04细胞环境与互作

1、第四章. 细胞环境与互作细胞环境(图4-1)包括内环境和外环境， 互作包括细胞与细胞、细胞与环境之间的相互作用。这些作用主要是通过细胞表面进行的， 包括细胞识别、细胞粘着、细胞连接、细胞通讯等。本章主要集中讨论细胞的表面结构、细胞外基质、细胞识别、细胞粘着和细胞连接等。 图4-1 细胞与环境的关系4.1 细胞表面 细胞表面(cell surface)( 细胞表面是一个具有复杂结构的多功能体系。在结构上包括细胞被(cell coat)和细胞质膜。动、植物细胞间的连接结构、细菌与植物细胞的细胞壁以及表面的特化的结构, 如鞭毛等都可看成是表面结构的组成部分。在功能上,细胞表面是细胞质膜功能的扩展,它

2、保护细胞,使细胞有一个相对稳定的内环境；负责细胞内外的物质交换和能量交换,并通过表面结构进行细胞识别、信息的接收和传递、进行细胞运动, 以及维护细胞的各种形态,并且与免疫、癌变都有十分密切的关系) 结构上:包括细胞被(cell coat)和细胞质膜。 功能上:是细胞质膜功能的扩展，它保护细胞，使细胞有一个相对稳定的内环境；负责细胞内外的物质交换和能量交换，并通过表面结构进行细胞识别、信息的接收和传递、细胞运动以及维护细胞的各种形态，并且与免疫、癌变都有十分密切的关系。 4.1.1 细胞被(cell coat)( 由碳水化合物形成的覆盖在细胞质膜表面的保护层，称为细胞被, 由于这层结构

3、的主要成份是糖,所以又称为糖萼(glycocalyx),或多糖包被。糖被通常含有由细胞分泌出来的细胞外基质，厚约5nm，其中的糖类是与质膜的蛋白质分子、脂类分子共价结合形成糖蛋白和糖脂分子。糖被通常含有两种主要的成份: 糖蛋白和蛋白聚糖。它们都是在细胞内合成,最后分泌出来并附着到细胞质膜上。糖蛋白和糖脂的寡糖侧链所含糖基的数量少于15,但由于可通过共价键形成支链，所以排列方式却是多种多样。细胞被的基本功能是保护如消化道、呼吸道、生殖腺等上皮细胞的外被有助于润滑、防止机械损伤, 同时又可保护上皮组织不受消化酶的作用和细菌的侵袭。植物和细菌的细胞壁不仅可以保护细胞质膜和细胞器, 同时还赋予细胞以特

4、定的形状。革兰氏阳性菌的细胞壁是一种蛋白聚糖, 青霉素通过抑制它的合成而抑制敏感菌的生长。细胞被还参与细胞与环境的相互作用, 包括细胞与环境的物质交换, 细胞增殖的接触抑制、细胞识别等) 细胞被的结构与组成细胞质膜通常是由覆盖在细胞表面的保护层保护着，这种保护层即是细胞被。由于这层结构的主要成份是糖，所以又称为糖萼(glycocalyx)，或多糖包被(图4-2)。图4-2 细胞被用钌红染色，电子显微镜观察到的淋巴细胞的细胞被糖被通常含有两种主要的成份: 糖蛋白和蛋白聚糖(图4-3)。这些糖蛋白和蛋白聚糖都是在细胞内合成的，然后分泌出来并附着到细胞质膜上。图4-3 糖被的结构和组成示意图

5、0; 细胞被的功能 保护作用: 如消化道、呼吸道、生殖腺等上皮细胞的外被有助于润滑、防止机械损伤， 同时又可保护上皮组织不受消化酶的作用和细菌的侵袭。植物和细菌的细胞壁不仅可以保护细胞质膜和细胞器， 同时还赋予细胞以特定的形状。革兰氏阳性菌的细胞壁是一种蛋白聚糖， 青霉素通过抑制它的合成从而抑制细菌的生长。 参与细胞与环境的相互作用， 参与细胞与环境的物质交换， 细胞增殖的接触抑制、细胞识别等。4.1.2 植物的细胞外结构:细胞壁植物没有骨骼系统，但却有相当强度的细胞壁维持着植物的形态。细胞壁保护细胞免遭渗透及机械损伤，还保护植物免受微生物，特别是真菌和细菌的侵染。  细胞壁的化学组

6、成与结构 纤维素(cellulose): 植物细胞壁的主要成分是多糖， 其中最主要的是纤维素，它赋予植物细胞的硬度和强度，同动物细胞细胞外基质中的胶原具有相似的作用。在细胞壁中，由5060个纤维素分子形成一束，并且相互平行排列，形成长的、坚硬的微纤维(图4-4，4-5)。图4-4 纤维素微纤维的结构此电镜图所示的是绿藻细胞壁中单个纤维素微纤维的结构，每个微纤维的直径是25nm，由许多侧向排列的纤维素构成。图4-5 纤维素分子与纤维素微纤维(a) 纤维素分子，是由葡萄糖以(14)连接形成的链状多聚体;(b)由很多的纤维素链组成纤维素微纤维。 半纤维素(hemicellulose) 半纤维素是由几

