细胞生物学教学课件第14章 细胞连接

第十五章细胞连接和细胞外基质,Chapter15celljunctionandExtracellularmatrix,多细胞生物的组织中，细胞与细胞间和细胞与细胞外基质间往往形成一些结构关系，这些结构称为细胞连接(celljunctions)。,第一节细胞连接,细胞连接是动物细胞表面某些部位的特化结构，是相临动物细胞的质膜发生相互作用的区域。植物细胞没有动物细胞那样的细胞连接,而具有胞间连丝(plasmodesmata)的特殊结构。,细胞连接,连接中间纤维,连接肌动蛋白丝,第二节细胞之间的连接结构,通讯连接,锚定连接,封闭连接,一、封闭连接(occludingjunctions),封闭连接的功能是连接相邻细胞、封闭细胞间隙，进而防止大分子从细胞间隙穿过，故又被称为不通透连接(impermeablejunction)。,主要指普遍存在于脊椎动物中的紧密连接(tightjunctions)，是存在于脊椎动物上皮细胞间以及表皮细胞间的连接。,紧密连接(tightjunction)又称封闭小带(zonulaoccludens)，这种连接环绕细胞表面形成带状区，与其四周相邻细胞构成连接。,1、紧密连接的分子结构,在连接区内，质膜上有许多跨膜蛋白质分子排成分支链索条与相邻细胞质膜上的链索条对应结合，将细胞间隙密封起来。,在切面上看，连接区质膜的一些位点发生融合。于融合处，相邻细胞质膜中的整合蛋白颗粒对应结合，沿质膜排列成条索。条索分支、吻合，从而形成了分支的链索网。,紧密连接,紧密连接,封闭条索,0.5m,微绒毛,质膜,局部连接,局部连接,50nm,第二节细胞之间的连接结构,两相临质膜的条索状结构可能是借助于特定蛋白质和二价阳离子粘合在一起(因为蛋白酶和螯合剂能使之分离)。,形成紧密连接的跨膜蛋白称为Tj蛋白；此外，在连接处质膜内表面还有4种蛋白质：带形蛋白(cingulin)、ZO-1、ZO-2和7H6，可能与紧密连接的构建和同细胞骨架的连接有关。,第二节细胞之间的连接结构,紧密连接的主要作用：封闭相邻细胞间的接缝，防止一些大分子在细胞间隙中自由穿行。由于紧密连接的存在，迫使物质只能穿过细胞进入体内，从而保证了机体内环境的相对稳定！消化道上皮、膀胱上皮、脑毛细血管内皮（脑血屏障）以及睾丸支持细胞之间（睾血屏障）都存在紧密连接，保护这些重要器官和组织避免或减轻来自异物的侵害。,2、紧密连接的功能,(1)封闭作用:,第二节细胞之间的连接结构,紧密连接阻止物质穿过细胞间隙进入体内,第二节细胞之间的连接结构,细胞间隙的封闭,迫使大分子必须经过细胞选择途径被吸收或转运,主动运输,协助扩散,紧密连接能机械地将相临细胞连接成一整体：如脑血屏障、血睾屏障、肠上皮细胞的吸收等。,紧密连接的的存在可防止膜蛋白的自由扩散，使膜蛋白定位于质膜的一定区域之中。,(2)膜蛋白在质膜中的定位:,(3)机械连接作用:,二、锚定连接(anchoringjunctions):,机械地将相邻细胞或将细胞与基底膜相连形成一个牢固而有序的细胞群体或组织;广泛存于各种上皮细胞中,特别是在受机械张力较大的组织中尤为丰富,如心肌、膀胱、子宫、子宫颈和皮肤表皮等处桥粒的量多而且大。,粘合带,点状桥粒,中间纤维,肌动蛋白丝,锚定连接作用图解,又称粘合带(adhesionbelt;zonulaadherens)或中间连接(intermediatejunctions)。此种连接呈带状，环绕整个细胞，其位置一般位于上皮细胞顶侧面紧密连接的下方。在粘合带处，相邻细胞间有间隙。间隙两侧的质膜有伸出的跨膜蛋白，相互粘合，将相邻细胞的质膜连在一起。,（一）粘合连接,(adherensjunction),粘合带结构图解,间隙中的粘合分子为钙粘蛋白(cadherins)，已发现十几种。