细胞外基质作用机理

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是指位于上皮或内皮细胞下层、结缔组织细胞周围，为组织下层、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、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。力学支持和物理强度的物质。什么是什么是 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 胶原装配的主要步 骤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p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。p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。过 度松弛皮肤症这是 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。p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 4.5 9.5。每条 FN有 5 7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：组装：不自发组装成，受细不自发组装成，受细胞表面受体指导。胞表面受体指导。肿瘤细胞表面肿瘤细胞表面 FN减少减少，因受体异常所致。，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 outsideII、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。层 粘 连 蛋白的 结 构 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。pLN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。pLN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。p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