《细胞外基质》PPT课件.ppt

1,第十一章 细胞外基质及其与细胞的相互作用,Xiao Yong-qing 肖永清 中山大学中山医学院生物教研室,2,细胞外基质的主要组成成分,氨基聚糖和蛋白聚糖 凝胶样基质 胶原和弹性蛋白 纤粘连蛋白和层粘连蛋白非胶原性黏合蛋白,胶原,纤粘连蛋白,层粘连蛋白,蛋白聚糖,纤维网架,3,氨基聚糖和蛋白聚糖 是一些高分子的含糖化合物。构成细胞外高度亲水的凝胶，赋予组织良好的弹性和抗压性。,细胞外基质的主要组成成分,氨基聚糖（glycosaminoglycan, GAG）是由重复的二糖单位构成的直链多糖。又称粘多糖。 二糖单位之一是氨基己糖（N-乙酰氨基葡萄糖或 N-乙酰氨基半乳糖 二糖单位另一个糖残基多为糖醛酸（葡萄糖醛酸或艾杜糖醛酸） 糖残基带有羧基，呈强负电性 据糖残基的性质、连接方式、硫酸化数量和存在的部位，可分为六种：,4,透明质酸（hyaluronic acid、hyanuroanate, HA） 结缔组织、皮肤、软骨、滑液、玻璃体,细胞外基质的主要组成成分 氨基聚糖,5000-10000个二糖重复单位排列构成 二糖为 N-乙酰氨基葡萄糖-葡萄糖醛酸，是唯一不含硫酰酸基团的氨基聚糖 其糖醛酸的羧基带有大量负电荷，其相斥作用使整个分子伸展膨胀，占据很大的空间；在有限的空间可产生膨压，赋予组织良好的弹性和抗压性 其表面有大量亲水基团，可结合大量水分子，形成凝胶 在组织创伤、早期胚胎中尤为丰富，促进细胞迁移和增殖 胚胎发育早期的空间填充物, 用于定形，如 心脏形成 作为关节液的重要成分，有润滑作用,5,硫酸软骨素（chondroitin sulfate, CS）软骨、角膜、骨、皮肤、动脉,细胞外基质的主要组成成分 氨基聚糖与蛋白聚糖,硫酸皮肤素 (dermatan sulfate, DS) 皮肤、血管、心、心瓣膜 硫酸乙酰肝素(heparan sulfate, HS) 肺、动脉、细胞表面 肝素(heparin) 肺、肝、皮肤、肥大细胞 硫酸角质素(keratan sulfate, KS) 软骨、角膜、椎间盘,6,蛋白聚糖（proteoglycan，PG），是由氨基聚糖（除透明质酸外）与核心蛋白共价形成的高分子复合物，不同于一般糖蛋白,细胞外基质的主要组成成分 氨基聚糖与蛋白聚糖,分子量大，含糖量高，可达95%，多为较长的、不分枝的GAGs糖链 核心蛋白为单链多肽，其上可连接1-100条以上氨基聚糖（可为不同的氨基聚糖），形成蛋白聚糖。若干个蛋白聚糖单体通过连接蛋白，以非共价键与透明质酸结合，形成蛋白聚糖多聚体。如 软骨中的蛋白聚糖复合体 （见 下图）,7,PG,细胞外基质的主要组成成分 蛋白聚糖,HA,蛋白聚糖电镜,8,细胞外基质的主要组成成分 氨基聚糖与蛋白聚糖,透明质酸,硫酸角蛋白,硫酸软骨素,连接蛋白,核心蛋白,细胞外基质中的蛋白聚糖多聚体 氨基聚糖为硫酸软骨素和硫酸角质素，糖链数约130余条左右，分子量为310 9，使软骨具有良好的弹性和抗压性,9,蛋白聚糖在内质网合成并装配,细胞外基质的主要组成成分 氨基聚糖与蛋白聚糖,有的蛋白聚糖也是质膜的整合成分，如 成纤维细胞和上皮细胞质膜中的 连接素（ syndecan） 其核心蛋白以跨膜糖蛋白的方式嵌入质膜脂双层， 胞外区连有硫酸软骨素和硫酸类肝素氨基聚糖糖链，可与细胞外基质的胶原、纤粘连蛋白、以及信号分子结合 