2014 第5章 细胞环境与互作-张文举-.ppt

1,细胞环境与互作,张文举上海大学生命学院2014.10,2,细胞如何形成组织？,诸多疑问：细胞又小又弱，如何能造就一头大象或是一棵巨大的乔木呢？弱小的细胞如何整合成大象的肌肉，而让其细胞膜保持完整以不被撕裂呢？细胞作为结构单元，那设计大象的工程师又是谁？在什么地方？,3,组织的形成多细胞生物中大部分细胞被组织成相同的类群，称为组织；细胞以某些方式与其他细胞，以及胞外基质发生相互作用（信号作用），以形成有机的组织；组织不光是由细胞以及其骨架组成，而且还包括分泌的胞外基质，正是这些基质使组织具有强度；细胞可以与胞外基质结合在一起，也可以互相粘合通过细胞表面发生的作用：细胞识别细胞黏着细胞连接细胞通讯,4,细胞表面,细胞表面是细胞与胞外环境接触的唯一部位；细胞被细胞质膜,5,细胞被,由细胞分泌的外基质，厚约5nm，主要成分是糖，又称糖萼糖蛋白蛋白聚糖糖基侧链一般少于15，但排列方式多样糖链携带数量惊人的信息细胞被功能：保护作用；参与细胞与环境的互作,6,植物的细胞外结构细胞壁,植物细胞壁的作用：支撑植物非惰性结构，可进行很多生理活动；化学组成与结构：大分子构成的复杂的复合物，由植物细胞所分泌，主要成分是多糖纤维素：葡萄糖构成的多聚体；半纤维素：不同单糖构成的异质多聚体；果胶：半乳糖醛酸及其衍生物形成的多聚体；形成水合胶木质素：聚合的芳香醇构成的一类物质；糖蛋白：占10%，与纤维素等形成交叉网络，加固蛋白质-多糖复合物其他：少量脂等,7,纤维素微纤维的装配,在细胞质膜上装配；玫瑰丛：利用葡萄糖合成纤维素纤维的酶复合物（纤维素合成酶）；微管可以指导纤维素纤维的合成方向,8,根据染色性能，分为革兰氏阳性和阴性菌；阳性菌有一层膜，阴性有两层膜阳性菌细胞壁厚，肽聚糖多，形成胞壁质，强度大，肽聚糖交联强；阴性菌（如:大肠杆菌）细胞壁薄，肽聚糖少，硬度低，外膜渗透性高，蛋白质多革兰氏染色,细菌的细胞壁,G+,肽聚糖,G-,9,细菌细胞壁的合成及抑制,细菌细胞壁的合成与装配复杂；将新的肽聚糖添加到原有肽聚糖的内侧，需要多种酶的参与，而且这些酶是原核生物特有的；青霉素的抗菌作用真菌产生的抗生素，抑制形成肽聚糖侧链的酶活性，使细菌不能形成侧链主要对G+细菌起作用，因为G-菌含肽聚糖少，不敏感,10,细胞外基质,由细胞合成并分泌到胞外、分布在细胞表面或之间的大分子，主要是多糖和蛋白，蛋白聚糖等；胞外基质分三大类：蛋白聚糖：糖胺聚糖与线性多肽共价连接，形成水性胶状物；结构蛋白：如胶原和弹性蛋白；黏着蛋白：纤连蛋白和层黏连蛋白，连接胞内和胞外使形成整体,11,动物细胞外基质与植物细胞壁的比较,共同特征:都以结构纤维，水合成分，黏着分子为主要成分都是长的纤维包被在两性基质中，充满了糖蛋白或多糖,一些糖蛋白,12,分泌细胞外基质的细胞,主要细胞类群是成纤维细胞，以及其他一些特化细胞；,成纤维细胞骨细胞软骨细胞结缔组织,13,胞外基质的功能,保护润滑作用；对细胞的一些活性是必须的；离体的肝细胞合成蛋白必需胞外基质的某些成分；合成和一些分泌活性，软骨细胞，胰腺细胞，肝细胞等；形态发生，信号转导。,14,糖胺聚糖，由重复二糖单位构成的无分支长链多糖；都含有一个氨基糖形成水合，胶状材料，类似植物细胞壁中的果胶，形成了细胞外基质的基质；,蛋白肽链,蛋白聚糖,胞外基质中的蛋白聚糖和透明质酸,15,胞外基质的基质透明质酸,透明质酸作为一个轴，将蛋白聚糖连接在一起，形成透明质酸-蛋白聚糖复合物既参与蛋白聚糖，也能游离存在，作为支架作用！透明质酸-蛋白聚糖与胶原纤维连接在细胞外基质中形成纤维网络。,16,蛋白聚糖和透明质酸的功能,蛋白聚糖和透明质酸形成多孔，吸水的胶状物；起保护细胞作用；透明质酸以可溶形式游离存在，起润滑作用，存在于体液中；蛋白聚糖作为细胞黏着的位点，与细胞分化有关，同时也与癌变有关。