,钙粘蛋白的质膜内侧有几种附着蛋白结合在一起：-，-，-连锁蛋白(catenin)、粘着斑蛋白(vinculin)、-辅肌动蛋白(-actinin)和片珠蛋白(plakoglobin)。,粘合蛋白分子为一次穿膜糖蛋白(约700750个氨基酸残基)。,其肽链伸出质膜外的部分很长，褶叠成5个区，末端4个区具有Ca2+结合部位(高度钙依赖性),钙粘蛋白通过此附着蛋白组与质膜下方的平行于质膜排列的肌动蛋白丝束相结合。,相邻细胞中的肌动蛋白丝束通过钙粘蛋白和附着蛋白编织成了一个广泛的穿细胞网，把相邻细胞联合在一起。,广泛存在于无脊椎动物组织中的一种特殊连接。,（二）隔状连接,(septatejunctions),连接处的质膜下方亦有肌动蛋白丝束，其作用可能与粘合连接相同。,第二节细胞之间的连接结构,在1517nm的细胞间隙中规则排列有一定间距的隔膜,可能由蛋白质颗粒构成，但连接蛋白的性质尚不清楚。,细胞与细胞外基质间亦存在粘合连接，使细胞中的肌动蛋白丝束和基质连接起来。,（三）点接触,(FocalContact),第二节细胞之间的连接结构,连接处的质膜呈盘状，称为粘着斑(adhesionplaques)。,肌动蛋白丝束,基质,整联蛋白,在斑处靠一种穿膜连接蛋白整联蛋白(integrin)把肌动蛋白丝束和基质连接起来。,点接触结构图解,第二节细胞之间的连接结构,存在于承受强拉力的组织中，如皮肤、口腔、食道等处的复层鳞状上皮细胞之间和心肌中。在连接处细胞间形成纽扣状结构，质膜下方有细胞质蛋白附着，如片珠蛋白、桥粒斑蛋白(desmoplakins)等，形成一致密的细胞质斑。,（四）桥粒,(desmosomes),第二节细胞之间的连接结构,桥粒的电镜图象和结构示意图显示与桥粒斑相连的角蛋白丝(一种中间纤维),大多数上皮细胞中：角蛋白丝(keratinfilaments)心肌细胞中：结蛋白丝(desminfilaments)大脑表皮细胞中：波形蛋白丝(vimentinfilaments),桥粒中将质膜联起来的粘合分子亦为Ca2+依赖性的跨膜粘合蛋白-钙粘蛋白。不同组织来源的桥粒复合体的化学组成也不同,现已从桥粒中分离出三种具有N-糖苷寡糖链的复合型糖蛋白(DGI-III)和两种非糖蛋白(DPI-II)。,斑上所连中间纤维的性质因细胞类型而异：,桥粒的结构不如紧密连接牢固,用胰蛋白酶、胶原酶、透明质酸酶及金属离子螯合剂(EDTA)均可破坏桥粒结构。,相邻细胞中的中间纤维通过细胞质斑和钙粘蛋白构成了穿胞细胞骨架网络，因此胞质中的细胞骨架通过桥粒而相互连接成一连续纤维网,犹如一根大梁一般支撑着整个上皮层。,桥粒结构示意图上皮细胞间通过桥粒结构形成了穿膜中间丝网络，相邻质膜由钙粘蛋白粘合在一起,（五）半桥粒,在上皮细胞基面与结缔组织之间有一层由细胞外基质组成的特化结构，即基膜(basallamina)。上皮细胞基面与基膜之间也存在有桥粒结构，因为只有半个钮扣式结构故而称为半桥粒(hemi-desmosomes)，与之相连的中间纤维不是穿过而是终止在胞质板中，从而将细胞与基底膜铆接在一起。体外培养时,细胞通过半桥粒固定在生长基质上。,(hemi-desmosomes),半桥粒与上皮细胞间的桥粒有如下不同之处：,半桥粒只在细胞内形成桥粒斑结构，其另一侧为基膜；穿膜连接蛋白为整联蛋白(integrins)家族成员（细胞外基质的受体蛋白），而不是钙粘蛋白(桥粒中)；细胞内的胞质附着蛋白与桥粒中的不同。,半桥粒与桥粒的结构对比图解,动物界中所有动物的大多数组织都存在间隙连接。在连接处细胞间有24nm的缝隙，故尔得名。间隙连接处有许多排列规则的微型管道，将相邻细胞的质膜连接起来。这些管道由相邻细胞各提供一半，每一半都是由6个跨膜蛋白分子围成的结构单元，称为连接子(connexon)。