细胞外基质

华中科技大学基础医学院涂知明细胞生物学第十四章细胞外基质第一节细胞外基质的主要组分1.氨基聚糖和蛋白聚糖2.结构蛋白（胶原与弹性蛋白）3.非胶原性黏合蛋白（黏性蛋白）第二节基膜与整联蛋白第三节细胞外基质的生物学作用第一节细胞外基质的主要组分一、细胞外基质定义：分布于细胞外空间，细胞分泌的由蛋白质和多糖构成的高度水合性纤维网络凝胶结构。来源：成纤维细胞（主）特化组织细胞功能：对细胞支持、连接、保护、营养；与细胞各种生命活动有关；与组织细胞病理过程有关；创伤修复、纤维化、细胞恶变、侵润、转移含量种类差别大、决定组织物理性状适合其功能上皮组织肌组织脑、脊髓、肝含量少：含量多：结缔组织平滑肌神经组织骨组织二、细胞外基质的组成成分1.氨基聚糖和蛋白聚糖——凝胶样基质2.胶原和弹性蛋白——结构蛋白，纤维网架3.非胶原糖蛋白——黏着蛋白（纤黏连蛋白和层黏连蛋白）细胞外基质上皮细胞基底膜巨噬细胞成纤维细胞蛋白多糖胶原纤维弹性纤维肥大细胞结缔组织中的细胞外基质1.氨基聚糖和蛋白聚糖氨基聚糖（glycosaminoglycan,GAG）重复的二糖单位构成的直链多糖。二糖单位氨基己糖(N-氨基葡萄糖/氨基半乳糖)糖醛酸(葡萄糖醛酸/艾杜糖醛酸)化学组成：重复二糖单位构成的直链多糖,多数糖基硫酸化并带有羧基，呈强负电性。艾杜糖醛酸N-乙酰半乳糖-4-硫酸硫酸皮肤素二糖重复单位1.1六类7种(据糖基连接方式、硫酸化位置分类)：透明质酸（HA）硫酸软骨素（CS）(4-硫酸软骨素;6-硫酸软骨素)硫酸皮肤素（DS）硫酸角质素（KS）硫酸乙酰肝素（HS）肝素（heparin）二糖单位：N-乙酰氨基葡萄糖葡萄糖醛酸5000－10000个二糖重复单位1.2透明质酸（hyaluronicacid,HA）-1,3连接组成N-乙酰氨基葡萄糖葡萄糖醛酸透明质酸（hyaluronicacid,HA）结构：最简单,相对分子量最大；不发生硫酸化；含有大量亲水基团、负电荷；在细胞外基质蛋白聚糖组分的所有七种氨基聚糖中，只有透明质酸是以非共价键形式和蛋白质进行结合。透明质酸（hyaluronicacid，HA）形态：呈无规则卷曲状降解：透明质酸酶功能：赋予组织弹性、抗压性促进细胞迁移、增殖创伤修复愈合1.3蛋白聚糖(proteoglycan,PG）1.3.1组成结构：氨基聚糖核心蛋白共价结合一条核心蛋白可结合100条以上相同或不同的氨基聚糖蛋白聚糖单体蛋白聚糖单体蛋白聚糖单体连接蛋白透明质酸蛋白聚糖多聚体非共价氨基聚糖核心蛋白透明质酸分子筛形成巨大多聚体异质性高分类困难蛋白聚糖多聚体1.3.2蛋白聚糖的合成核心蛋白在RER核糖体上合成，高尔基体内装配直链多糖（GAG）。硫酸化、异构化修饰。核心蛋白Ser－连接四糖－糖基转移酶合成糖链1.3.3氨基聚糖和蛋白聚糖功能：构成水合凝胶样基质使组织具有弹性和抗压性对物质转运有选择渗透性传递信息/抗凝血功能角膜中的PG有透光性组织老化有。2胶原与弹性蛋白（结构蛋白）2.1胶原（collagen）•体内含量最多的蛋白(25%)。•高度特化、不溶性的纤维蛋白家族。•分布于各种组织细胞间。•不同组织中胶原的含量差别很大。•成纤维细胞、成骨细胞、软骨细胞合成分泌。胶原在不同组织中的含量/组织胶原的含量（克100克干重）脱钙骨88.0跟腱86.0皮肤71.9角膜68.1软骨46~63韧带17.0主动脉12~24肺10肝4胶原纤维束2.1.1胶原分子（collagenmolecule）的结构三条-螺旋肽链组成的3股螺旋结构。L:300nm,Φ:1.5nm,每条约1000AA。Gly:1/3(选择性糖基化)（甘氨酸）Pro(Hypro)（羟脯氨酸）Lys(Hylys)（羟赖氨酸）三肽重复序列：Gly-X-YX=Pro、Y=Hypro或(Hylys)α链及胶原分子（collagenmolecule）羟化和糖基化稳定的3-螺旋结构胶原分子弹性纤维2.1.2胶原原纤维（collagenfibril）不同的胶原分子首尾相隔35nm,相邻分子相错1/4长度阶梯式有序排列，侧向间共价结合，彼此交联聚合形成直径不同（10~300nm）、长短不等（150~数百μm)的细纤维束。