,17,胶原和弹性蛋白,胞外的水不溶性蛋白；胞外基质的骨架；给细胞提供张力和弹性；在细胞迁移和发育中起作用；尤其在腱、软骨、骨中含量丰富,18,胶原的结构,基本结构原胶原；肽链的一级结构（Gly-X-Y）n重复单位，X，Y通常为脯氨酸，羟脯氨酸，少数为赖氨酸、羟赖氨酸；三条链组成的纤维状蛋白质,19,胶原的合成与装配,胶原分子的交联,胶原装配,胶原在内质网中合成、高尔基体分泌，通过内膜系统分泌到胞外,可溶,不溶,20,胶原的功能,提供胞外基质一个水不溶性的框架，决定了细胞的机械性质；组织的性能往往与胶原分子的结构有关；如肌腱，肌肉，皮肤维持细胞的正常生长；肝细胞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。,21,弹性蛋白,胶原蛋白提供强度和韧性，弹性蛋白提供弹性；弹性纤维为主要成分；尤其是肺，心脏等组织更需要弹性,22,将细胞外基质与细胞联系起来，起桥梁作用，包括纤连蛋白和层黏连蛋白；纤连蛋白(FN)：高分子量糖蛋白，二聚体或多聚体，有与不同因子结合的位点；Arg-Gly-Asp（RGD序列）介导与细胞结合层粘连蛋白（LN）：基膜的特有成分，3个亚单位，重链和1，2链，桥梁分子，介导细胞同基膜的结合。,胞外基质中的黏着蛋白,纤连蛋白,23,基膜：细胞外基质的特异区，通常位于上皮和内皮的基底面，由不同的蛋白纤维组成的网状结构；成分：LN（层黏连蛋白），IV型胶原。等等LN是基膜的组织者，将基膜与其所覆盖的细胞紧紧结合起来,层黏连蛋白,细胞外基质和细胞的联系基膜,24,整联蛋白,属整合蛋白家族，质膜上的胞外基质受体蛋白；跨膜的异质二聚体，糖基化，通过非共价键连接；纤连蛋白受体，通过RGD结合位点结合胞外基质，细胞内结构域与踝蛋白结合，通过黏着斑蛋白与肌动蛋白（细胞骨架）结合整联蛋白的信号转导,RGD结合位点,25,RGD序列与临床研究,大多数胞外基质蛋白通过RGD序列（精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸）与整联蛋白结合；RGD序列通常存在于纤连蛋白，层粘连蛋白，胶原和其他胞外基质蛋白的细胞结合位点；需要二价阳离子Mg2+和Ca2+，以维持正确构型,26,RGD实际应用,细胞能仅仅附在有纤连蛋白的培养瓶上，若加入RGD序列肽，则细胞就不能再附在培养瓶上；病变的动脉中血液凝结成块是引起心脏病突发的重要原因；血小板聚集需要特异的整联蛋白和含有RGD序列的血蛋白；而含有RGD的肽能将血小板聚集以防止血块的形成，可用于临床治疗。,27,细胞识别是细胞对同种或异种细胞、同源或异源细胞以及对自己和异己分子的鉴别；细胞黏着是指相邻细胞或细胞与细胞外基质以某种方式黏合在一起，形成组织或与其他组织分开，方式比较松散细胞识别、黏着是形成组织，组成多细胞有机体的基础；细胞识别是黏着的基础；也是细胞发育和分化的重要环节,细胞识别与黏着,28,细胞识别,多细胞生物体的三种识别系统抗原-抗体识别；酶与底物识别；细胞间的识别，包括细胞表面受体与胞外信号分子的相互作用；选择性（特异性）是识别系统的共同特征,29,“拣出”现象,将两栖类胚性细胞的外胚层和中胚层水解成单细胞；分别标记上不同的颜色；两种细胞混合，外胚层逐渐移向外侧，内胚层移向内侧，这也是它们在胚胎中的正确位置；“拣出”现象说明了细胞识别具有选择性，非同类的细胞不会混合聚集,30,细胞识别和黏着的分子基础,“抗体阻止细胞黏着实验”：如果一种抗体能够阻止细胞间的识别和黏着，那与抗体结合的蛋白分子就是介导细胞识别的蛋白分子！神经细胞黏着分子（N-CAM）：糖蛋白当神经细胞与抗N-CAM的抗体接触时。细胞不能结合钙黏着蛋白：一种糖蛋白，依赖于Ca,31,黏着蛋白中的糖基起识别作用,细胞的黏着主要靠黏着蛋白，而信号识别主要是糖的作用；,32,识别反应,细胞识别引起的细胞反应类型：“内吞”红细胞衰老后被脾脏细胞吞噬糖链末端的唾液酸的存在状况与红细胞寿命有关，作为吞噬的信号细胞黏着细胞与细胞外基质，细胞与细胞的黏着信号反应引起一系列的信号转导,33,细胞黏着的机制,细胞黏着：在细胞识别的基础上，同类细胞聚集成细胞团；在发育过程中，由于细胞间黏着强度的不同，决定这细胞在内，中，外三胚层的分布；在器官形成过程中，具有相同表面特性的细胞聚集成团形成器官,34,细胞黏着分子,参与细胞黏着的主要是膜蛋白，这些分子称为CAM（celladhesionmolecule），分为三个家族：免疫球蛋白超家族钙黏着蛋白家族选择蛋白家族细胞黏着方式同种分子相互介导黏着；互补分子介导黏着；中介分子介导黏着，如凝集素,凝集素,35,钙黏着蛋白,介导相同细胞间的黏着，通过钙黏着蛋白相互作用；钙黏着蛋白是将细胞组成组织并维持成年生物体内组织有序性的最关键因素；通常以二聚体的形式介导细胞黏着。