细胞外基质作用机理.ppt
细胞外基质,EXTRACELLULAR MATRIX,ECM,本章内容提要,第一节 ECM的成分一、胶原二、纤粘连蛋白三、层粘连蛋白四、氨基聚糖及蛋白聚糖五、弹性蛋白第二节 ECM的生物学作用,机体的各种组织和器官都是由细胞核细胞外基质（ECM）共同组成的。ECM是指位于上皮或内皮细胞下层、结缔组织细胞周围，为组织、器官甚至整个机体的完整性提供力学支持和物理强度的物质。,什么是ECM？,骨细胞、软骨组织和结缔组织细胞外基质的扫描电镜照片左：骨细胞；中：软骨组织；右：结缔组织,ECM的成分及组装形式由所产生的细胞决定，并与组织的功能相适应。如：角膜、肌腱。不同组织的细胞分泌形成的ECM在特性上有显著的差异。能够分泌和形成ECM的主要细胞类群是成纤维细胞和少数其他特化组织的细胞。,ECM是细胞外大分子构成的高度的有组织的网络结构。影响细胞的存活、死亡、增殖和分化。包括：胶原collagen、非胶原糖蛋白non-collagen glycoprotein、氨基聚糖与蛋白聚糖proteoglycan、弹性蛋白elastin等。,结缔组织中含量较高。,主要成分：不溶性的各类纤维（胶原和弹性蛋白）+可溶性的多聚体蛋白分子（蛋白聚糖和糖蛋白）。,上皮组织的细胞外基质,第一节 ECM的成分,一、胶原Collagen,是人体最丰富的蛋白，占蛋白总量的30以上。ECM主要成分，属不溶性纤维蛋白质。功能：骨架结构，参与形成结缔组织，如骨、韧带、基膜、皮肤；参与信号传递。组成：由原胶原tropocollagen交联而成。类型：已知至少20种胶原，由不同的结构基因编码。I、II、III、V、XI型胶原为有横纹的纤维形结构。,各类胶原都有两个共同的特点都是由三条肽链组成；各类胶原蛋白的氨基酸组成完全不同，这在其他蛋白质中从未发现过。,分子结构：胶原纤维的基本结构单位是原胶原。其肽链的一级结构具有(Gly-x-y)n重复序列，其中x常为脯氨酸(Pro)，y常为羟脯氨酸(Hypro)或羟赖氨酸(Hylys)。原胶原是由三条-肽链组成的纤维状蛋白质，相互拧成三股螺旋状构型，长300nm，直径1.5nm。,原胶原间共价交联，呈阶梯状排列，形成胶原纤维，在电镜下可见间隔67nm的横纹。,新生儿的胶原交联程度低而易于抽提。老年人胶原交联程度高，组织僵硬老化。,电镜照片所示的是鸡胚胎结缔组织的胶原纤维;图解是胶原的分子结构。,合成：由成纤维细胞、软骨细胞、成骨细胞、上皮细胞分泌。在RER上合成，形成三股螺旋之前于Pro及Lys残基上进行羟基化修饰。羟化反应由脯氨酰4、脯氨酰3羟化酶催化。Vc是酶的辅助因子，Vc缺乏导致羟化反应不能进行。非羟化的前链在细胞内被降解。因而，膳食中缺乏Vc可导致血管、肌腱、皮肤变脆，易出血，称为坏血病。交联：由侧向相邻的lys或hyl残基氧化后所产生的两个醛基间进行缩合而成。,脊椎动物中胶原的合成、装配与分泌,胶原蛋白是在膜结合核糖体上起始合成的，然后进入内质网，通过内质网和高尔基体的加工修饰和装配，最后分泌到细胞外基质中,由前体肽装配成前胶原时，是通过分子内的交联完成的。而由胶原装配成胶原原纤维(collagen fibril)则是通过分子间的交联,原胶原共价交联后成为具有抗张强度的不溶性胶原。胚胎及新生儿的胶原因缺乏分子间的交联而易于抽提。随年龄增长，交联日益增多，组织僵硬老化。胶原的作用为细胞外基质提供了一个水不溶性的框架，决定细胞外基质的机械性质。某一特定组织的性能通常与胶原分子的三维结构有关。骨、腱和皮肤等组织的细胞外基质胶原含量高，刚性及抗张力大。胶原具有促进细胞生长的作用，如肝细胞等在含有胶原的培养基上生长较快。在细胞分化中，胶原基质和提纯的胶原底物具有维持并诱导细胞分化的作用。许多实验证明，某种细胞经过特异的粘连蛋白的介导，可以粘连到特定类型胶原上。