7、种不同类型的单糖构成的异质多聚体(图4-6)，半纤维素木聚糖在木质组织中占总量的50%，它结合在纤维素微纤维的表面，并且相互连接，这些纤维构成了坚硬的细胞相互连接的网络。图4-6 半纤维素的化学组成(a) 组成半纤维素的5种单糖:-D-葡萄糖(Glc)， -D-半乳糖(Gal)， -D岩藻糖(Fuc)， -D-木糖(Xyl)， -D-阿拉伯糖(Ara);(b)半纤维素可能的结构。 果胶(pectin) 果胶是由半乳糖醛酸和它的衍生物组成的多聚体(图4-7)。果胶在细胞壁中的作用主要是连接相邻细胞壁，并且形成细胞外基质，将纤维素包埋在水合胶中。图4-7 果胶的化学组成和可能的结构(a) 果胶主要

8、是由半乳糖醛酸和鼠李糖构成的;(b) 果胶可能的结构排列 木质素(lignin) 是由聚合的芳香醇构成的一类物质，木质素主要位于纤维素纤维之间，它的作用是抵抗压力。 糖蛋白(glycoprotein) 也是植物细胞壁中的重要成分之一，总量占10%。最重要的一种糖蛋白叫伸展蛋白(extensin)，这种蛋白同其它的相关蛋白一起，与纤维素等形成交叉网络，产生一种加固蛋白质-多糖复合物的力。植物细胞被的主要成分有哪些? 各起什么作用? 植物细胞被的主要成分有哪些? 各起什么作用?（答案） 答: 主要成分包括:纤维素、半纤维素、果胶、木质素和糖蛋白。纤维素是由葡萄糖构成的，在细胞壁中，由5060个纤维

9、素分子形成一束，并且相互平行排列，形成长的、坚硬的微纤维。纤维素则相当于动物细胞外基质中的胶原。半纤维素是由几种不同类型的单糖构成的异质多聚体，这些糖是五碳糖和六碳糖，包括木糖、阿伯糖、甘露糖和半乳糖等。半纤维素木聚糖在木质组织中占总量的50%，它结合在纤维素微纤维的表面，并且相互连接，这些纤维构成了坚硬的细胞相互连接的网络。果胶(pectin) 是由半乳糖醛酸和它的衍生物组成的多聚体。类似动物细胞的粘多糖，很容易形成水合胶。果胶在细胞壁中的作用主要是连接相邻细胞壁，并且形成细胞外基质，将纤维素包埋在水合胶中。木质素(lignin)是由聚合的芳香醇构成的一类物质，主要存在于木质组织中，主要作用

10、是通过形成交织网来硬化细胞壁。木质素主要存在于纤维素纤维之间， 它的作用是抵抗压力。糖蛋白(glycoprotein) 在植物细胞壁中占总量10%。最重要的一种糖蛋白叫伸展蛋白(extensin)，这种蛋白同其它的相关蛋白一起，与纤维素等形成交叉网络，产生一种加固蛋白质-多糖复合物的力。细胞壁的结构以及各主要成份间的相互关系示于图4-8。图4-8 植物细胞壁中纤维素及其它几种主要成份间的关系  初生细胞壁与次生细胞壁植物有两种类型的细胞壁:初生细胞壁(primary cell wall)和次生细胞壁(secondary cell wall)，它们是在不同阶段分泌合成的(图4-9)。植

11、物的初生壁和次生壁是如何形成的? 初生壁和次生壁是如何形成的?（答案） 答: 细胞壁的分泌合成是逐步、分层次进行的，合成越早，最后离开质膜越远。首先形成的是中间层(middle lamella)，其构成成份主要是果胶。果胶是相邻两细胞壁所共有的，并且起到将两个细胞连接在一起的作用。分泌合成的第二个区带称为初生壁，是在细胞生长时期形成的。初生壁的厚度约为100200nm，与动物细胞的基膜相当。初生壁由纤维素、半纤维素、果胶和糖蛋白等松散组成。在初生壁中，果胶对于初生壁的弹性是十分重要的，使细胞在生长过程中进一步扩展。次生壁是在细胞停止生长后分泌形成的，主要是增加细胞壁的厚度和强度。次生壁位于初生