胶原原纤维（collagenfibril）胶原的分子结构胶原的分子间和分子内交联胶原原纤维胶原纤维束赖氨酸残基横联共价结合2.1.3胶原纤维AssemblyofcollagenfibersbeginsintheERandiscompletedoutsidethecellAbnormalitiesincollagenscancauseseriousdisorders.2.1.4胶原的类型I型:皮肤、肌腱、韧带、骨中II型：软骨III型:血管壁、疏松结缔组织中IV型：基底膜有25种不同的链，每种链由一种基因编码。每型胶原由3条相同或不同的链构成。根据胶原的结构和功能可将其分为7类：•①纤维性胶原（fibrilformingcollagen）•这是最经典的胶原，如Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ和Ⅺ型胶原。其肽链长达1000个氨基酸，是结缔组织中含量最丰富的胶原。•②网状胶原（networkformingcollagen）•如Ⅳ、Ⅷ和Ⅹ型胶原，主要分布于基底膜中。•③微丝状胶原（microfilamentformingcollagen）•④锚丝状胶原（collagenofanchoringfilament）•Ⅶ型胶原属此组，其肽链三螺旋长达1530个氨基酸，中间穿插许多非胶原序列。这一纤维的两个氨基端肽连接到基底膜的某种分子上起锚定作用，故名锚丝状胶原。•⑤三螺旋区不连续的纤维相关性胶原（fibrilassociatedcollagenswithinterruptedtriplehelices；FACIT）这一组包括Ⅸ、Ⅻ、ⅩⅣ、ⅩⅥ及ⅩⅨ型胶原，而且其数目还不断增加。•⑥跨膜性胶原（transmembranecollagen）•如ⅩⅦ型胶原，它有一个细胞内非胶原区，一个跨膜区和细胞外胶原尾巴。这种胶原主要由皮肤基底角化细胞产生，在肝脏中未发现。•⑦尚未分类的胶原•包括ⅩⅢ，ⅩⅤ和ⅩⅧ型胶原。ⅩⅢ型胶原主要分布于皮肤附属器、骨、软骨、横纹肌及肠道黏膜，但不见于肝脏。2.1.5胶原的合成装配与降解•来源：成纤维细胞、软骨细胞、成骨细胞、上皮细胞等•合成：细胞内（细胞核-内质网-高尔基体-分泌小泡）•装配：细胞外•降解：细胞外•链基因细胞核hnRNAmRNA。•糙面内质网-核糖体前体肽链•内质网腔：切去信号肽前体链两端有前肽前链•内质网/高尔基体内：羟基化、糖基化、三股螺旋C端前肽以二硫键连接形成前胶原分子。•细胞外基质：切去前肽原胶原分子自我装配胶原原纤维胶原纤维胶原的合成切去信号肽、N端和C端有前肽(前-链)。高尔基体羟基化、糖基化形成二硫键，以氢键连接形成三股螺旋的前胶原。前胶原合成后分泌进入细胞间隙中切去前肽，形成直径1.5nm、长300nm的原胶原分子前肽的功能：诱导装配，分泌前防止交联成胶原原纤维胶原的形成原胶原分子胶原原纤维胶原纤维2.1.6胶原的功能•皮下结缔组织中，胶原成柳条状有多向抗张性。•肌腱中沿应力主轴平行成束排列，具韧性、抗张性。•Ⅲ型胶原组成纤维网络，包围于骨骼肌和平滑肌细胞周围。•Ⅳ型胶原构成各种上皮细胞基膜的网架结构。•在成熟的骨骼、角膜和横膈肌腱中，形成有序的胶合板样结构。•胶原经细胞表面受体介导与细胞骨架相互作用。2.1.7胶原的发生与疾病遗传性胶原病：胶原的表达或装配异常，如成骨发育不全综合症。病理性纤维化：胶原表达过度，分配比例失调，如肝硬化。免疫性胶原病：类风湿性关节炎、肾炎。胶原纤维形成异常：坏血病。为什么几百年前，远航的船员大多会因为大出血而丧命？问题：弹性蛋白：非糖基化疏水纤维蛋白，富含甘氨酸、脯氨酸，很少羟化。肽链830个氨基酸，无Gly-X-Y重复序列。呈无规则卷曲状态，相互交联形成细胞外基质中的弹性网络。