许多上皮细胞和内皮细胞经层粘连蛋白的介导可与基膜中的型胶原粘连。,这是1890年拍摄的“弹性皮肤人”的照片，是由于胶原装配不正确引起的遗传综合症。在某些个体中，由于胶原酶缺陷而引起，因为胶原酶缺陷，不能将前胶原转变成胶原。,如果编码胶原的基因发生突变，将导致胶原病。若影响到胶原纤维的正确装配，皮肤和其它各种结缔组织就会因此降低强度而变得非常的松弛。,二、非胶原蛋白,是细胞外基质成分的组织者，具有分别与细胞及其他ECM成分结合的多个结构域。功能：使细胞与ECM相互黏附，同时介导细胞的运动迁移，并在细胞分化和创伤修复中起重要作用。类型：纤黏连蛋白、层黏连蛋白、亲玻纤黏连蛋白、软骨黏连蛋白、凝血酶应答蛋白和von willebrand因子等。,I、纤粘连蛋白 Fibronectin（FN）,类型：血浆FN：V字形二聚体，可溶，存在于血浆、体液。细胞FN：多聚体，不溶，存在于ECM及细胞表面。已鉴定的FN亚单位20种以上。由同一基因编码，转录后拼接不同，形成多种异型分子。结构：含糖4.59.5。每条FN有57个有特定功能的结构域,FN是一种大的纤维状糖蛋白，由两个亚单位构成二聚体，两条肽链的C端以二硫键共价相连，形成“V”形分子。,FN是一种高相对分子质量的粘附性的糖蛋白，广泛存在于动物界，包括海绵、海胆及哺乳动物类。每个FN亚基上有与胶原、细胞表面受体、血纤蛋白和硫酸蛋白多糖高亲和结合的位点。RGD序列:FN中与细胞结合的结构域中的Arg-Gly-Asp三肽序列,fibronectin dimer,组装：不自发组装成，受细胞表面受体指导。肿瘤细胞表面FN减少，因受体异常所致。,功能：介导细胞粘着，进而调节细胞的形状和细胞骨架的组织，促进细胞铺展；FN可将细胞连接到ECM上；FN上的RGD（Arg-Gly-Asp）序列可与细胞表面的整合素结合。影响细胞的迁移；在正常组织里，细胞是由多种多样的糖蛋白粘连起来，并约束在一个固定的位置上，主要是靠FN来维持其稳定状态。在胚胎发生过程中，纤连蛋白对于许多类型细胞的迁移和分化是必需的。在创伤修复中，纤连蛋白促进巨噬细胞和其它免疫细胞迁移到受损部位。在血凝块形成中，纤连蛋白促进血小板附着于血管受损部位。人工合成的RGD三肽可抑制细胞在FN基质上粘附。,Fibronectin helps connect the inside of the cell to the outside,II、层粘连蛋白 laminin(LN),结构：由3条肽链借二硫键交联成十字形分子。已知7种LN，8种亚单位（1-3、1-3、1-2）。与FN不同，这8种亚单位由不同基因编码。含糖量很高（15-28），具有50条左右N-连接的糖链。细胞通过LN锚定于基膜上，至少存在两个不同的受体结合部位：与型胶原的结合部位；与细胞质膜上的整合素结合的Arg-Gly-Asp(R-G-D)序列。,结构上呈现不对称的十字形，由一条长臂和三条相似的短臂构成。1和2短臂上有两个球形域，链上的短臂有三个球形结构域，其中有一个结构域同型胶原结合，第二个结构域同肝素结合，还有同细胞表面受体结合的结构域,层粘连蛋白是基膜(basal lamina)的主要结构成分。基膜是一种复合的细胞外结构，通常位于上皮和内皮的基底面，是细胞外基质的特异区，将细胞层和其下的结缔组织分开。典型的基膜厚约50nm，有些基膜的厚度达200nm。,形成基膜的组织和细胞:肌细胞和脂肪细胞的表面;上皮组织基底面的下方，如皮肤上皮的下表面;血管内皮细胞的下表面。此外，施旺细胞(Schwann cells)的表面也有基膜。,结构:基膜是由不同的蛋白纤维组成的网状结构，LN是基膜的主要成分，也是基膜的组织者，而型胶原则是基膜的网状钢架。