,（一）间隙连接(gapjunction),三、通讯连接(communicacatingjunctions),质膜横切面上显示出的间隙连接电镜图象大鼠肝分离出的间隙连接负染色电镜图，示连接子(自N.E.Gilula),纵切面,冰冻蚀刻表面观,间隙连接与连接子的电镜照片,围成连接子的跨膜蛋白称为连接子蛋白(connexin)，其肽链以-螺旋4次穿膜。连接子的中央有亲水通道，允许无机离子和分子量小于1kDa的小分子(如糖、氨基酸、核苷酸和维生素)自由穿过通道。但一些大分子（如蛋白质、核酸和多糖）则不能通过。,连接子通道的开关可受到调节：降低细胞质溶质中的pH或提高细胞质溶质中的游离Ca2+的浓度，则间隙连接的通透性立即降低。两侧电压和化学信号也可以调控间隙连接的开关。,间隙连接在细胞间建立起通讯偶联关系，对细胞和机体的生命活动有着重要的影响，其主要功能有以下几方面：,细胞分化：,协调代谢：,电兴奋传导：,为胚胎提供了一条细胞间信号传递的途径，是传递控制细胞生长和分化的信息的结构基础,间隙连接允许离子和小分子通过，从而可协调细胞间的代谢活动,间隙连接起传导电信号的作用，可在瞬间将一些细胞的电兴奋活动传递到相邻的细胞，可保证组织细胞的反应速度和反应的严格同步化(如鱼和昆虫的快速逃脱反应,心肌收缩)；神经末梢处电紧张突触,为神经肌肉接点处、通过释放神经递质而传导神经冲动的突触。其模式结构：,（二）化学突触,(chemicalsynapse),释放神经递质的神经元轴突末梢,神经递质受体,为通过释放神经递质而传导神经冲动的突触,第二节细胞之间的连接结构,引起肌肉收缩等生命活动,Ca2+,半桥粒,点接触,基膜,动物细胞连接类型的模式图解,第二节细胞之间的连接结构,细胞表面的粘连分子,同种类型细胞间的彼此粘连是许多组织结构的基本特征。细胞与细胞间的粘连是由特定的细胞粘连分子所介导的。粘连分子的特征与类型粘连分子均为整合膜蛋白，在胞内与细胞骨架成分相连；多数要依赖Ca2+或Mg2+才起作用。,类型,钙粘素（Cadherins）选择素（Selectin）免疫球蛋白超家族的CAM(Ig-Superfamily，IgSF)整合素（Integrins）质膜整合蛋白聚糖也介导细胞间的粘着。,非锚定连接的细胞间粘着方式1.钙粘素；2.免疫球蛋白类细胞粘着分子3.选择素；4.整合素；5.质膜整合蛋白聚糖,植物细胞间有独特的通讯连接结构，称为胞间连丝(plasmodesmata)。胞间连丝类似于动物细胞间的间隙连接，也是在相邻细胞间使细胞质相连。但是二者在结构上差别很大。,四、胞间连丝,第二节细胞之间的连接结构,胞间连丝是由穿过细胞壁的质膜围成的细胞质通道，直径约2040nm。通道中有一由膜围成的筒状结构，称为连丝小管(desmotubule)。连丝小管是由光面内质网特化而成，管的两端各与一个细胞中的内质网相连。连丝小管与胞间连丝的质膜内衬之间，填充有一圈细胞质溶质(cytosol)。一些小分子可通过细胞质溶质环在相邻细胞间传递。,胞间连丝在功能上与动物细胞间的间隙连接类似，它亦允许分子量小于0.8kD的分子通过，在相邻细胞间起通讯作用。,但通过胞间连丝的分子运输也要受到调节。然而某些植物病毒能制造特殊的蛋白质，这种蛋白质同胞间连丝结合后，可使胞间连丝的有效孔径扩大，使病毒粒子得以通过胞间连丝在植物体内自由播散和感染。,第二节细胞之间的连接结构,多细胞生物体组织中在细胞之间存在有由一些蛋白质和多糖大分子构成的精密有序的细胞间结构网络细胞外基质(extracellularmatrix,ECM)。,第二节细胞外基质,ECM在多细胞生物中普遍存在，它不同于细胞外被：,第三节细胞外基质,在动物组织中，ECM的含量因组织种类不同而异。如结缔组织中含量很大，而上皮组织则很少。