12、壁的内层， 纤维素和木质素是次生壁的主要成份，但基本不含果胶，这样使得次生壁非常的坚硬。次生壁是由几层纤维素微纤维组成，各自形成密集结实的层。图4-9 植物细胞壁的层次结构某些植物的细胞壁只有初生壁，有些既有初生壁，也有次生壁。4.1.3 细菌的细胞表面:细胞壁根据染色性能，细菌的细胞可分为两种类型革兰氏阳性(Gram-positive)菌和革兰氏阴性(Gram-negative)菌。染色的差异反映了结构和化学组成的不同， 因而这两种细菌的细胞壁的结构是不相同的。另外，革兰氏阳性菌只有一层膜结构，而革兰氏阴性具有两层膜结构(图4-10)。图4-10 革兰氏阳性菌与革兰氏阴性细胞外被的比较(a)

13、 革兰氏阳性菌，只有一层膜结构;(b)革兰氏阴性菌，具有两层膜结构  革兰氏阳性菌的细胞壁 胞壁质(murein):革兰氏阳性菌的细胞壁较厚，含有较多的胞壁质，或称为肽聚糖(peptidoglycan)。胞壁质的多糖组成主要是由N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸交替连接起来的。这些多糖链通过N-乙酰胞壁酸与短的肽桥结合，最后形成交联的三维网状结构(图4-11)， 图4-11 革兰氏阳性菌细胞壁中的胞壁质的结构。细胞壁由2040层交联网状肽聚糖构成。不仅如此，革兰氏阳性菌细胞壁中胞壁质还具有骨架作用决定细胞的形态。如何证明革兰氏阳性菌细胞壁中胞壁质还具有骨架作用决定细胞的形态? 如何证明

14、革兰氏阳性菌细胞壁中胞壁质还具有骨架作用决定细胞的形态?（答案） 答: 用溶菌酶水解细胞壁的胞壁质的实验可证明这一点，因为用溶菌酶水解了细菌细胞壁中的胞壁质之后，细菌就全部变成了球形。 磷壁酸(teichoic acis)革兰氏阳性菌的细胞壁中除了胞壁质外，还有其他的一些成份，较多的是磷壁酸，它是由甘油或核糖醇(ribitol)衍生物连接在一起形成的长的、负电性的聚合体。这种分子常常与胞壁质骨架共价结合在一起，其功能是稳定质膜和调节某些酶的活性。  革兰氏阴性菌的细胞壁图4-12所示是大肠杆菌的细胞壁结构， 与革兰氏阳性菌相比有两个主要差别: 革兰氏阴性菌的胞壁质比较薄，并且扩展交联

15、程度较低，这样革兰氏阴性菌细胞壁的硬度较差，并且使得这两类菌在染色反应上有所不同，由于革兰氏阴性菌胞壁酸含量少，染色后很容易被乙醇除去。 革兰氏阴性菌具有双层细胞质膜，一层位于胞壁质的外侧。外膜在化学组成上比较特别，它的内脂层是典型的磷脂层，但是外脂层几乎都是脂多糖， 使得外膜的渗透性很高。 图4-12 E.coli的细胞壁结构示意图在外膜的内侧，有一层或几层肽聚糖构成的细胞壁。两层膜之间具有周质间隙蛋白，起物质运输作用。  细菌细胞壁的合成及青霉素的抑制作用细菌细胞壁的生长是将新的肽聚糖添加到原有的肽聚糖的内侧，该过程需要许多酶的参与，其中大多数都定位于质膜上。由于细胞壁对于细菌是

16、至关重要的，所有参与合成的酶都是原核生物特有的。根据这一点，人们可以使用特殊的药物处理细菌的细胞，阻止细菌细胞壁的合成，从而达到临床治疗的作用，其中最典型的例子是青霉素的使用。为什么青霉素对革兰氏阳性菌具有抑制作用? 为什么青霉素对革兰氏阳性菌具有抑制作用?（答案） 答: 青霉素是由真菌产生的一种抗生素，它能够抑制参与细菌细胞壁肽聚糖装配后形成肽侧链的酶的活性，没有了侧链，细菌细胞就不能够抵抗正常的渗透压， 其结果被处理的细菌细胞就会破裂。青霉素主要是对革兰氏阳性菌起作用，因为革兰氏阴性菌的细胞壁中肽聚糖含量较少，所以对青霉素不太敏感。  细菌的荚膜荚膜(capsule)是细菌(包括

17、革兰氏阳性和革兰氏阴性菌)在适当的环境条件下形成的细胞最外面的保护层(图4-13)，主要成份是多糖，也有少量的多肽。荚膜不是细菌的必需结构，但是它的形成能够更好地保护细菌，同时也提高了细菌的感染力，这对于人类和动物都是不利的。4.2 细胞外基质(extracellular matrix，ECM)( 细胞外基质是由动物细胞合成并分泌到胞外、分布在细胞表面或细胞之间的大分子, 主要是一些多糖和蛋白, 或蛋白聚糖。细胞外基质对于一些动物组织的细胞具有重要作用。细胞外基质的组成可分为三大类 糖胺聚糖(glycosaminoglycans)、蛋白聚糖(proteoglycan), 它们能够形成水性的胶状