,功能:基膜不仅对组织结构起支持作用，同时也是渗透性的障碍，调节分子和细胞的运动,LN的功能：组成基膜，是胚胎发育中最早出现的ECM。LN分子中具有与型胶原、细胞表面、及其它的蛋白聚糖结合的位点。在基膜中，主要功能就是作为基膜的主要结构成分对基膜的组装起关键作用，在细胞表面形成网络结构并将细胞固定在基膜上。LN还有许多其他的作用，如在细胞发育过程中刺激细胞粘着、细胞运动。LN还能够刺激胚胎中神经轴的生长，并促进成年动物的神经损伤后再生。如同纤粘连蛋白，细胞外的LN能够影响细胞的生长、迁移和分化。,四、氨基聚糖及蛋白聚糖,1氨基聚糖（glycosaminoglycan，GAG）,是重复二糖单位构成的无分枝长链多糖。因二糖单位之一常为氨基糖（N-乙酰氨基葡萄糖或N-乙酰氨基半乳糖）而得名。二糖单位通常由氨基已糖和糖醛酸组成。可分为六种：透明质酸、硫酸软骨素、硫酸皮肤素、硫酸乙酰肝素、肝素、硫酸角质素。透明质酸(HA)是唯一不硫酸化的GAG，含多达10万个糖基。可结合大量水分子，赋予组织一定的抗压性。,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）与核心蛋白的丝氨酸残基共价连接的结合物。核心蛋白质的Ser残基在高尔基体中装配上GAG链。首先合成由四糖组成的连接桥（Xyl-Gal-Gal-GlcUA）连接到Ser残基上，然后再延长糖链。,左蛋白聚糖；中蛋白聚糖多聚体；右氨基聚糖,除HA及肝素外，其他GAG均不游离存在。HA以非共价键连接许多蛋白聚糖单体形成多聚体。如透明质酸同糖胺聚糖和核心蛋白组成软骨组织的蛋白聚糖复合物，称为透明质酸-蛋白聚糖复合物。在这种复合物中，透明质酸作为一个长轴，将蛋白聚糖连接在一起，形成更大的更复杂的蛋白聚糖，使细胞外基质具有更大的抗压性。,HA在软骨组织ECM的蛋白聚糖中的作用,蛋白聚糖和透明质酸-蛋白聚糖复合物直接与胶原纤维连接形成动物细胞外的纤维-网络结构，不同类型的胶原和不同类型的蛋白聚糖连接形成不同的纤维-网络，对于提高细胞外基质的连贯性起关键作用。,蛋白聚糖的特性与功能显著特点是多态性：不同的核心蛋白,不同的氨基聚糖；软骨中的蛋白聚糖是最大巨分子之一,赋予软骨以凝胶样特性和抗变形能力；蛋白聚糖可视为细胞外的激素富集与储存库，可与多种生长因子结合，完成信号的传导。,弹性蛋白(elastin)是弹性纤维的主要成分，外面包着一层由微原纤维（糖蛋白）构成的壳。弹性纤维与胶原纤维共同存在，分别赋予组织以弹性及抗张性。弹性纤维的伸展性比同样横截面积的橡皮条至少大5倍。弹性纤维主要存在于脉管壁及肺，亦少量存在于皮肤、肌腱及疏松结缔组织中。老年组织中弹性蛋白的生成减少，降解增强，以致组织失去弹性。弹性蛋白是高度疏水的非糖基化蛋白，具有两个明显的特征:构象呈无规则卷曲状态；通过Lys残基相互交连成网状结构。,五、弹性蛋白 elastin,结构：是一种非糖基化的蛋白质，包含830个aa残基，富含脯氨酸和甘氨酸，但很少羟化。肽链中不含胶原特有的Gly-X-Y重复顺序。由二类短肽交替排列构成。一种是疏水短肽，赋予分子以弹性；另一种为富Ala丙氨酸及Lys赖氨酸残基的螺旋，负责在相邻分子间交联，形成网状结构。,第二节 细胞外基质的生物学作用,1影响细胞的存活、死亡：如上皮细胞脱离ECM则发生anoikis，称定着依赖性。2决定细胞的形状：不同细胞具有不同的ECM，介导的细胞骨架组装的状况不同，表现出不同的形状。,3调节细胞的增殖：如定着依赖性生长（anchorage dependent growth）。4控制细胞的分化：如，成肌细胞在纤粘连蛋白上增殖并保持未分化的表型；而在层粘连蛋白上则停止增殖，进行分化，融合为肌管。5参与细胞的迁移：细胞的迁移依赖于细胞的粘附与细胞骨架的组装。6 同一些生长因子和激素结合进行信号转导；,