,ECM不单纯是生物体的支持和连接结构，其功能多种多样，对细胞的分化、增殖、形状、迁移和功能活动都有重要的影响。,第三节细胞外基质,ECM的体积要大于细胞所占的体积,动物体四大组织,第三节细胞外基质,ECM,第三节细胞外基质,葡糖醛酸(glucuronicacid)或艾杜糖醛酸(iduronicacid),一、多糖的分子结构,（一）糖胺聚糖,不分枝糖链,N-乙酰葡糖胺(N-acetyl-glucosamine)或N-乙酰半乳糖胺(N-acetylgalactosamine),大都硫酸化,(glycosaminoglycan,GAG),(曾称粘多糖),第三节细胞外基质,透明质酸(hyaluronicacid)；硫酸软骨素(chondroitinsulfate)和硫酸皮肤素(heparansulfate)；硫酸类肝素(heparansulfate)和肝素(heparin)；硫酸角质素(keratansulfate)。,根据糖残基性质、连接方式和硫酸基数量和存在部位，可将糖胺聚糖(GAG)分为4类：,第三节细胞外基质,在4类多糖中，透明质酸的分子结构最为简单，是唯一不含硫酸的成员。,ECM中的透明质酸不是由细胞分泌产生的，而是由质膜中的酶复合物直接从细胞表面合成的。,透明质酸分子,透明质酸是由25000多个二糖单元重复连接而成，存在于动物所有组织和体液中。,第三节细胞外基质,在成体组织和关节中抵御压力；在胚胎发育中的空隙填充物，保持结构形状；为形成组织结构准备空间；起润滑剂的作用(关节液的重要成分)；伤口愈合。,透明质酸的功能是多方面的：,第三节细胞外基质,除透明质酸外的所有GAG均可与蛋白质共价结合，形成更加复杂的高分子量复合物蛋白聚糖。所结合的蛋白质称为核心蛋白(coreprotein)。,（二）蛋白聚糖,1、分子结构,第三节细胞外基质,蛋白聚糖链还可以透明质酸为中轴结合成巨大的多体复合物，聚集素(aggrecan)即是1个典型代表。,胎牛软骨的1个聚集素集合体,Mr.105kD体积相当于1个细菌的大小,胎牛软骨的一个聚集素集合体约由100条蛋白聚糖组成，每条蛋白聚糖单体经2个连接蛋白分子同1条透明质酸链结合。连接蛋白起稳定集合体的作用。,第三节细胞外基质,几种常见的蛋白聚糖,第三节细胞外基质,蛋白聚糖的功能取决于其核心蛋白和GAG的性质:,3、蛋白聚糖的功能,第三节细胞外基质,二、纤维蛋白,第三节细胞外基质,胶原(collegen)是多细胞动物中的典型纤维蛋白，构成了结缔组织、骨和软骨的主要组成成分。胶原是哺乳动物中最丰富的蛋白质，其重量约占体内蛋白质总重的25%。,（一）胶原(collagen),第三节细胞外基质,结缔组织中平行胶原纤维的形态,结缔组织中含有的大量而丰富的胶原纤维,鸡胚皮肤的结缔组织中被胶原原纤维包围的成纤维细胞,第三节细胞外基质,由胶原(collagen)分子装配成的最常见的结构形式是胶原纤维(collagenfiber)(直径达数微米)。,1.胶原的分子结构,在电镜下，胶原纤维又由若干直径约10300nm、长几百微米的胶原原纤维(collagenfibril)平行排列而成。,第三节细胞外基质,每条胶原原纤维是由胶原分子规则装配而成，胶原分子首尾相接连成线，并列成束，组成胶原原纤维。由于分子行排列极其规则，从而使原纤维显现出周期性的横带。,胶原原纤维电镜图胶原溶液经1NaCl透析沉淀产生的胶原原纤维，显示出胶原周期(64.9nm),胶原分子规则交错排列使胶原原纤维呈现横条纹图解,第三节细胞外基质,胶原链呈左手型螺旋构象，每3个氨基酸螺旋一圈，其中有一个为Gly残基，形成Gly-X-Y三肽序列，X和Y可以是任何一种氨基酸(但X常为脯氨酸，Y为羟脯氨酸)。