18、物，在这种胶状物中包埋有许多其它的基质成分；结构蛋白，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(adhesive):如纤粘连蛋白和层粘联蛋白，它们促使细胞同基质结合。其中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,这种复合物通过纤粘连蛋白或层粘连蛋白以及其他的连接分子直接与细胞表面受体连接;或附着到受体上。由于受体多数是膜整合蛋白,并与细胞内的骨架蛋白相连,所以细胞外基质通过膜整合蛋白将细胞外与细胞内连成了一个整体)植物细胞的表面结构是细胞壁，而动物细胞的表面结构是细胞外基质。 4.2.1 细胞外基质的基本组成和功能细胞外基质是由细胞合成并分泌到胞

19、外、分布在细胞表面或细胞之间的大分子， 主要是一些多糖和蛋白， 或蛋白聚糖。细胞外基质对于一些动物组织的细胞具有重要作用。  组成和结构细胞外基质的组成成分分为三大类: 蛋白聚糖(proteoglycan)， 是由糖胺聚糖(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; 结构蛋白，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(adhesive proteins):如纤粘连蛋白和层粘连蛋白，它们促使细胞同基质结合。其中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

20、白将细胞外与细胞内连成了一个整体(图4-13)。图4-13 细胞外基质的组成和可能的结构 动物细胞的细胞外基质和植物细胞的细胞壁的共同特征是什么? 动物细胞的细胞外基质和植物细胞的细胞壁的共同特征是什么?（答案） 答: 动物细胞的细胞外基质的主要成份是胶原，而植物细胞壁的主要成份是纤维素。共同的特征是:它们都是长长的坚硬的纤维，并且这些纤维都是包埋在两性的基质中，在基质中充满了糖蛋白或多糖。如果将植物细胞的细胞壁看成是动物细胞的细胞外基质，二者间有许多相似之处(表4-1)。表4-1 动物细胞的细胞外基质与植物细胞壁的主要组成生物细胞外结构结构纤维水合基质成份粘着分子动物细胞细胞外基质胶原蛋白聚

21、糖纤粘连蛋白  弹性蛋白 层粘连蛋白植物细胞细胞壁纤维素半纤维素    果胶和伸展蛋白-能够分泌和形成细胞外基质的主要细胞类群是成纤维细胞(fibroblast)和少数其他特化组织的细胞。各种不同组织的细胞分泌形成的细胞外基质在特性上有显著的差异(图4-14)。图4-14 骨细胞、软骨组织和结缔组织细胞外基质的扫描电镜照片左：骨细胞； 中：软骨组织； 右：结缔组织 细胞外基质的主要功能 对细胞的形态和细胞活性的维持其重要作用； 帮助某些细胞完成特有的功能； 同一些生长因子和激素结合进行信号传导； 此外， 某些特殊的细胞外基质

22、也是细胞分化所必需的。胚胎发育的最后阶段-形态建成(morphogenesis)也需要某些细胞外基质的成份。细胞外基质具有哪些功能? 细胞外基质具有哪些功能?（答案） 答: 细胞外基质具有下列功能: 对细胞的形态和细胞活性的维持起重要作用。例如，若用酶将培养的软骨细胞或哺乳动物的胰腺表皮细胞的ECM水解掉，细胞的合成和分泌活动就会显著下降；此时将细胞外基质材料再添加到处理的培养瓶，可使细胞恢复活力并分泌产物。 帮助某些细胞完成特有的功能。如肝细胞(hepatocytes)作为肝组织的主要细胞必须同基膜或其他的细胞外基质接触才能合成细胞型(cell-type)的蛋白质。将肝细胞分离并放在塑料培养

23、皿中培养，即使加有某种胶原纤维，它们也会停止翻译肝组织特异蛋白(如白蛋白)的mRNA，并停止合成这些mRNA。如果在培养细胞的培养液中添加了合适的细胞外基质的成份，mRNA的合成和翻译就会恢复。 同一些生长因子和激素结合进行信号传导。此外， 某些特殊的细胞外基质也是细胞分化所必需的。胚胎发育的最后阶段�形态建成(morphogenesis)也需要某些细胞外基质的成份。4.2.2 蛋白聚糖(proteoglycan，PG)与透明质酸细胞外基质的物理性质主要受细胞外基质中蛋白聚糖所携带的多糖基团的影响，蛋白聚糖是由糖胺聚糖(glycosaminoglycans， GAG)以共价的形式

