细胞生物学-细胞外基质A细胞骨架

细胞外基质(extracellularmatrix，ECM),细胞外基质(extracellularmatrix，ECM),主要功能：构成支持细胞的框架，负责组织的构建；对细胞形态、生长、分裂、分化和凋亡起重要的调控作用。胞外基质的信号功能,细胞外基质是机体发育过程中由细胞分泌到细胞外间隙的各种生物大分子，组装构成的结构精细的网络。,细胞外基质,Cellssurroundedbyspacesfilledwithextracellularmatrix.Theparticularcellsshowninthislow-powerelectronmicrographarethoseinanembryonicchicklimbbud.Thecellshavenotyetacquiredtheirspecializedcharacteristics.,细胞外基质从结构形式上看，主要由凝胶样基质和纤维网架构成。氨基聚糖和蛋白聚糖构成凝胶样基质，纤维网架由起结构作用的胶原和弹性蛋白以及起黏着作用的成分如纤粘连蛋白和层粘连蛋白构成。,细胞外基质不同于以共价键形式结合于膜脂、膜蛋白上的多糖链细胞被。其主要是通过与细胞膜中的整联蛋白结合而构成细胞间相互联系的结构网络,蛋白聚糖(proteoglycan)，是由氨基聚糖(glycosaminoglycans)以共价的形式与线性多肽连接而成的多糖和蛋白复合物，它们能够形成水性的胶状物。结构纤维，如胶原和弹性蛋白，它们赋予细胞外基质一定的强度和韧性。粘着蛋白(adhesiveproteins):如纤连蛋白和层粘连蛋白，它们促使细胞同基质结合。以胶原和蛋白聚糖为基本骨架在细胞表面形成纤维网状复合物，并通过细胞质膜中的整联蛋白将细胞外与细胞内连成了一个整体。,细胞外基质的主要组分,氨基聚糖（GAG）是由氨基己糖（N氨基葡萄糖或N氨基半乳糖）和葡萄糖醛酸二糖重复排列聚合形成的直链多糖的结构单位。,一、氨基聚糖,氨基聚糖中常见的重复二糖单位,氨基聚糖种类,透明质酸皮肤结缔组织软骨滑液玻璃体4-硫酸软骨素皮肤骨软骨动脉角膜6-硫酸软骨素皮肤骨动脉角膜硫酸角质素软骨椎间盘角膜硫酸皮肤素皮肤血管心脏心瓣膜硫酸乙酰肝素肺动脉细胞表面肝素肝肺皮肤肥大细胞,蛋白聚糖是由核心蛋白质的丝氨酸残基与氨基聚糖共价结合的产物。,二、蛋白聚糖,蛋白聚糖在高尔基复合体中进行装配和修饰。在核心蛋白的丝氨酸残基上结合一个由四糖组成的连桥，再逐个添加糖基，形成蛋白聚糖单体。各单体再与透明质酸以非共价键结合，形成蛋白聚糖多聚体。,分子量最大的氨基聚糖。结构相对简单，唯一不含硫酸基的氨基聚糖，唯一以非共价键形式与蛋白结合的氨基聚糖。透明质酸是一种重要的氨基聚糖，是增殖细胞和迁移细胞的细胞外基质的主要成分。在胚胎发育或创伤修复过程中，可促进细胞增殖，有利于细胞的迁移。此过程结束时，即被透明质酸酶降解，细胞相互接触并进入分化状态。,关于透明质酸：,氨基聚糖与蛋白聚糖的功能,*使组织具有弹性和抗压性。*对物质转运有选择渗透性。*角膜蛋白聚糖具有透光性。*糖胺聚糖有抗凝血作用。*细胞表面的蛋白聚糖有信息传递作用。*糖胺聚糖和蛋白聚糖与组织老化有关。,三、结构纤维胶原(collagen)和弹性蛋白(elastin),1.胶原：是细胞外基质中含量最丰富的纤维蛋白。胶原纤维的基本结构单位是原胶原；原胶原是由三条肽链盘绕成的三股右手螺旋结构；原胶原肽链具有Gly-x-y（甘氨酸-脯氨酸-羟脯氨酸/羟赖氨酸）重复序列；在胶原纤维内部，原胶原蛋白分子呈1/4交替平行排列,形成周期性横纹。