细胞生物学[第十五章++细胞社会的联系：细胞连接、细胞黏着和细胞外基质]课程预习

第十五章 细胞社会的联系：细胞连接、细胞黏着和细胞外基质 一、细胞连接 细胞连接是多细胞有机体中相邻细胞之间通过细胞质膜相互联系，协同作用的重要组织方式。共分三类： (1)封闭连接(occluding junctions)：紧密连接(tight junction)是典型的代表。它将相邻细胞的质膜密切连接在一起阻止溶液中的分子沿细胞间隙渗入体内。 (2)锚定连接(anchoring junctions)：通过细胞骨架系统将细胞与相邻细胞或细胞与基质之间连接起来。分为两类：与中间纤维相关的锚定连接，包括桥粒(desmosome)、半桥粒(hemidesmosome)；与肌动蛋白纤维相关的锚定连接，包括黏合带(adhesion belt)、黏合斑(focal adhesion)。 (3)通讯连接(communicating junctions)：主要包括间隙连接(gap junction)、神经细胞间的化学突触(chemical synapse)和植物细胞中的胞间连丝(plasmodesmata)。 (一)封闭连接 紧密连接是封闭连接的主要形式，一般存在于上皮细胞之间，在光镜下小肠上皮细胞之间的闭锁堤区域便是紧密连接存在的部位。 功能：阻止可溶性物质从上皮细胞层一侧扩散到另一侧，因此起重要的封闭作用，同时还将上皮细胞的游离端与基底细胞膜上的膜蛋白相互隔离。还具有隔离与支持功能。 焊接线：也称为嵴线，一般认为它由成串排列的特殊跨膜蛋白组成，相邻细胞的嵴线相互交联封闭了细胞之问的空隙。目前已从嵴线中分离出两类蛋白： (1)封闭蛋白(occludin)，为一个相对分子量为60103的4次跨膜蛋白。 (2)另一类也称claudin，也是跨膜4次的蛋白家族(现已发现有15种以上)。 (二)锚定连接 锚定连接在机体内分布很广，在上皮组织、心肌和子宫颈等组织中量尤为丰富。功能：通过锚定连接将相邻细胞的骨架系统或将细胞与基质相连形成一个坚挺、有序的细胞群体。 锚定的方式有：与中间纤维相连的锚定连接，主要包括桥粒和半桥粒；与肌动蛋白纤维相连的锚定连接，主要包括黏合带与黏合斑。 构成锚定连接的蛋白可分成两类：细胞内附着蛋白(attachment proteins)，将特定的细胞骨架成分(中间纤维或微丝)同连接复合体结合在一起；跨膜连接蛋白，其细胞内的部分与附着蛋白连接，细胞外的部分与相邻细胞的跨膜连接糖蛋白相互作用或与胞外基质相互作用。 (1)桥粒与半桥粒桥粒。 在两个细胞之间形成钮扣式的结构将相邻细胞铆接在一起，同时桥粒也是细胞内中间纤维的锚定位点。 半桥粒在形态上与桥粒类似，但功能和化学成分不同。它通过细胞膜上的膜蛋白整联蛋白将上皮细胞固着在基底膜(basement membrane)上，在半桥粒中，中间纤维不是穿过而是终止于半桥粒的致密斑内。 (2)黏合带与黏合斑。 黏合带位于某些上皮细胞紧密连接的下方，相邻细胞问形成一个连续的带状结构。黏合带处 于紧密连接与桥粒之间，故黏合带也被称为中间连接或带状桥粒(belt desmosome)。 黏着斑是肌动蛋白纤维与细胞外基质之间连接方式。体外培养的成纤维细胞通过黏合斑贴附于瓶壁上。在黏合斑处，跨膜连接糖蛋白行使纤连蛋白受体的功能，并通过纤连蛋白与胞外基质结合，跨膜连接糖蛋白的细胞内结构域则通过某些微丝结合蛋白与肌动蛋白纤维结合。黏合斑与黏合带均起到细胞附着与支持的功能。 (三)通讯连接 1间隙连接 间隙连接处相邻细胞膜间的间隙为23nm。构成间隙连接的基本单位称连接子(connexon)。每个连接子由6个相同或相似的跨膜蛋白亚单位connexin环绕，中心形成一个直径为15nm的孔道。相邻细胞膜上的两个连接子对接便形成一个间隙连接单位，因此间隙连接也称缝隙连接或缝管连接。间隙连接的功能： (1)间隙连接在代谢偶联中的作用：间隙连接能够允许小分子代谢物和信号分子通过，是细胞间代谢偶联的基础。 (2)间隙连接在神经冲动信息传递过程中的作用：神经元之间或神经元与效应细胞(如肌细胞)之间通过突触(synapse)完成神经冲动的传导。突触分为电突触(electronic junction)和化学突触两类。电突触是指细胞间的某种间隙连接及其形成的低电阻通路，电冲动可直接通过间隙连接从突触向突触后传导。化学突触见后。 (3)间隙连接在早期胚胎发育和细胞分化过程中的作用：间隙连接出现在脊索动物和大多数脊椎动物胚胎发育的早期。