24、同线性多肽连接而成的多糖和蛋白复合物。  蛋白聚糖的结构糖胺聚糖: 蛋白聚糖的主要成份是糖胺聚糖，是由重复二糖单位构成的无分支长链多糖(图4-15)。图4-15 糖胺聚糖中常见的重复二糖单位糖胺聚糖可在细胞外创造水合的、胶状的材料，形成了所谓的细胞外基质的基质(ground substance)。蛋白聚糖 大多数氨基聚糖都是同蛋白质共价结合形成糖和蛋白质的复合物， 称为蛋白聚糖(图4-16)。图4-16 蛋白聚糖的结构透明质酸(hyaluronate) 透明质酸同糖胺聚糖和核心蛋白组成软骨组织的蛋白聚糖复合物，称为透明质酸-蛋白聚糖复合物。在这种复合物中，透明质酸作为一个长轴，将蛋白

25、聚糖连接在一起，形成更大的更复杂的蛋白聚糖(图4-17)，使细胞外基质具有更大的抗压性。图4-17 透明质酸在软骨组织细胞外基质的蛋白聚糖中的作用 透明质酸在细胞外基质中的存在方式和作用是什么? 透明质酸在细胞外基质中的存在方式和作用是什么?（答案） 答: 在细胞外基质中， 透明质酸既能参与蛋白聚糖的形成，又能游离存在。在软骨组织的细胞外基质中，透明质酸同糖胺聚糖和核心蛋白组成软骨组织的蛋白聚糖复合物，称为透明质酸-蛋白聚糖复合物。在这种复合物中，透明质酸作为一个长轴，将蛋白聚糖连接在一起，形成更大的更复杂的蛋白聚糖，使细胞外基质具有更大的抗压性。透明质酸是一种重要的糖胺聚糖，是增殖细胞和迁移

26、细胞的细胞外基质的主要成分， 一旦迁移细胞停止移动，透明质酸就会从细胞外基质中消失，此时细胞间开始接触。蛋白聚糖在细胞外基质中的功能是什么? 蛋白聚糖在细胞外基质中的功能是什么?（答案） 答: 蛋白聚糖或透明质酸-蛋白聚糖复合物构成了细胞外基质的基质，由于它们是高度酸性的，且带负电荷，因此能够结合大量的阳离子，这些阳离子又可结合大量的水分子，这样，蛋白聚糖形成了多孔的、吸水的胶状物，如同包装材料，填充在细胞外基质中。蛋白聚糖的这种性质，使细胞表面具有较大的可塑性，从而具有抗挤压能力，对细胞起保护作用。由于透明质酸以可溶的形式游离存在，所以在细胞外体液和滑液(synovial fluid)中透明

27、质酸的浓度很高，其结果提高了体液和滑液的粘度和润滑性。单个的蛋白聚糖和透明质酸-蛋白聚糖复合物直接与胶原纤维连接形成动物细胞外的纤维-网络(fiber-network)结构，不同类型的胶原和不同类型的蛋白聚糖连接形成不同的纤维-网络，对于提高细胞外基质的连贯性起关键作用。此外，蛋白聚糖还可作为细胞粘着的暂时性或永久性的位点。暂时性的粘着发生在胚胎发育中，对于单个细胞及细胞层的移动具有重要作用。另外，蛋白聚糖对于细胞分化也十分重要，同时也与细胞癌变有关。单个的蛋白聚糖和透明质酸-蛋白聚糖复合物直接与胶原纤维连接形成动物细胞外的纤维-网络(fiber-network)结构(图4-18)，不同类型的

28、胶原和不同类型的蛋白聚糖连接形成不同的纤维-网络，对于提高细胞外基质的连贯性起关键作用。图4-18 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不同组织的细胞外基质中蛋白聚糖的分布不同，分子量也不尽相同(表4-2)。表4-2 蛋白聚糖及分布类型核心蛋白相对分子质量分布硫酸软骨素200,000300,000(在软骨中)45,000(在骨中) 45,000和500,000(在皮肤中) 软骨，骨，皮肤，基膜中少量硫酸角质素45,000骨，角膜 硫酸皮肤素40,00050,000腱，原纤维结缔组织， 皮肤和角膜中少量 硫酸乙酰肝素30,000200,000基膜，角膜，神经组织透明质酸-蛋

29、白聚糖复合物十万到百万软骨，骨(少量)，腱，主动脉，平滑肌4.2.3 胶原和弹性蛋白胶原(collagen) 是细胞外最重要的水不溶性纤维蛋白， 是构成细胞外基质的骨架，在细胞外基质中形成半晶体的纤维，给细胞提供抗张力和弹性，并在细胞的迁移和发育中起作用。  胶原的结构和种类 结构:胶原蛋白的基本结构单位是原胶原(tropocollagen)，原胶原肽链的一级结构具有(Gly-x-y)n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)。原胶原是由三条-肽链组成的纤维状蛋白质， 相互拧成三股螺旋状构型， 长300nm， 直径1.5nm(图4

