细胞的社会联系：细胞连接、细胞黏着和细胞外基质

第十五章细胞的社会联系 细胞连接 细胞黏着和细胞外基质 制作人 燕仲权2010221121 第一节 细胞联接 细胞连接 是指在细胞质膜的特化区域 通过膜蛋白 细胞支架蛋白或胞外基质形成的细胞与细胞 细胞与外基质间的连接结构 可分为三大类 1 封闭连接2 锚定连接3 通讯连接 1 封闭连接 将相邻上皮细胞的质膜紧紧地连接在一起 阻止溶液中的小分子沿细胞间隙从细胞一侧渗透到另一侧 紧密连接是这种连接的典型代表 主要形式 紧密连接 返回 紧密连接 紧密连接定位于上皮细胞之间 焊接线使相邻细胞的细胞膜连接在一起 主要功能封闭体腔 限制膜成分的扩散 维持上皮细胞的极性 返回 2 锚定连接 作用 分散细胞作用力 锚定连接由连两大类蛋白组成 细胞内锚蛋白 这类这类蛋白形成独特的盘状致密斑 一侧与细胞内骨架纤维如中间丝或者微丝相连 另一侧与跨膜粘连蛋白相连 蛋白统称跨膜粘连蛋白 这类蛋白是细胞质膜蛋白 一侧与内锚蛋白相连 另一侧与胞外基质蛋白或与相邻细胞特异的跨膜粘连蛋白相连 返回 结构类型 1 与中间丝相连的锚定连接 主要包括细胞与细胞间的桥粒和细胞与胞外基质间的半桥粒 2 与肌动蛋白丝相连的锚定连接 主要包括细胞与细胞间的黏合带及细胞与胞外基质间的黏合斑 桥粒和半桥粒 桥粒 桥粒最明显的形态特征是细胞内锚蛋白形成的独特的盘状致密斑 一侧与细胞内的中间丝相连 另一侧与跨膜的粘连蛋白相连 在两个细胞间形成纽扣样的结构 将相邻细胞铆钉在一起 胞内锚蛋白包括桥粒斑珠蛋白和桥粒斑蛋白 返回 半桥粒 半桥粒在形态上与桥粒类似 但功能和化学结构不同 半桥粒是细胞与胞外基质间的连接形式 参与的细胞骨架仍然是中间丝 但是细胞质膜上的跨膜粘连蛋白却是整联蛋白 与整联蛋白相连的胞外基质是层粘连蛋白 从而将上皮细胞黏着在其基质膜上 返回 黏合带与黏合斑 黏合带 位于上皮细胞紧密连接的下方 相邻细胞形成一个连续的带状结构 黏合带处相邻细胞质膜间间隙30nm 其间由Ca2 依赖的跨膜粘连蛋白形成胞间横桥相连接 细胞内的锚蛋白有连环蛋白 扭蛋白及 辅肌动蛋白等 与黏合带相连的骨架纤维是微丝 肌动蛋白丝 返回 黏合斑 是细胞与胞外基质间的连接方式 参与的细胞骨架组分是微丝 跨膜粘连蛋白是整联蛋白 胞外基质主要是胶原和纤连蛋白 胞内锚蛋白有踝蛋白 辅肌动蛋白 filamin和纽蛋白 返回 3 通讯连接 1 间隙连接 间隙连接在动物体内分布非常广泛 除骨骼肌细胞及血细胞外 几乎所有的动物组织都利用间隙连接实现通讯 返回 1 结构与成分 间隙连接的基本连接单位是连接子 每个连接子由6个相同和相似的跨膜连接蛋白呈环状排列 中间形成一个直径约1 5nm的亲水性通道 相邻细胞质膜上的连接子对接便形成完整的间隙连接结构 间隙连接处细胞质膜的间隙约2 3nm 因此 间隙连接又称为缝隙连接 2 功能 间隙连接可容许分子质量小于1000的分子通过 这表明小分子可以通过间隙连接从一个细胞进入另一个细胞 1 间隙连接在代谢耦联中的作用 间隙连接能够容许小分子代谢物和信号分子通过是细胞间代谢耦联的基础 代谢耦联在协调细胞群体性的生物学功能方面起到重要作用 例如激素促胰液素的作用 只要部分细胞接受信号分子的作用后 便可将信号传递至整个胰泡细胞 2 间隙连接在神经冲动信息传递过程中的作用 A 神经元之间或神经元与效应细胞间通过突触完成神经冲动的传导B 在神经元之间的通讯及中枢神经系统的整合过程中也起到重要作用 C 使细胞间形成电耦联 它在协调心肌细胞的收缩 保证心脏正常跳动 协调小肠平滑肌的收缩等 也起到重要作用 3 间隙连接在卵泡和早期胚胎发育过程中的作用 卵泡的正常发育依赖于间隙连接 