,常见的胶原类型及其在组织中的分布,型胶原纤维束,主要分布于皮肤、肌腱、韧带及骨中，具有很强的抗张强度;型胶原主要存在于软骨中;型胶原形成微细的胶原纤维网，广泛分布于伸展性的组织，如疏松结缔组织;型胶原形成二维网格样结构，是基膜的主要成分及支架。,胶原的合成装配与降解,胶原的功能,胶原在不同组织中行使不同功能。刺激上皮细胞增殖、分化和凋亡。组织在发育过程中的不同阶段表达不同类型的胶原。,弹性蛋白是弹性纤维(elasticfibers)的主要成分。弹性纤维主要存在于韧带和脉管壁。由750-830个氨基酸残基组成，其中富含甘氨酸和脯氨酸。肽链无糖基化修饰，具有高度的疏水性。,2.弹性蛋白,高度疏水的非糖基化蛋白。没有Glyxy重复序列,构象呈无规则卷曲状态.通过赖氨酸Lys残基互相交联形成网状结构。与无弹性的胶原蛋白交织，维持皮肤的韧性。老年组织中弹性蛋白生成减少，降解增强，致皮肤弹性降低起皱。,2.弹性蛋白,1.层粘连蛋白(laminin),四.粘着蛋白,胚胎发育过程中出现最早的细胞外基质成分。由一条重链和两条轻链构成细胞通过层粘连蛋白锚定于基膜上；层粘连蛋白中至少存在两个不同的结构域：与型胶原的结合部位；RGD序列:与细胞质膜上的整合素结合的Arg-Gly-Asp(R-G-D)序列。,2.纤粘连蛋白(fibronectin，FN),RGD序列:FN中与整合蛋白结合的结构域中的Arg-Gly-Asp三肽序列精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸,由两个或两个以上的亚单位通过C端形成的二硫键交联结合而成。,是动物界存在最为广泛的粘连蛋白。,在纤连蛋白的每一肽链亚单位中，都含有由不同的重复的氨基酸序列组成的三种不同类型、数目的模块结构，它们的特殊排列，构成了肽链上不同的功能结构域。,纤连蛋白的两种形式：可溶的血浆纤连蛋白，存在于血浆和各种体液中，由两条相似的多肽链构成的二聚体。不溶的细胞纤连蛋白由间质细胞分泌，广泛分布于细胞外基质、基底膜、细胞间及细胞表面，为多聚体结构。,渗滤素,基底膜与整联蛋白,基底膜是细胞外基质的特化结构形式，存在于多种组织之中。基底膜内主要含有IV形胶原蛋白，层粘连蛋白，内联蛋白和渗滤素。,1.基底膜,基底膜功能：1.结构支撑与连接作用：连接上皮组织与结缔组织2.分子筛滤和细胞筛选作用：参与机体组织的物质交换运输和细胞的运动3.参与组织的再生、细胞的迁徙,2.整联蛋白,是绝大多数细胞外基质组分受体的穿膜糖蛋白。充当联系细胞与细胞外基质整体结构的媒介。属整合蛋白家族，是细胞外基质组分受体的跨膜糖蛋白。配体：胶原、纤连蛋白、层粘连蛋白,整联蛋白的异二聚体分子结构,整联蛋白与其配体的亲和性较低，在细胞表面的数量较多，形成与细胞外基质之间较弱的多位点结合，有利于细胞调节与基质成分结合的牢度与可逆性，细胞可通过细胞膜上的这类受体与细胞外基质成分结合、分离、再结合、再分离，从而进行迁移。,2.整联蛋白,（一）细胞外基质对细胞生命活动的影响1.影响细胞的生存与死亡离巢凋亡：细胞必须特异而有选择地粘附于一定的细胞外基质上才能生存。2.直接影响和改变细胞的功能活动状态通过胞外基质的受体影响细胞骨架的组装而改变细胞的形态3.参与细胞增殖的调节细胞锚着依赖性生长现象：细胞只有粘附、铺展在一定的细胞外基质上，才能进行增殖。4.参与细胞分化的调控：5.影响细胞的迁徙,细胞外基质与细胞的相互作用,（二）细胞对细胞外基质的决定性作用1.细胞是所有细胞外基质产生的最终来源2.不同细胞性质及功能状态决定其细胞外基质的差异性细胞外基质的产生，完全取决于相应细胞的性质、功能及其生理状态。