30、-19)。图4-19 胶原的组织和结构电镜照片所示的是鸡胚胎结缔组织的胶原纤维; 图解是胶原的分子结构。  类型已发现有多种类型的胶原，不同类型的胶原有不同的化学结构和不同的免疫性能， 是不同基因的表达产物。各类胶原都有两个共同的特点都是由三条肽链组成；各类胶原蛋白的氨基酸组成完全不同，这在其他蛋白质中从未发现过。表4-3是已鉴定的部分胶原纤维的结构特征和分布。表4-3 胶原的类型、结构和分布类型亚单位结构分布1()，2()纤维状皮肤、腱、骨等1()纤维状 软骨、玻璃体液1()纤维状皮肤、肌肉等1()，2() 非纤维状所有的基膜1()，2()，3() 纤维状大多数间隙组织1()，2(

31、)，3()纤维状大多数间隙组织1()非纤维状锚定原纤维1()? 某些内皮细胞1() ? 肥大和盐质软骨1()，2()，2()? 软骨XI 1(XI)，2(XI)，3(XI)纤维状肥大和盐质软骨XII 1(XII)?皮肤、腱XIII 1(XIII)?表皮，基膜 XIV 1(XIV) ?胎儿皮肤和腱  脊椎动物胶原的合成与装配胶原是由几千个不同的分子组成的高度组织化的结构，合成和装配十分复杂。 胶原蛋白是在膜结合核糖体上起始合成的，然后进入内质网，通过内质网和高尔基体的加工修饰和装配，最后分泌到细胞外基质中(图4-20)。图4-20 脊椎动物中胶原的合成、装配与分泌胶原的合成和分泌的过程

32、怎样?何时成为水不溶性的? 胶原的合成、装配和分泌的过程怎样?何时成为水不溶性的?（答案） 答: 首先在粗面内质网的核糖体上合成仅含有信号肽的原链(pro-chain)， 又称前原胶原（preprocollagen），原链进入内质网。然后在内质网腔中通过分子内交联， 三股前体肽自我装配形成三股螺旋， 即前胶原(procollagen)。前胶原进入高尔基体， 经过加工修饰，并在高尔基体反面网络被包进分泌小泡，然后通过与质膜的融合，分泌到细胞外。在细胞外，前胶原被两种专一性不同的蛋白水解酶作用， 切除N端和C端的前肽， 两端各保留部分非螺旋区，称为端肽区(telopeptide region)，此

33、时形成的是胶原(collagen)。胶原通过分子间交联进而聚合成胶原原纤维(collagen fibrills)，最后装配成胶原纤维（collagen fibers)。原胶原是可溶性的， 但是， 聚合成胶原纤维就成为水不溶的了。装配过程中涉及的前体链、前胶原、胶原、胶原原纤维及胶原纤维的关系示于图4-21。图4-21 胶原装配的主要步骤由前体肽装配成前胶原时，是通过分子内的交联完成的。而由胶原装配成胶原原纤维(collagen fibril)则是通过分子间的交联(图4-22)。图4-22 胶原纤维的分子间和分子内交联在胶原装配过程中还涉及复杂的加工修饰作用。新生肽进入内质网后首先被信号肽酶切除

34、信号肽，然后将某些脯氨酸和赖氨酸进行羟基化，并将半乳糖添加到羟脯氨酸上(图4-23)。图4-23 胶原分子在ER和高尔基体中的修饰作用  胶原的作用 为细胞外基质提供了一个水不溶性的框架，决定细胞外基质的机械性质。某一特定组织的性能通常与胶原分子的三维结构有关。举例说明某一特定组织的性能通常与胶原分子的三维结构有关。举例说明某一特定组织的性能通常与胶原分子的三维结构有关（答案） 答: 例如腱，它起着连接肌肉和骨的作用，因此在肌肉收缩时必须能够承受巨大的拉力。腱具有细胞外基质，并且在ECM中胶原纤维沿着腱的长轴平行排列，因此与拉力的方向平行。又如角膜是一个特别的组织，它既要坚硬以便对眼

35、球提供保护，但又必须是透明的以便光通过到达视网膜。角膜的厚厚中间层就是细胞外基质，其中含有相当短的胶原纤维，并组成不同的层。角膜基质的层次结构与胶合板相似，同一层中纤维是相互平行的，但与另一层的纤维却是垂直的，这种组织方式既赋予了这种娇嫩组织的强度，又提高了组织的透明度。  如果编码胶原的基因发生突变，将导致胶原病。若影响到胶原纤维的正确装配，皮肤和其它各种结缔组织就会因此降低强度而变得非常的松弛(图4-24)。图4-24 过度松弛皮肤症这是1890年拍摄的"弹性皮肤人"的照片，是由于胶原装配不正确引起的遗传综合症。在某些个体中，由于胶原酶缺陷而引起，因为胶原酶缺