卵母细胞由一层厚厚的胞外基质 透明带 所包围 而透明带外则是大量的卵泡细胞 正常情况下 滤泡细胞之间通过连接蛋白43形成间隙连接 同时 滤泡细胞还要伸出凸起穿过透明带与卵母细胞形成间隙连接 以保证卵泡的正常发育 3 间隙连接通透性的调节间隙连接允许相对分子质量小于1000的无机离子物质通过 但间隙连接的通透性是可变的 表现在两个方面 1 间隙连接对小分子物质的通透能力具有底物选择性 间隙连接有一个直径约1 5nm的亲水性通道 不同的连接蛋白对离子或者小分子物质的通透性具有不同的偏爱性 如间隙连接对阳离子通透性明显比阴离子大 2 间隙连接通透性受细胞质Ca2 浓度和pH调节 电压和pH对间隙连接通透性调节的意义尚不清楚 Ca2 浓度的升高可能关闭了间隙连接的通道 间隙连接通透性还受胞外化学信号的调节 有助于细胞间的代谢耦联 2 胞间连丝高等植物细胞之间通过胞间连丝相互连接 完成细胞间的通讯联络 胞间连丝通过细胞壁 由相邻细胞的细胞质膜共同组成直径为20 40nm的管状结构 中央是由光面内织网延伸形成的链样管 胞间连丝介导的细胞间的物质运输具有选择性 并且是可调节的 3 化学突触化学突触是存在与可兴奋细胞间的连接方式 它通过释放神经递质来传导神经冲动 第二节 细胞黏着极其分子学基础 1 钙黏蛋白2 选择素3 免疫球蛋白超家族4 整联蛋白 细胞与细胞间的黏着或细胞外基质间的黏着都是由位于细胞表面的特定的黏着分子所介导的 黏着分子均是膜整合蛋白 这些分子通过3种方式介导细胞识别与黏着 相邻细胞表面的同种黏着分子间的识别与黏着 同亲性结合 相邻细胞表面的不同黏着分子间的相互识别与黏着 异亲性结合 相邻细胞表面的同种黏着分子借助其他衔接分子的相互识别与黏着 衔接分子依赖性结合 目前发现现存在高等动物细胞表面的黏着分子有上百种 根据其作用方式 可分为4大类 钙黏蛋白 选择素 免疫球蛋白超家族及整联蛋白家族 黏着分子多需要Ca2 或Mg2 才起作用 这些分子介导的细胞识别与黏着还能在细胞骨架的参与下 形成细胞连接 如桥粒 半桥粒 黏合带以及黏合斑等结构 1 钙黏蛋白 钙黏蛋白是一种同亲型蛋白 Ca2 依赖的细胞黏着糖蛋白 对细胞发育中的细胞识别 迁移和组织分化以及成体组织器官构成有重要作用 大多数钙黏蛋白是单次跨膜蛋白 有700 750个氨基酸残基 钙黏蛋白往往形成二聚体或多聚体 在细胞外的肽链部分折叠形成5个或6个重复结构域 Ca2 就结合在重复结构域之间 从而赋予钙黏蛋白分子的刚性和强度 返回 Ca2 越多 钙黏蛋白刚性就越强 因此 除去Ca2 钙黏蛋白胞外部分的刚性就会丧失 正因为如此 阳离子螯合剂EDTA能破坏Ca2 或Mg2 依赖性的细胞黏着 钙黏蛋白对个体的发育具有重要作用 E 钙黏蛋白是哺乳动物蛋白发育过程中表达的第一个钙黏蛋白 2 选择素 选择素是一类异亲型结合 Ca2 依赖的细胞黏着分子 能与特异糖识别并结合 除了L 选择素 还有P 选择素 选择素是跨膜蛋白 其胞外部分具有高度保守的与其他细胞表面特异的寡糖链末端糖基配体相识别的凝集素样结构 选择素主要参与白细胞与血管内皮细胞之间的识别与黏着 帮助白细胞从血液进入炎症部位 返回 3 免疫球蛋白超家族 IgSF指分子结构中具有与免疫球蛋白类似的结构域的细胞黏着分子超家族 其中有的介导异亲型细胞黏着 有的介导同亲型细胞黏着 但免疫球蛋白超家族的黏着都不依赖Ca2 其中了解最多的是神经细胞黏着分子 N CAM 它在神经组织细胞黏着中起主要作用 返回 不同的N CAM由单一基因编码 但由于其mRNA剪接不同和糖基化各异而产生20余种不同的N CAM 分析发现 所有神经细胞黏着分子的胞外部分都有5个免疫球蛋白样的结构域 