3.细胞外基质成分的降解是在细胞的调控下进行基质金属蛋白酶（MMPs）的激活。,第三节细胞骨架与细胞的运动,细胞骨架是广泛存在于真核细胞中的与保持细胞形态结构和细胞运动有关的蛋白纤维网架系统。广义的细胞骨架：包括细胞质骨架、细胞核骨架、细胞膜骨架和细胞外基质。细胞质骨架：微管、微丝和中间纤维；细胞核骨架：核基质、核纤层和核孔复合物。,一.细胞骨架,Microbubules,Microfilamemts,Intermediatefilaments,组成：微管microtubule20-30nm微丝microfilament5-6nm，中间纤维intermediatefilament7-11nm,细胞骨架的多功能性依赖于三类蛋白质纤维：微管、微丝、中间纤维。,细胞骨架组成,proteinfilamentsofcytoskeleton,*细胞骨架体系是一个高度动态结构，可随着生理条件的改变不断进行组装和去组装，并受各种结合蛋白的调节以及细胞内外各种因素的调控。,*每一种纤维由各自的蛋白质亚单位形成，三类骨架成分既分散存在于细胞内，又相互联系形成一个完整的骨架体系。,细胞骨架组成特点,细胞骨架的功能structureandsupportcontractilityandmotilityspatialorganizationintracellulartransportsignaltransductioncontrolofgeneexpression,微管-细胞质骨架系统的主要成分,一、微管,微管是存在于真核细胞中由微管蛋白和微管结合蛋白组装成的管状细胞器，于1963年首次在动物和植物细胞中发现并命名。,微管结构特点,细胞内微管呈网状和束状分布,控制膜性细胞器的定位及胞内物质的运输，并能与其他蛋白共同组装成纺锤体、中心体、纤毛、鞭毛等结构，参与细胞形态的维持、细胞运动和细胞分裂等。,微管的基本构件微管蛋白(tubulin)以微管蛋白异源二聚体为基本构件构成,微管蛋白是球形分子,有两种类型:微管蛋白和微管蛋白,这两种微管蛋白具有相似的三维结构,能够紧密地结合成二聚体,作为微管组装的亚基。和微管蛋白各有一个GTP结合位点,位于亚基上的GTP结合位点,是不可逆的结合位点，结合上去的GTP不能被水解，也不能被GDP替换。位于亚基上的GTP结合位点结合GTP后能够被水解成GDP，所以这个位点又称为可交换的位点(exchangeablesite,E位点)。还有一种微管蛋白,即微管蛋白,不是微管的组成成分,但是参与微管的组装。,微管的类型,单管：大部分细胞质微管是单管微管,它在低温、Ca2+和秋水仙素作用下容易解聚,属于不稳定微管。,二联管：常见于特化的细胞结构。二联管构成纤毛和鞭毛杆状部分,是运动类型的微管,它对低温、Ca2+和秋水仙素都比较稳定。,三联管：见于中心粒和基体，对于低温、Ca2+和秋水仙素的作用是稳定的。,微管结合蛋白,微管中除含有微管蛋白外，还有一些结合在微管表面的辅助蛋白，称为微管结合蛋白（microtubule-associatedprotein,MAP）。目前已发现四种MAPs,MAP-1,MAP-2,Tau和MAP-4.不同组织中分布不同。,MAPs的结构中具有两个结构域,一个是碱性的微管蛋白结合结构域,另一个是酸性的外伸的结构域。在电子显微镜下观察,外伸的结构域像是从微管壁上伸出的纤维臂。从微管上伸出的臂能与膜、中间纤维及其它微管结合。,1.参与微管的装配。2.维持微管的稳定及与其他细胞器间的连接。3.作为微管动力蛋白参与沿微管转运囊泡和颗粒物质。4.