,胶原分子是由3股肽链以绳索纽绞的方式形成右手型超螺旋结构,Gly,甘氨酸和脯氨酸的含量极为丰富,第三节细胞外基质,第三节细胞外基质,胶原分子的多肽链在RER核糖体上合成-前链(前原酶：信号肽+前肽序列)。每1条前链与其它两条前链通过由羟基形成的氢键相互结合，构成了3股右手螺旋的前胶原(procollagen)分子。,2.胶原的分泌与装配,第三节细胞外基质,胶原原纤维形成过程中在细胞内和在细胞外的变化示意图,第三节细胞外基质,质膜下方的细胞骨架对原纤维的装配部位、速率和方向具有一定的影响。原纤维一旦形成，胶原分子便通过在赖氨酸间的共价结合，加固了原纤维的结构。这种结合要依赖于原纤维结合胶原(fibril-associatedcollagen)（如IX型和XII型胶原分子）的参与。,第三节细胞外基质,胶原的功能,胶原在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,细胞外基质中的其它组分通过与胶原结合形成结构与功能的复合体在不同组织中，胶原组装成不同的纤维形式,以适应特定功能的需要；胶原可被胶原酶特异降解，而参入胞外基质信号传递的调控网络中。,在脊椎动物中，有许多组织的ECM均含有由弹性纤维组成的网架。弹性纤维具有弹性，使组织富有弹性。,（二）弹性蛋白,基质中无弹性的胶原纤维与弹性纤维交织在一起，使组织既抗张力又具有弹性，从而保护组织避免因强力牵拉而被撕裂。,第三节细胞外基质,弹性蛋白分子网伸缩变化示意图,拉伸方向,拉伸方向,弹性蛋白分子被分泌出细胞后，在近邻质膜处装配成弹性纤维；在弹性蛋白分子之间以赖氨酸残基相互交联中,锁链素(desmosine)起中介作用。,第三节细胞外基质,弹性纤维的主要成分为弹性蛋白(elastin)。弹性蛋白(750个氨基酸)具有很强的疏水性，富含脯氨酸和甘氨酸，但不糖基化。,弹性蛋白多肽链是由两种短片段交替排列组成：,一种为疏水性片段，使分子具有弹性；另一种富含丙氨酸和赖氨酸的片段，形成螺旋结构，在相邻分子间建立起横连共价键。,两个片段分别各由一个外显子编码。,第三节细胞外基质,起粘合作用的纤维蛋白分子是由多个区组成，每个区都含有可同其它ECM大分子或细胞表面受体专一结合的位点。,（三）起粘合作用的纤维蛋白,这些蛋白质既可相互结合组装成ECM结构，亦可使细胞与ECM相结合。在脊椎动物中，研究得最清楚的起粘合作用的纤维蛋白有纤连蛋白(fibronectin)和层粘连蛋白(laminin)。,第三节细胞外基质,培养细胞中纤连蛋白的免疫荧光图像,第三节细胞外基质,(1)纤连蛋白的分子结构：纤连蛋白是一种糖蛋白，是由两个亚基组成的二聚体，在近羧基端有1对二硫键将两个亚基连在一起，使两个亚基排成“V”字形。每1亚基长约2500个氨基酸残基。亚基多肽链折叠成56个棒状和球形功能区，功能区之间的连接部位可折屈，对蛋白酶敏感。,1.纤连蛋白,第三节细胞外基质,分子中两条多肽链由同一个基因编码，由不同剪接的mRNA翻译而成，两亚基分别有5或6个功能区，各功能区分别可与特定分子或细胞发生专一结合,纤连蛋白二体的EM照片及其分子结构,第三节细胞外基质,Thefibronectindimer,多肽链含有三种重复序列，即I、II、III型组件。功能区即是由这三种组件重复组合而成。,其中最主要的组件是III型纤连蛋白重复(typeIIIfibronectinrepeat)，长约90个氨基酸残基。每一亚基中至少含有15个III型重复。在III型重复中含有一专一的三肽序列-Arg-Gly-Asp-(RGD)RGD序列。,第三节细胞外基质,RGD序列可被细胞表面基质受体中的整联蛋白(integrin)所识别。,第三节细胞外基质,FibronectinReceptorsformafamilyofheterodimerictra