大多数IgSF细胞黏着分子介导淋巴细胞和免疫应答所需要的细胞之间的黏着 4 整联蛋白 整联蛋白普遍存在与所有细胞的表面 属于异亲型结合 Ca2 或Mg2 依赖性的细胞黏着分子 介导细胞与细胞之间或细胞与胞外基质间的黏着 整联蛋白由 两个亚基形成跨膜异二聚体 整联蛋白通过与胞内支架蛋白的相互作用介导细胞与胞外基质的黏着 返回 大多数整联蛋白 亚基的胞内部分通过踝蛋白 辅肌动蛋白 filamin 钮蛋白等与细胞内的肌动蛋白丝相互作用 而胞外部分则通过自身结构域与纤连蛋白 层粘连蛋白等含有Arg Gly Asp RGD 三肽序列的胞外基质成分结合 从而介导细胞与胞外基质的黏着 整联蛋白介导细胞与胞外基质黏着的典型结构有黏着斑和半桥粒 整联蛋白的信号传递方向有 由内向外 和 由外向内 细胞内信号传递的启动而调节细胞表面整合蛋白活性方式称为 由内向外 的信号转到 整联蛋白还可作为受体介导信号从细胞外环境到细胞内的转导 锚定依赖性生长 正常细胞在悬浮培养液中死亡是因为它们的整联蛋白不能与胞外基质的配体相互作用 致使细胞无法向细胞内传递 救生信号 第三节 细胞外基质 1 胶原2 弹性蛋白3 糖胺聚糖和蛋白聚糖4 纤连蛋白和层粘连蛋白5 基膜和细胞外被6 植物细胞壁 细胞分泌的蛋白质和多糖所构成的网格结构 细胞外基质 ECM 细胞外基质在结缔组织中含量最高 主要由成纤维细胞分泌 不同结缔组织中胞外成分不同 以适应不同的生理方式 胞外基质主要由三种类型构成 1 结构蛋白 包括胶原和弹性蛋白 分别赋予胞外基质强度和韧性 2 蛋白聚糖 由蛋白和多糖共价形成 具有高度亲水性 从而赋予胞外基质抗压能力 3 粘连糖蛋白 包括纤连蛋白和层粘连蛋白 有助于细胞粘连与胞外基质上 1 胶原 1 类型 型纤维常形成较粗的纤维束 分布广泛 主要存在于皮肤 肌腱 韧带及骨中 具有很高的抗张强度 约占人体胶原的90 型胶原主要存在于软骨中 型胶原形成细微的原纤维网 广泛分布于具有伸展性的组织中 如皮肤 血管 内脏等疏松的结缔组织 型胶原形成二微网络样结构 是基膜的主要成分及支架 返回 2 分子结构 胶原纤维的基本机构单位是原胶原 原胶原是有3条 多肽链盘绕而成的三股螺旋结构 长300nm 直径1 5nm 不同的 链由不同的基因编码 链的一级结构具有Gly X Y三肽重复序列 其中X常为脯氨酸 Pro Y常为羟脯氨酸 Hypro 或羟赖氨酸 Hylys 胶原的 链Gly X Y三肽序列有助于胶原纤维高级结构的形成 胶原对于氨基酸残基突变 尤其是Lys残基的突变是高度敏感的 导致三股螺旋形成障碍 3 合成和组装 胶原的合成和组装始于内质网 并在高尔基体中进行修饰 最后再胞外组装成胶原纤维 前胶原是原胶原的前体 是分泌到细胞外的形式 4 胶原的组织 同一组织中常含有几种不同类型的胶原 但常以某一种为主 在不同的组织中 胶原组装成不同的纤维形式 以适应特定功能的需要 最显著的是骨角膜中 胶原纤维分层排布 同一层的胶原彼此平行 尔相邻两层的纤维彼此吹皱 形成夹层板样的结构 使组织具有牢固 不易变形的特性 5 功能 胶原在细胞外基质中的含量最高 刚性和抗张力强度最大 构成细胞外基质的骨架结构 细胞外基质中的其他组分通过与胶原的结合形成结构和功能的复合体 2 弹性蛋白 弹性蛋白是弹性纤维的主要组成成分 弹性纤维和胶原纤维共同存在 分别赋予组织弹性和抗张性 弹性蛋白是高度疏水的非糖基化蛋白 约含750个氨基酸残基 弹性蛋白具有两个明显的特征 1 构象无规则的卷曲状态 2 通过Lys残基相互交联呈网状 返回 3 糖胺聚糖和蛋白聚糖 1 糖胺聚糖是由重复的二糖单位构成的不分支的长链多糖 其二糖单位之一是氨基己糖 氨基葡萄糖和氨基半乳糖 故又称氨基聚糖 另一个是糖醛酸 