参与细胞内外的信号转导。,微管结合蛋白功能,微管的组装与去组装,除了特化细胞的微管外，大多数细胞质微管都是不稳定的，能够很快地组装(assembly)和去组装(disassembly)，从而改变微管的结构与分布。低温、提高Ca2+浓度、用某些化学试剂(如秋水仙素)处理活细胞都会破坏细胞质微管的动态变化，这些化学试剂与微管蛋白亚基或同微管多聚体结合，阻止微管的组装或去组装。,taxol,bindstobetatubulinsinprotofilaments,stabilizethemicrotubulecolchicine,vinblastine,bindstofreeheterodimers,preventthepolymerization,微管的装配过程：延迟期（成核期）、聚合期（延长期）、稳定期,微管组装的起始点微管组织中心(microtubuleorganizingcenter,MTOC)。存在于细胞质中决定微管在生理状态或实验处理解聚后重新组装的结构叫微管组织中心。,微管在细胞内的装配受到严格的时间和空间调控,MTOCs不仅为微管提供了生长的起点，而且还决定了微管的方向性。靠近MTOCs的一端由于生长慢而称之为负端(minusend),远离MTOCs一端的微管生长速度快,被称为正端(plusend),所以(+)端指向细胞质基质，常常靠近细胞质膜。,MTOC的主要作用是帮助完成微管组装过程中的成核反应，使微管从MTOC开始生长。即细胞质微管的组装受统一的功能位点控制，这是细胞质微管组装的独特的性质。包括：中心体、动粒、纤毛和鞭毛的基体等。,阴影部分是MTOCs.,包含一对中心粒、无定型蛋白基质及r-微管蛋白环。,MTOC,中心体(centrosome)是动物细胞中主要的微管组织中心，包括中心粒和中心粒周围基质(pericentriolarmatrix)。在细胞间期,位于细胞核的附近,在有丝分裂期,位于纺锤体的两极。中心粒(centrioles)是中心体的主要结构,成对存在,即一个中心体含有一对中心粒，且互相垂直形成“L”形排列。圆柱的壁由9组间距均匀的三联管组成，外面还有中心粒周围基质。微管从中心粒上开始形成,中心体是动物细胞中主要的MTOC,Thecentrosome,基体：是纤毛和鞭毛的微管组织中心基体与中心粒具同源性，结构、功能可以互换,影响微管组装与解聚的因素,GTP浓度、微管蛋白临界浓度、最适pH、Ca2+浓度、温度、药物作用等,秋水仙素和长春碱：微管蛋白异二聚体上有秋水仙素和长春碱结合的位点，与微管蛋白异二聚体结合之后，使微管蛋白异二聚体结构发生改变，从而阻止了微管的聚合，抑制了中期纺锤丝的形成，使细胞不能进入分裂后期而获得大量中期染色体。紫杉醇：只结合于聚合的微管上，使微管在细胞内大量积累，影响细胞的正常分裂。,taxol,stabilizesmicrotubulesratherthaninhibitingtheirassembly.Suchstabilizationalsoblockscelldivision,andtaxolisusedasananticanceragentaswellasanexperimentaltool.,Colchicineareexamplesofcommonlyusedexperimentaldrugsthatbindtubulinandinhibitmicrotubulepolymerization,whichinturnblocksmitosis.,微管参与细胞内物质运输,细胞内有一类蛋白质能够用ATP供能,产生推动力，介导细胞内物质沿细胞骨架运输，这种蛋白分子称为马达蛋白。