36、陷，不能将前胶原转变成胶原。 胶原是骨、腱和皮肤组织中的主要蛋白，这些组织的细胞外基质不仅胶原含量高， 而且刚性及抗张力大。 另外胶原具有促进细胞生长的作用，如肝细胞等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。许多实验证明， 某种细胞经过特异的粘连蛋白的介导，可以粘连到特定类型胶原上。许多上皮细胞和内皮细胞经层粘连蛋白的介导可与基膜中的型胶原粘连。  弹性蛋白(elastin)弹性蛋白是弹性纤维(elastic fibers)的主要成分。弹性纤维主要存在于韧带和脉管壁。弹性纤维与胶原纤维共同存在， 赋予组织以弹性和抗张能力(图4

37、-25)。图4-25 弹性纤维曲伸模型4.2.4 细胞外基质中的粘着蛋白细胞外基质中的第三类成分是粘着蛋白，之所以将这些蛋白称为粘着蛋白，是因为这些蛋白起着将细胞外基质与细胞联系起来的桥梁作用。  纤维粘连蛋白(fibronectin， FN)纤维粘连蛋白属非胶原糖蛋白的一种， 称为冷不溶球蛋白， 它是一种高相对分子质量的粘附性的糖蛋白， 广泛存在于动物界， 包括海绵、海胆及哺乳动物类。每个FN亚基上有与胶原、细胞表面受体、血纤蛋白和硫酸蛋白多糖高亲和结合的位点(图4-26)。图4-26 纤粘连蛋白的结构 RGD序列: FN中与 细胞结合的结构域中的Arg-Gly-Asp三肽序列。

38、FN的主要功能是什么? FN的主要功能是什么?（答案） 答: 有两个主要的功能: 介导细胞的粘着。FN可以同其在细胞膜上的受体结合， 根据对受体的分析，发现受体的细胞外结构域有与Arg-Gly-Asp-Ser高亲和结合部位。由于FN具有同时与细胞外基质各类成分相结合的特点，并可促进细胞外基质的其它成分的沉积，有人认为FN是细胞外基质的组织者。在FN的分子上既有与胶原结合的结构域，又有与细胞结合的结构域。这样，FN可以介导细胞外基质与细胞进行结合。 影响细胞的迁移。一个突出的例子是胚胎发生早期神经脊细胞的迁移。在神经管形成时， 神经脊细胞从神经管的背侧迁移到胚胎各个区域，分化成神经节、色素细胞等

39、不同类型的细胞。一般认为FN纤维为细胞的运动提供了轨道，这种推测也得到了实验的证明。将FN特异的抗体直接注射到正在发育的胚中，以此阻止细胞同FN的结合，这种处理影响了正常细胞的迁移，导致异常胚的发育。 介导细胞粘着在FN的分子上既有与胶原结合的结构域，又有与细胞结合的结构域。这样，FN可以介导细胞外基质与细胞进行结合。 影响细胞的迁移在正常组织里， 细胞是由多种多样的糖蛋白粘连起来， 并约束在一个固定的位置上，主要是靠FN来维持其稳定状态。  层粘连蛋白(laminin， LN)层粘连蛋白是基膜(basal lamina)的主要结构成分。 结构 结构上呈现不对称的十字形， 由一条长臂

40、和三条相似的短臂构成。1和2短臂上有两个球形域， 链上的短臂有三个球形结构域，其中有一个结构域同型胶原结合，第二个结构域同肝素结合，还有同细胞表面受体结合的结构域(图4-27)。图4-27 层粘连蛋白的结构层粘连蛋白由三条多肽链组成，其中一条是链，另外两条分别是1和2，三个亚基通过短臂上的二硫键连接在一起。 功能LN分子中具有与型胶原、细胞表面、及其它的蛋白聚糖结合的位点。由于型胶原也存在于基膜中，所以LN的主要功能就是作为基膜的主要结构成分对基膜的组装起关键作用， 在细胞表面形成网络结构并将细胞固定在基膜上。LN还有许多其他的作用，如在细胞发育过程中刺激细胞粘着、细胞运动。LN还能够刺激胚胎