胞内区肽段可与膜下细胞骨架相互作用,10,氨基聚糖和蛋白聚糖的功能,细胞外基质的主要组成成分 氨基聚糖与蛋白聚糖,使组织具有弹性和抗压性 对物质转运有选择渗透性 其糖基纵横交错，构成高度水化孔胶样物，孔的大小和电荷密度可调节对分子及细胞的通透性 如 肾小球基膜中的硫酸软骨素蛋白聚糖对原尿的生成即具有筛滤作用 角膜中蛋白聚糖具有透光性 硫酸软骨素、硫酸角质素高度硫酸化使基质脱水变得致密，阻止血管的形成，使角膜柔软、具有透光性，角质化亦有保护作用 氨基聚糖具有抗凝血作用 肝素蛋白聚糖 由靠近血管的肥大细胞产生 细胞表面的氨基聚糖有传递信息作用 如 连接素,11,氨基聚糖与蛋白聚糖与组织老化有关 ，随着年龄增长,细胞外基质的主要组成成分 氨基聚糖与蛋白聚糖的功能,如 皮肤中 透明质酸 逐渐减少，后逐渐被硫酸皮肤素所取代 关节软骨中的蛋白聚糖逐渐减少，可硫酸软骨素被硫酸角质素取代 蛋白聚糖糖链比例下降，导致组织的保水性及弹性减弱 氨基聚糖的阴离子可结合钙离子，在组织的钙化、尤其是骨盐的沉积中起重要作用,12,氨基聚糖和蛋白聚糖的 与 疾病 粘多糖累积病 Hunter综合症 动脉粥样硬化 脂类沉积 肿瘤的发生,细胞外基质的主要组成成分 氨基聚糖与蛋白聚糖,13,胶原与弹性蛋白,细胞外基质的主要组成成分 胶原,Human collagen fibers,胶原 (横切面 电镜),成纤维细胞,胶原 （collagen）是细胞外基质中的骨架结构 占哺乳动物总蛋白量的1/4，含量最丰富 可由成纤维细胞、软骨细胞、成骨细胞及某些上皮细胞合成并分泌到细胞外,14,胶原分子结构 为三股螺旋（triple helix）3条多肽链盘绕而成，长300nm，直径1.5nm,细胞外基质的主要组成成分 胶原,每条肽链约1050 aa（人类），其中Gly占1/3，同时富含Pro和Lys，2种氨基酸经常羟基化形成Hypro和Hylys，Lys选择性糖基化 肽链中的氨基酸组成规律的三肽重复序列Gly-X-Y， X可为任一氨基酸，多为Pro，其环状结构稳定螺旋构象， Y可为任一氨基酸，多为Hy-pro或Hy-lys 甘氨酸（Gly）, 最小的氨基酸，适于在紧密的三股螺旋中心,15,胶原的类型 链是胶原的基本亚单位，不同的链组合生成不同类型的胶原。 目前已发现25种不同的链，26种胶原,细胞外基质的主要组成成分 胶原,I型胶原 1 （I）2 2 （I），存在于肌腱、皮肤、骨、韧带 II型胶原 1（II） 3，存在于软骨 III型胶原 1 （III）3，存在于皮肤、肌肉、结缔组织，在血管壁和各种软组织或器官间质形成微细的纤维网，常与I型共分布 IV型胶原1 （IV）2 2 （IV） ，仅存基底膜,16,胶原的合成装配（I-III型） 前链 (pro-chains) ，带有信号肽和前肽 （propeptide，不含Gly-X-Y结构 去除信号肽; 选择性羟基化、糖基化 C-端前肽借二硫键形成链间交联，使3条对齐排列，3条链 以氢键相连，形成三股螺旋，前肽部分不螺旋 前胶原（pro-collagen） 分泌到细胞外;去除前肽;相邻分子相错1/4长度，约67nm， 前后分子相距约35nm，聚合形成明暗相间的纤维 胶原原纤维（collagen fibril） 细胞外基质中聚集成束 胶原纤维（collagen fiber）,细胞外基质的主要组成成分 