由于其糖基通常带有硫酸基团或羧基 因此糖胺聚糖带有大量的负电荷 由于高度亲水性的糖胺聚糖带有大量的负电荷 因此能够吸引大量的阳离子 如Na2 因此能够吸引大量水分子 返回 透明质酸是一种重要的糖胺聚糖是增值细胞和胞外基质主要成分 在早期胚胎中含量特别丰富 与其他糖胺聚糖 透明质酸不被硫酸化 而且通常不与任何核心蛋白共价连接 与其他糖胺聚糖一样 透明质酸分子表面含有大量亲水性的羧基基团 吸引阳离子 结合大量水分子 形成水和胶体 因此在胞外基质中 透明质酸向外膨胀 产生压力 赋予结缔组织抗压的能力 2 蛋白聚糖蛋白聚糖位于结缔组织和细胞外基质及许多细胞表面 是由糖胺聚糖 除透明质酸外 与核心蛋白的丝氨酸残基共价连接形成的大分子 其含糖量可达90 95 一个核心蛋白上可连接数百个不同的糖胺聚糖形成蛋白聚糖 蛋白聚糖的核心蛋白在ER上合成 其与多糖链结合的糖基化过程发生在高尔基体中 软骨中 糖胺聚糖借助连接蛋白以非共价键与透明质酸结合形成很大的复合体 4 纤连蛋白和层粘连蛋白 胞外基质中有多种非胶原蛋白 这些蛋白具有多个结构域 提供了胞外基质中其他大分子和细胞表面受体的特异性结合位点 从而有助于细胞粘连在胞外基质上 结构和功能最多的是纤连蛋白和层粘连蛋白 返回 1 纤连蛋白 纤连蛋白是高分子量的蛋白 含糖4 5 9 5 由两个亚基通过C末端形成的二硫键交联而成 纤连蛋白一般由两个相似的亚基组成 每个亚基都是同一基因的表达产物 只是在转录后RNA的剪接上有所差异 因而产生不同的mRNA 用低浓度蛋白酶从纤连蛋白各个结构域间打断后 可以确定每个功能域的结构活性 纤连蛋白的细胞表面受体是整联蛋白家族成员 其细胞外功能区有与RGD三肽序列高亲和性的结合部位 因此纤连蛋白具有接到细胞黏着的功能 纤连蛋白有助于维持细胞的形态 纤连蛋白能结合胞外受体和胶原等胞外基质 因此 纤连蛋白就像一个分子 桥 将细胞锚定在胞外基质上 纤连蛋白还促进细胞迁移 此外 纤连蛋白还有助于血液凝固和创伤修复 2 层粘连蛋白 层粘连蛋白是另外一种粘连蛋白 不像纤连蛋白那样分布广泛 层粘连蛋白主要分布于各种动物胚胎及成体组织的基膜 层粘连蛋白是一种高分子糖蛋白 通过二硫键将一条 链 链 链连在一起 分子外形似 十 字形状 5 基膜和细胞外被 1 基膜基膜是一种特异的胞外基质结构 通常位于上皮层的基质面 厚40 120nm 将上皮细胞与结缔组织分开 基膜主要成分为 型胶原 蛋白聚糖 层粘连蛋白具有不同的结构域 既能够与 型胶原结合 也能够与细胞表面的受体结合 从而将细胞与基膜紧密结合在一起 基膜不仅对组织起支撑作用 同时也是调节分子以及细胞运动和渗透性屏障 返回 2 细胞外被细胞外被又称糖萼 指细胞质膜外表面覆盖的一层黏多糖物质 几乎所有的膜整合蛋白及某些膜脂分子都与糖链分子共价相连形成糖蛋白和糖脂 这些突出与细胞表面的糖链分子就形成了糖萼 所以 细胞外被是细胞质膜的正常结构组分 它与细胞基质在空间分布 成分和功能等方面都不一样 细胞外被不仅对细胞质膜起保护作用 而且在细胞识别中起重要作用 6 植物细胞壁 植物 真菌 藻类和原核细胞在胞外基质形成细胞壁 植物细胞壁赋予细胞强度 保护细胞免受机械损伤以及病原体的感染 此为 细胞壁还发挥渗透屏障的作用 小分子物质 如水 离子 单糖 氨基酸等都很难通过细胞壁 正因为细胞壁的渗透性屏障 在植物细胞间起信号作用的激素相对分子质量都小于1000 1 细胞壁的化学组成与结构 植物细胞壁与动物细胞壁外基质的来源相似 也是由细胞分泌的 植物细胞壁由大分子构成 主要成分是多糖 包括纤维素 半纤维素 果胶质等 纤维素是由葡萄糖分子以 1 4 糖苷键连接起来的线性多聚体分子 纤维素分子聚集成束 形成长的