具高度弹性及回缩力。维持皮肤弹性。2.2弹性蛋白（elastin）弹性蛋白结构疏水性短肽交联短肽(富含Lys)弹性蛋白纤维伸长回缩构象：•无规则卷曲状态•相互交联弹性疏松网络弹性蛋白微原纤维壳（糖蛋白）弹性纤维3.非胶原性黏合蛋白细胞外基质中一类多功能大分子。发现数十种。共同特点：既可以与细胞结合又可以与细胞外基质中其他大分子结合，使细胞与细胞外基质黏着，是细胞外基质的组织者。纤黏连蛋白层黏连蛋白主要包括：3.1纤黏连蛋白(fibronectin,FN)高分子量糖蛋白，含糖4.5%~9.5%。亚单位约2500个氨基酸，羧基末端二硫键形成二聚体，呈V字型。血浆FN（二聚体）细胞FN（多聚体）纤黏连蛋白(fibronectin,FN)肝素细胞胶原纤维蛋白肌动蛋白RGD三肽序列Arg-Gly-Asp(精aa-甘aa-天冬aa)纤黏连蛋白的功能1.血浆纤黏连蛋白参与血凝、创伤愈合，增强吞噬细胞的功能。2.介导细胞与细胞外基质之间黏着。3.维持细胞形态，调控增殖、迁移、分化等。3.2层黏连蛋白(laminin,LN)基底膜主要结构成分，高分子糖蛋白(820kD)。α(重链)β(轻链)γ(轻链)不对称十字形层黏连蛋白(laminin,LN)α链β链γ链短臂球区细胞表面受体结合部位Ⅳ型胶原结合部位神经轴突表面受体结合部位硫酸肝素结合部位1.基底膜主要成分。2.RGD三肽序列黏附细胞。3.调节细胞黏附、迁移、增殖分化。层黏连蛋白功能Basallaminea第二节基膜与整联蛋白•1.基膜是多种组织中细胞外基质的特化结构和存在形式。•1.1.基膜是细胞外基质特化而成的一种柔软而坚韧的网膜结构。•基膜（basementmembrane），又称“基板”，是细胞外基质特化而成的一种柔软、坚韧的网膜结构，其厚度约为40～120nm，以不同的形式存在于不同的组织结构之中。1.2基膜主要由五种普遍存在的蛋白成分所构成•1.Ⅳ型胶原•是构成基膜的主要结构成分之一。•2.层黏连蛋白•层黏连蛋白是在胚胎发育过程中最早合成的基膜成分。层黏连蛋白以其特有的非对称型十字结构，相互之间通过长、短臂臂端的相连，装配成二维纤维网络结构。•3.内联蛋白（endonexin）•内联蛋白分子呈哑铃状，在基膜的组装中具有非常重要的作用，它不仅形成Ⅳ型胶原纤维网络与层黏连蛋白纤维网络之间的连桥，而且还可协助细胞外基质中其他成分的结合。•4.渗滤素（perlecan）•渗滤素是一种大的硫酸类肝素蛋白聚糖分子，它可与许多细胞外基质成分和细胞表面分子交联结合。•5.核心蛋白多糖（Decorin）•核心蛋白多糖（Decorin）是一种主要存在于结缔组织中与胶原纤维相关的蛋白多糖，有多种生物活性，调节和控制组织形态发生、细胞分化、运动、增殖及胶原纤维形成等过程。2.整联蛋白•2.1整联蛋白是作为绝大多数细胞外基质组分受体的穿膜糖蛋白。•对外以受体-配体的结合形式，充当着联系细胞与细胞外基质整体结构的媒介，对内则与细胞表面膜下胞质溶胶中细胞骨架相连接，成为连通细胞外基质与细胞内骨架结构系统的桥梁。•2.2整联蛋白是由α和β两个肽链亚单位组成的异源二聚体蛋白分子。•目前已经发现，在人体细胞中组成整联蛋白的α亚单位约有16种，β亚单位约有9种，它们可以组合形成20多种不同的异二聚体，分别与不同类型的相应受体结合，介导细胞与细胞外基质、细胞与细胞之间的相互作用和功能结构联系。膜整联蛋白(integrin)：跨膜糖蛋白，外连细胞外基质或细胞，胞内连细胞骨架。配体：FN、LN、胶原等。结构：α亚基β亚基第三节细胞外基质的生物学作用•细胞外基质与细胞之间存在着十分密切的关系和极其复杂的相互作用。细胞外基质不只具有连接、支持、保水、抗压及保护等物理学作用，而且对细胞的基本生命活动发挥全方位的生物学作用。1.细胞外基质对细胞的生物学行为具有重要影响•1.1细胞外基质影响细胞的生存与死亡•1.2细胞外基质决定细胞的形态•1.3细胞外基质参与细胞增殖的调节•1.4细