胶原,内质网、高尔基体,细胞外,17,细胞外基质的主要组成成分 胶原,前链的合成,选择性羟基化,选择性糖基化,3条链的自组装,三螺旋的前胶原分子形成,分泌,前肽的剪接,自组装成胶原原纤维,聚集成胶原纤维,二硫键,胶原的合成装配（I-III型）,18,细胞外基质的主要组成成分 胶原,共价键,螺旋胶原分子在细胞外基质组装： 相邻分子相错1/4长度，约67nm，前后分子相距约35nm，聚合形成明暗相间的胶原原纤维,19,IV型胶原 在链中不含规则的三肽重复序列(Gly-x-y),细胞外基质的主要组成成分 胶原,IV型胶原构成基膜骨架,不形成螺旋结构 前胶原分子的前肽不被切除 C-端“头对头”形成二聚体 几个二聚体再交联形成网络结构，构成基膜的骨架,20,细胞外基质的主要组成成分 胶原,IV型胶原组装成基膜电镜,21,胶原的降解 胶原的周转很缓慢，成年人骨中的胶原分子，可维持达10年；一般的蛋白质 半衰期为数小时或数天,细胞外基质的主要组成成分 胶原,胶原的功能 与相关疾病 协助完成细胞生长、粘附、运动、增殖、分化 粘连、支持、保护细胞连聚为组织、器官，如: 羟化赖氨酸和弹性蛋白交连，使组织有弹性， 交联受阻胶原病 缺抗坏血酸（vitamin C），脯氨酸羟化受阻， 不利于交联氢键的生成，影响胶原的稳定， 胶原分子生长不良，间质胶原大大减少， 血管变脆、牙龈出血，引起坏血病 肝肺纤维化：胶原生成失衡,22,弹性蛋白（elastin）是构成细胞外基质中弹性纤维网络的主要成分，是高度疏水的非糖基化纤维蛋白，,细胞外基质的主要组成成分 弹性蛋白,为高度疏水蛋白，830aa，富含脯氨酸、甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸， 无糖基化，很少有羟脯氨酸，不含羟赖氨酸 主要由2类片段组成， 疏水性短肽 与分子的的弹性有关 螺旋片段 富含丙氨酸、赖氨酸，与相邻分 子形成交联,Elastic fiber,Single elastin molecule,23,弹性蛋白以可溶性蛋白原的形式分泌到细胞外，通过赖氨酸残基之间相互交联装配，形成弹性纤维网,细胞外基质的主要组成成分 弹性蛋白,胶原纤维与弹性纤维交织，可以限制其伸展程度，防止组织撕裂，使组织既有弹性又有韧性 弹性蛋白表面包饶一层糖蛋白组成的微原纤维（microfibrils） 其中原纤蛋白（fibrillin）是保持弹性纤维完整所必需的成分，其基因突变，可导致马凡氏综合症（Marfans syndrome） 弹性蛋白是动脉中含量最高的细胞外基质蛋白，其基因突变可导致动脉壁平滑肌过度增殖引起动脉狭窄,24,纤粘连蛋白 (fibronectin，FN ) 为高分子糖蛋白，含糖量4.5%-9.5%，其含糖量因组织不同和分化状态不同而有差异。有两种存在形式：,细胞外基质的主要组成成分 纤粘连蛋白,血浆纤粘连蛋白， plasma fibronectin, PF， 主要存在于体液、血浆中，促进血液凝固、创伤愈合、细胞吞噬 细胞纤粘连蛋白，cell surface fibronectin, CF，高度不溶, 主要存在于细胞外基质和细胞表面。