(gòu)五、糖胺聚糖與蛋白聚糖(一)糖胺聚糖

糖胺聚糖(glycosaminoglycan，GAG)是由重復(fù)二糖單位構(gòu)成的無分枝的長鏈多糖。其二糖單位通常由氨基已糖(氨基葡萄糖或氨基半乳糖)和糖醛酸(或半乳糖)組成。

GAG可分為四類六種，即：透明質(zhì)酸(HA)、硫酸軟骨素和硫酸皮膚素、硫酸乙酰肝素和肝素、硫酸角質(zhì)素。

除HA及肝素外，其他GAG均不游離存在。糖胺聚糖的分子特性及組織分布氨基聚糖二糖單位硫酸基分布組織透明質(zhì)酸葡萄糖醛酸，N-乙酰葡萄糖0結(jié)締組織、皮膚軟骨、玻璃體、滑液硫酸軟骨素葡萄糖醛酸，N-乙酰半乳糖0.2-2.3軟骨、角膜、骨皮膚、動脈硫酸皮膚素葡萄糖醛酸或艾杜糖醛酸，N-乙酰葡萄糖1.0-2.0皮膚、血管、心心瓣膜硫酸乙酰肝素葡萄糖醛酸或艾杜糖醛酸，N-乙酰葡萄糖0.2-3.0肺、動脈、細(xì)胞表面肝素葡萄糖醛酸或艾杜糖醛酸，N-乙酰葡萄糖2.0-3.0肺、肝、皮膚肥大細(xì)胞硫酸角質(zhì)素半乳糖，N-乙酰葡萄糖0.9-1.8軟骨、角膜、椎間盤glycosaminoglycans(GAGs)重復(fù)的二糖單位透明質(zhì)酸(Haluronicacid、HA)是唯一不硫酸化的GAG，含多達(dá)10萬個糖基，可結(jié)合大量水分子，賦予組織一定的抗壓性。

HA主要存在于結(jié)締組織、皮膚、關(guān)節(jié)液、軟骨及玻璃體液等處，構(gòu)成這些部位的組織基質(zhì)。

透明質(zhì)酸由膜蛋白透明質(zhì)酸合成酶合成。脊椎動物有三種透明質(zhì)酸合成酶(HAS1,HAS2,HAS3)。它們通過反復(fù)交替加入底物尿苷二磷酸-α-N-乙酰葡糖胺及尿苷二磷酸-α-D-葡萄糖醛酸而延長透明質(zhì)酸鏈，新產(chǎn)生的多糖透過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞外。透明質(zhì)酸透明質(zhì)酸是由二糖單位(葡糖醛酸-N-乙酰氨基葡糖)組成的直鏈高分子多糖?！敉该髻|(zhì)酸是增殖細(xì)胞和遷移細(xì)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?！敉该髻|(zhì)酸在結(jié)締組織中起強(qiáng)化、彈性和潤滑作用?！敉该髻|(zhì)酸使細(xì)胞保持彼此分離，使細(xì)胞易于運(yùn)動、遷移和增殖，并阻止細(xì)胞分化。透明質(zhì)酸的生物學(xué)功能(二)蛋白聚糖(proteoglycan)

蛋白聚糖是糖胺聚糖與核心蛋白質(zhì)(coreprotein)的共價結(jié)合物。

除透明質(zhì)酸外，所有糖胺聚糖均可與核心蛋白質(zhì)的Ser殘基共價結(jié)合形成更為復(fù)雜的復(fù)合物，稱蛋白聚糖(蛋白聚糖=糖胺聚糖+核心蛋白)。若干蛋白聚糖單體借連接蛋白以非共價鍵與透明質(zhì)酸結(jié)合形成更大的多聚體，稱聚集素。核心蛋白質(zhì)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，木糖－半乳糖－半乳糖－葡萄糖醛酸)連接到Ser殘基上，然后再延長糖鏈。蛋白聚糖見于所有結(jié)締組織和細(xì)胞外基質(zhì)及許多細(xì)胞表面。蛋白聚糖并不都是細(xì)胞外基質(zhì)成分，而是質(zhì)膜的整合成分。蛋白聚糖的顯著特點(diǎn)是多態(tài)性：不同的核心蛋白,不同的糖胺聚糖；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(xì)胞外的激素富集與儲存庫，可與多種生長因子結(jié)合，完成信號的傳導(dǎo)。蛋白聚糖的特性與功能第二節(jié)細(xì)胞外基質(zhì)的生物學(xué)作用由于細(xì)胞外基質(zhì)對細(xì)胞的形狀、結(jié)構(gòu)、功能、存活、增殖、分化、遷移等一切生命現(xiàn)象具有全面的影響，因而無論在胚胎發(fā)育的形態(tài)發(fā)生、器官形成過程中，或在維持成體結(jié)構(gòu)與功能完善（包括免疫應(yīng)答及創(chuàng)傷修復(fù)等）的一切生理活動中均具有不可忽視的重要作用。2、影響細(xì)胞的存活、生