,36,选择蛋白,识别从另一个细胞表面伸展出的糖基团，因此，也是细胞表面受体；选择蛋白是Ca2+依赖性的主要介导循环中的白细胞在有炎症和血块的血管壁部位的暂时性的作用,识别糖基团,37,免疫球蛋白与整联蛋白介导黏着,大多数蛋白存在于淋巴细胞表面，参与各种免疫活动；大多介导淋巴细胞与需要进行免疫反应的细胞间的黏着反应，也有些参与神经系统的发育；大多数介导同嗜性黏着（此时非Ca2+依赖），少数介导异嗜性黏着（Ca2+依赖）,38,细胞连接的概念与类型,细胞相互识别和黏连，还不足以建立更长期和密切的关系，这需要细胞连接（celljunction）;细胞连接通过细胞质膜局部的一些特化结构形成；涉及到外基质蛋白、跨膜蛋白、细胞骨架蛋白等等细胞连接是细胞黏着的发展。结合的紧密度高于细胞黏着，涉及参与的蛋白质分子的类型也多，结构更加复杂。,39,动物细胞连接的类型,紧密连接：“封闭”斑块连接：“黏着”，最复杂，根据连接涉及到的胞外基质和细胞骨架的关系分为：桥粒半桥粒黏着带黏着斑通讯连接：“通讯”,上皮组织中的连接,40,紧密连接,常位于上皮顶端两相邻细胞间，防渗漏！紧密融合，基本没有空隙，液体流通也被封闭，也叫不通透连接；紧密连接的整合蛋白：缝合蛋白功能：紧密连接细胞，防止物质渗漏，限制膜蛋白的流动，维持细胞的极性,41,斑块连接,板块连接：所有连接都是通过细胞质膜内侧的斑块与细胞骨架连接起来，也称锚定连接；以维持机体结构的稳定性，具有一定的强度！根据跨膜蛋白与肌动蛋白连接还是中间纤维连接，分为：黏着连接：与肌动蛋白连接，Ca依赖性，产生信号转导黏着带：相邻细胞间连接黏着斑：细胞同细胞外基质连接桥粒连接：与中间纤维连接，锚定到细胞骨架上桥粒（完全桥粒）：相邻细胞间连接半桥粒：细胞同细胞外基质连接,42,细胞骨架在黏着中的重要性,增强组织强度；更形成了组织网络和组织整体。,43,通讯连接,通讯连接是特殊的细胞连接方式，除了具有机械的细胞连接作用之外，还可以在细胞间形成电偶联或代谢偶联；动物中：间隙连接；植物中：胞间连丝,44,动物中-间隙连接,连接子，跨膜蛋白，由4-6个相同或相似的连接蛋白组成；水性通道；相邻蛋白分别用各自的连接子对接成细胞间的通道；允许离子和小分子通过，第二信使也可直接通过；电偶联和代谢偶联，只要有部分细胞接受信号分子的作用，可以使整个细胞群发生反应；形成“细胞群”受Ca2+和H+等的调控,45,间隙连接在发育中的作用,在发育的特定过程中，一部分细胞与另一部分失去偶联，各自发展；而同一部分的则互相保持偶联，以协调的方式发展。最终发育成不同的组织和器官。在发育的某些阶段，某些小分子的物质可以通过间隙连接从高浓度区域移到低浓度区域，从而在一群细胞中建立浓度梯度，建立“位置信息”,46,胞间连丝,植物细胞壁中的小开口；一个狭窄的、直径约30-60nm的圆柱形细胞质通道，穿过细胞壁；中间有连丝微管；一般认为其是由光面内质网衍生而来；将细胞质膜，细胞质，内质网交融在一起；传递物质和信息，胞间连丝的孔可以扩张，能允许蛋白质等大分子通过（与间隙连接的不同）,47,小结,细胞与细胞间，细胞与胞外基质间的识别是组织，器官形成的关键；细胞间的识别和连接主要由各式的蛋白质起桥梁作用，这些连接不仅起到物理连接的作用，而且还起到传递信号的作用，使得细胞协同活动。,48,整联蛋白的信号转导,整联蛋白与胞外基质相互作用；激活Src激酶，最终信号传递入核，诱导与生长和增值相关的基因转录；这就是细胞通过表面接触导致增值的原因,49,纤维素,强度很高，与同类粗细的钢管类似；,5