,至今所发现的马达蛋白可分为三个不同的家族肌球蛋白(myosins)家族、驱动蛋白(kinesins)家族、动力蛋白(dyneins)家族。其中驱动蛋白和动力蛋白是以微管作为运行的轨道，而肌球蛋白则是以肌动蛋白纤维作为运行的轨道。,微管参与细胞内物质运输通过马达蛋白介导完成,马达蛋白（motorprotein）介导模式,微管的功能,构成细胞内的网状支架，支持和维持细胞的形态。微管参与中心粒、纤毛和鞭毛的形成。参与细胞内物质的运输。维持细胞内细胞器的定位和分布。参与染色体的运动，调节细胞分裂。参与细胞内信号的传导。,二、微丝,微丝（microfilament,MF）是普遍存在于真核细胞中由肌动蛋白（actin）组成的骨架纤维。,微丝的结构单位:肌动蛋白目前已发现3种肌动蛋白异构体：，人有6种基因型肌动蛋白：横纹肌型，心肌型，血管平滑肌型肌动蛋白：细胞质型，存在于非肌肉细胞质中肌动蛋白：细胞质型，肠平滑肌型,肌动蛋白的两种存在方式肌动蛋白以两种形式存在,即单体和多聚体。单体的肌动蛋白是由一条含375个氨基酸的多肽链构成的球形分子,又称球状肌动蛋白(globularactin,G-actin),肌动蛋白的多聚体形成肌动蛋白丝,称为纤维状肌动蛋白(fibrosactin,F-actin)。在电子显微镜下,F-肌动蛋白呈双股螺旋状,直径为8nm,螺旋间的距离为37nm。,单体G-肌动蛋白和纤维状F-肌动蛋白的结构,三个基本过程：成核期：G-肌动蛋白慢慢地聚合形成短的、不稳定的寡聚体，该过程较慢。延长期（生长期）：G-肌动蛋白单体快速地从短纤维的两端添加上去。平衡期：之所以称为平衡期，是因为在这个时期，G-肌动蛋白同F-肌动蛋白纤维末端上的亚基进行交换，但不改变F-肌动蛋白纤维的量。,微丝的组装过程,微丝的功能,构成细胞支架并维持细胞形态。参与细胞的运动。参与细胞的分裂。参与细胞的收缩。参与细胞内物质运输。参与细胞内信号传导。,影响微丝组装的因素,G-肌动蛋白浓度、Mg2+浓度、K+浓度、ATP等,鬼笔环肽：从一种毒性菇类中分离的剧毒生物碱，它同细胞松弛素的作用相反,只与聚合的微丝结合,而不与肌动蛋白单体分子结合。它同聚合的微丝结合后,抑制了微丝的解体,因而破坏了微丝的聚合和解聚的动态平衡。用荧光标记的鬼笔环肽对细胞进行染色可以在荧光显微镜下观察微丝在细胞中的分布。,细胞松驰素B：切断微丝并结合于微丝的末端，阻止新的单体加入，抑制其组装过程。常用于研究微丝的功能。,影响微丝组装的药物,鬼笔环肽(phalloidin),维甲酸对食管癌细胞EC109细胞骨架微丝结构的作用（FITC-鬼笔环肽染色，DAPI复染，荧光显微镜观察，100）左：对照组，右：维甲酸作用组,FITC-鬼笔环肽(phalloidin)特异性结合纤维状的肌动蛋白丝（F-actin），而与球状的肌动蛋白分子（G-actin）亲和性差，因此荧光标记的鬼笔环肽染色可以直接显示细胞骨架微丝的形态结构。,微丝结合蛋白(actin-bindingproteins),纯化的肌动蛋白在体外能够聚合形成肌动蛋白纤维，但是这种纤维不具有相互作用的能力，电镜下呈杂乱无章的堆积状态，也不能行使某种功能,原因是缺少微丝结合蛋白。,单体隔离蛋白交联蛋白末端阻断蛋白纤维切割蛋白膜结合蛋白肌动蛋白纤维去聚合蛋白,微丝的功能,构成细胞的支架，维持细胞的形态细胞皮层：指细胞膜下由微丝和微丝结合蛋白相互作用形成的网状结构，为细胞提供了强度和韧性，维持细胞的形态。应力纤维：细胞中由大量平行的微丝束构成的纤维状结构。参与细胞的运动变形运动