如在小鼠胚胎八细胞阶段，细胞之间普遍建立了电偶联，但当细胞开始分化后，不同细胞群之间电偶联逐渐消失，说明间隙连接存在于发育与分化的特定阶段的细胞之间。 间隙连接通透性的调节：间隙连接的通透性速度很快，一般在几秒内完成，降低胞质中的pH和提高胞质中的游离的Ca2+浓度都可以使通透性降低。在某些组织中，间隙连接的通透性还受到两侧电压梯度的调控及细胞外化学信号的调控。这些现象表明，间隙连接是一种可以随细胞内的变化而进行形状的动态结构，如同离子通道，不过间隙连接形状的频率远不如离子通道高。 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。胞间连丝穿越细胞壁，由相互连接的相邻细胞的细胞膜共同组成一个管状结构，中央是由内质网延伸形成的链管结构。 在链管与管状质膜之间是由胞液构成的环带。胞间连丝形成了物质从一个细胞进入到另一个细胞的通路，故在植物细胞的通讯中起非常重要的作用。与间接连接一样，可用荧光染料扩散实验和脉冲电流传导实验来研究胞间连丝的功能。向一个细胞中注入荧光染料，则染料迅速扩散到相邻的细胞内；同样，向某个细胞加上一定大小的脉冲电流，在相邻的细胞中则可检测到脉冲电流的存在，检测到的脉冲电流强度减小的程度与细胞间的胞间连丝数量有关。 胞间连丝介导的细胞间的物质运输是有选择性的，也是可调节的。很多植物病毒编码一种特殊的运动蛋白(movement proteins)可使胞间连丝通透性大大增加，因而使病毒蛋白和核酸通过胞间连丝感染相邻的细胞。 3化学突触 化学突触是存在于兴奋细胞之间的细胞连接方式，它通过释放神经递质来传导神经冲动。人信息传递中，有一个将电信号转化为化学信号，再将化学信号转化为电信号的过程。因此表现为动物电位在传递中的延迟现象。 二、细胞黏着及其分子基础 (一)钙粘素 钙粘素是一类属于同亲性依赖的细胞粘连糖蛋白，对胚胎发育中的细胞识别、迁移和组织分化以及成体组织器官构成具有主要作用。不同细胞及其发育不同阶段，其表面的钙粘素的种类与数量均有所不同。目前已发现了几十种钙粘素，多以所存在的组织的英文第一个字母命名，如上皮组织中的钙粘素称E钙粘素。钙粘素的分子由720750氨基酸残基组成。不同的分子中约有5060的一级序列相同，其分子的胞外N端的5个结构域中，有4个同源性高且均含Ca2+结合部位。 (二)选择素 选择素(selectin)是一类属异亲性依赖于的，能与Ca2+特异糖基识别结合的糖蛋白。其分子的胞外部分具有一凝集素(lectin)结构域。主要参与白细胞与脉管内皮细胞之间的识别与粘着。由于选择素与细胞表面糖脂或糖蛋白的特异糖侧链亲和力较小，加上血流速度的影响，白细胞在脉管中的粘着一分离一再粘着一再分离，呈现滚动式运动，同时活化其他的粘着因子如整联蛋白，最终与之较强地结合在一起。白细胞就是以这种机制集中到炎症发生的部位。现已发现三种选择素：P(platelet)选择素、E(endothelial)选择素和L(leukocyte)选择素。 (三)免疫球蛋白超家族 免疫球蛋白超家族(Ig-superfamily)是分子结构中具有与免疫球蛋白类似的结构域的cAM超家族。其中有的介导同亲性细胞粘着，有的介导异亲性细胞粘着，但其粘着作用不依赖Ca2+。 (四)整联蛋白 整联蛋白是一类重要的细胞粘着因子，是由和两个亚基形成的异源二聚体糖蛋白。人体细胞中已发现16种链和8种链，它们相互配合形成22种不同的二聚体整联蛋白，可与不同的配体结合，从而介导细胞与基质、细胞与细胞之间的粘着。整联蛋白识别的主要部位是配体上的RGD三肽结构。 三、细胞外基质 细胞外被(cell coat)又称糖萼(glycocalyx)，它是由本身的糖与细胞膜中的蛋白分子或脂质分子是共价结合的，形成糖蛋白和糖脂，故细胞外被应是细胞膜的正常结构组分，它不仅对膜蛋白起保护作用，而且在细胞识别中起重要作用。 细胞外基质(extracellular matrix)指分布于细胞外空间，由细胞分泌的蛋白和多糖所构成的网络结构。 (一)胶原 1类型 胶原(collagen)是胞外基质最基本成分之一，也是动物体内含量最丰富的蛋白。约占人体蛋白质总量的30以上。目前发现的胶原类型多达20种。 2分子结构 胶原纤维的基本结构单位是原胶原。原胶原是由三条多肽链盘绕成的三股螺旋结构，长300nm，直径15nm。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，Y为羟脯氨酸或羟赖氨酸。 