CF在细胞表面装配，沉积在细胞外基质（包括某些基膜）, 主要由间质细胞分泌,25,有许多结合位点，可结合ECM成分或细胞 每条肽链约含2450aa，构成5-7个有特定功能的球形结构域 各结构域之间的肽段可折曲，对蛋白酶敏感 具有三肽序列Arg-Gly-Asp（RGD）结合活性部位，是细胞表面各种FN受体识别并结合的最小单位，但并非FN所特有,细胞外基质的主要组成成分 纤粘连蛋白,FN结构特点,FN电镜,纤维状糖蛋白， 由2个相似的亚单位构成二聚体，二聚体C端以二硫键相连， “V”形，活动度大 其中PF为二聚体， CF为二聚体交联后形成的多聚体,26,Heparin-and-fibrin-binding domain,Collagen-binding domain,Fibrin-binding domain,Cell-binding domain,Heparin-binding site,Fibrin-binding site,RGD stands for the cell binding site sequence: Arg-Gly-Asp,人的FN分子 含有两条相似多肽，两多肽由C端二硫键相连,细胞外基质的主要组成成分 纤粘连蛋白,结合肝素、纤维蛋白的结构域,结合胶原的结构域,结合纤维蛋白的结构域,结合细胞的结构域,结合肝素的结构域,结合纤维蛋白的结构域,27,FN功能,细胞外基质的主要组成成分 纤粘连蛋白,介导细胞-细胞外基质 的黏着 与细胞的迁移：在黏着斑处FN受体通过FN与细胞外基质相连，通过黏着斑的形成于解离，影响细胞骨架的组装与去组装，促进细胞迁移 在胚胎发生期引导细胞迁移及细胞分化 在组织创伤中，PF可结合血浆纤维蛋白，在伤口处吸引成纤维细胞平滑肌细胞、和内皮细胞向伤口迁移，形成肉芽组织 FN与疾病 肾小球炎 恶性肿瘤中的FN受体异常，细胞黏着能力下降,28,层粘连蛋白（laminin，LN） 是胚胎发育中出现的最早的细胞外基质成分，为糖蛋白，含糖13-28%。结构复杂，功能多样,细胞外基质的主要组成成分 层粘连蛋白,LN分子结构,-链,-链,球形结构域,缠绕的 -螺旋结构域 domain,-链,Laminin-1 结构,29,高分子糖蛋白，分子量820-850Da，300nm长 由三条多肽组成的异三聚体 一条重链与两条轻链以二硫键相连，呈不对称十字结构：三条短臂（ N-端）、一条长臂 短臂上有2个球形结构域和一个短杆区，短臂上有2-3个球形结构域及2个短杆区；长臂由3条肽链的近C-端形成，长臂末端的的大球区仅由 链C端卷曲而成,细胞外基质的主要组成成分 层粘连蛋白,至少有8个细胞结合位点，结合上皮细胞、内皮细胞、成纤维细胞、神经元、神经鞘细胞、肿瘤细胞等 是一个大的蛋白家族，现已鉴定出8种不同一级结构序列的LN亚单位,30,LN的功能,细胞外基质的主要组成成分 层粘连蛋白,基膜的主要成分 具有RGD序列，被各种细胞识别，从而固定在基膜上 在早期胚胎中保持细胞间的黏附、细胞的极性、及细胞的分化具有重要意义 LN与疾病 糖尿病基底膜的改变,31,基膜/基底膜（basal lamina 或basement membrane）是细胞外基质的特化的柔软、坚韧的网膜结构 一般厚40-120nm， 位于上皮细胞或内皮细胞基底部，或包绕在肌细胞、雪旺氏细胞周围，将细胞与结缔组织隔离,细胞外基质的主要组成成分 基膜,Basal lamina,Basal lamina,Basal lamina,上皮细胞,内皮细胞,结缔组织,肾小球,上皮,肌肉,肌肉细胞质膜,结缔组织,BLOOD,32,细胞外基质的主要组成成分 基膜,质膜,内联蛋白