3合成与组装 前胶原(procollagen)是原胶原的前体和分泌形式。胶原肽链的翻译在糙面内质网进行，合成带有信号肽的早前胶原(preprocollage)。胶原纤维的装配始于内质网，在高尔基体中继续进行，完成于细胞外。 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。最显著韵是在骨和角膜中，胶原纤维分层排布，同一层的胶原彼此平行，而相邻两层的纤维彼此垂直，形成夹板层样的结构，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含量最高，刚性及抗张力强度最大，构成细胞外基质的骨架结构，细胞外基质中其他组分通过与胶原结合形成结构与功能的复合体。胶原纤维具有很高的抗张力强度，特别是I型胶原。胶原纤维束构成肌腱，连接肌肉和骨骼。胶原可被胶原酶特异降解，而参入到胞外基质信号传递的调控网络中。 (二)弹性蛋白 弹性蛋白(elastin)是弹性纤维的主要成分。弹性纤维主要存在于脉管壁及肺，少量存在于皮肤、肌腱及疏松结缔组织中。弹性蛋白是高度疏水的非糖基化蛋白，约含830个氨基酸残基。特征：构象呈规则卷曲状；通过Lys残基相互交联成网状结构。 (三)糖胺聚糖和蛋白聚糖 1糖胺聚糖 糖胺聚糖(glycosaminoglycan)是由重复的二糖单位构成的长链多糖。其二糖单位之一是氨基已糖，故称为糖胺聚糖；另一个糖醛酸。 糖胺聚糖可分为透明质酸、4-硫酸软骨素、6一硫酸软骨素、硫酸皮肤素、硫酸乙酰肝素、肝素和硫酸角质素等。透明质酸(haaluronic acid)是一种重要的糖胺聚糖，是增殖细胞和迁移细胞外基质的主要成分。 2蛋白聚糖 蛋白聚糖(proteoglycan)见于所有结缔组织和细胞外基质及许多细胞表面，由糖胺聚糖与核心蛋白(core protein)的丝氨酸残基共价连接形成的巨分子，其含糖量可达9095。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单体，若干个单体借连接蛋白(linker protein)以非共价键与透明质酸结合形成多聚体。 蛋白聚糖的一个显著特点是多态性。可以含有不同的核心蛋白，长度和成分不同的多糖链。蛋白聚糖根据其主要的二糖单位命名。软骨中的蛋白聚糖是已知的最大巨分子之一，单个分子长达4m。体积比细菌大。这些蛋白聚糖赋予软骨以凝胶样特性和抗变形能力。软骨蛋白聚糖中心组分是透明质酸。许多硫酸软骨素蛋白聚糖的核心蛋白通过非共价键紧密结合于透明质酸上，这种结合被连接蛋白所稳定。 蛋白聚糖可与成纤维细胞生长因子(FGF)、转化生长因子(17GF)等多种生长因子结合，因而可视为细胞外的激素富集与储存库，有利于激素分子进一步与细胞表面受体结合，有效完成信号的传导。 (四)纤连蛋白和层粘连蛋白 1纤连蛋白 纤连蛋白(fibronectin)是高分子量糖蛋白。含糖4595，其亚单位相对分子质量为220103250103。各亚单位在C端形成二硫键交联。 目前至少已鉴定了20种纤连蛋白多肽。纤连蛋白的膜蛋白受体即为整联蛋白家族成员之一，在其细胞外功能区有与RGD高亲和性结合部位。纤连蛋白的主要功能是介导细胞粘着。纯化的纤连蛋白可增强细胞间粘连及细胞与基质的粘连，如它在胚胎发育中的细胞迁移与分化，在创伤修复中促进巨噬细胞及免疫细胞迁移至受损部位，在血凝块形成过程中，促进血小板附着于血管受损部位中均有重要的作用。 2层粘连蛋白 层粘连蛋白(laminin)是各种动物胚胎及成体组织基膜的主要结构组分之一。层粘连蛋白是高分子糖蛋白，由一条重链(A链)和B1、B2两条轻链(分别称、链)构成。 已发现八种亚基至少构成七种不同的层粘连蛋白。层粘蛋白呈不对称十字形，由一条长臂及三条相似的短臂构成。通常细胞不直接与型胶原或蛋白聚糖组合，而是通过层粘连蛋白将细胞锚定于基膜上。层粘连蛋白中至少存在两个不同的受体结合部位。一个是与型胶原的结合部位。另一个是通过自身的Arg-Gly-Asp(R-G-D)序列与细胞膜上的整联蛋白结合。层粘连蛋白在胚胎发育及组织分化中具有重要作用。 (五)基膜与细胞外被 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底面，厚40120nm，将上皮细胞与结缔组织分开。此外，在肌细胞和脂肪细胞表面、血管内皮细胞下面、施旺细胞的表面也有基底膜。基底膜的功能主要是对组织起支撑作用，以及作为调节分子和渗透性屏