41、中神经轴的生长，并促进成年动物的神经损伤后重生长和再生。如同纤粘连蛋白，细胞外的LN能够影响细胞的生长、迁移和分化。4.2.5 细胞外基质与细胞的相互关系 基膜(basal lamina，basement membrane)基膜是一种复合的细胞外结构， 通常位于上皮和内皮的基底面，是细胞外基质的特异区， 将细胞层和其下的结缔组织分开(图4-28)。典型的基膜厚约50nm，有些基膜的厚度达200nm。图4-28 人皮肤的扫描电镜照片显示基膜将表皮细胞与底层细胞分开 形成基膜的组织和细胞: 肌细胞和脂肪细胞的表面; 上皮组织基底面的下方，如皮肤上皮的下表面，将上皮细胞与结缔组织分开; 血管内皮细胞

42、的下表面。此外，在施旺细胞(Schwann cells)的表面也覆盖有基膜。 结构: 基膜是由不同的蛋白纤维组成的网状结构，LN不仅是基膜的主要成分，也是基膜的组织者，而型胶原则是基膜的网状钢架(图4-29)。 功能: 基膜不仅对组织结构起支持作用，同时也是渗透性的障碍，调节分子和细胞的运动。图4-29 基膜的分子结构模型  整联蛋白(integrin)整联蛋白属整合蛋白家族， 是细胞外基质受体蛋白。 结构 整联蛋白是一种跨膜的异质二聚体， 它由两个非共价结合的跨膜亚基， 即和亚基所组成。每个亚基的细胞外是球形的头部， 露出脂双分子层约20nm。头部可同细胞外基质蛋白结合， 而细胞内

43、的尾部同肌动蛋白相连(图4-30)。图4-30 整联蛋白的结构  功能整联蛋白作为跨膜接头在细胞外基质和细胞内肌动蛋白骨架之间起双向联络作用， 将细胞外基质同细胞内的骨架网络连成一个整体， 同时还具有将细胞外信号向细胞内传递的作用（图4-31）。 图4-31 整联蛋白的功能 整联蛋白的类型 目前已经鉴定的整联蛋白约有20种，但只鉴定到17种不同的亚基和8种亚基。由于整联蛋白是异质二聚体，从理论上推测应该有100种以上的亚基和亚基配对的整联蛋白，实际上只发现20种，提示这些亚基出现在细胞表面的位置可能具有特异性。整联蛋白同细胞外基质中粘着蛋白的识别与结合分为两种类型一类是同RGD区域结

44、合，另一类则不需要RGD区域。4.3 细胞识别与粘着在多细胞生物中，单个细胞要组成精密的组织和器官，以及器官体系，首先必须具有相互识别的能力，然后通过粘着和结合将细胞组织起来(图4-32)。图4-32 哺乳动物肠壁细胞的组织结构 4.3.1 细胞识别及识别反应细胞识别(cell recognition)指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物质分子的认识和鉴别。  细胞识别的研究通过海绵实验和两栖类胚性细胞实验发现并证明了细胞具有识别能力。 海绵实验 1907年H.V.Wilson通过实验研究两种不同颜色的海绵细胞的行为, 发现了细胞的识别。分别从黄色海绵和

45、红色海绵中分离单细胞,然后将两种不同颜色的细胞类群混合在一起。但是,这两种类型的海绵细胞很快就各自分开聚集,红色海绵细胞聚集到一起,黄色海绵细胞也是如此,二者互不混淆。这是人类最早通过实验认识到细胞具有识别和选择性结合的能力。此后,在许多生物中都发现了细胞的识别和粘着,不仅是简单的多细胞生物,也包括复杂的有各种组织分化的多细胞生物中不同组织的细胞都具有这种能力和特性。如何通过胚性细胞证明细胞的识别证明细胞具有识别能力的经典实验是什么?（答案） 播放动画 答:胚性细胞实验:分别用蛋白酶将外胚层和中胚层水解成单细胞，并分别标记上不同的颜色，然后将这两种细胞混合。在混合之初，它们混合得很好，但是随着

46、时间的推移，外胚层的细胞移向外侧，并聚集在一起，这也是它们在胚胎中的正确位置；来自中胚层的细胞移向内侧，这也是它们在胚胎中的正确位置。 这两种游离的细胞迅速重新聚集成团后, 同种细胞形成独立的聚合体, 每种聚合体只含一种颜色的细胞(图4E-1)，这种现象称为拣出(sorting out)。这一实验说明了细胞的识别具有选择性，非同类的细胞不会混合聚集。 < 图E4-1 细胞识别的实验证明  细胞识别与粘着的分子基础 研究方法为了研究细胞识别和粘着的分子基础，建立了一种抗体检测粘着分子的方法 (图4-33)。抗体检测细胞识别和粘着的原理是什么? 如何判断实验结果? 抗体检

47、测细胞识别和粘着的原理是什么? 如何判断实验结果?（答案） 答: 原理是:当发现某种抗体能够阻止细胞间的识别和粘着，那么细胞表面能够同抗体结合的蛋白分子很可能就是介导细胞识别和粘着的蛋白质分子。实验中需要分离特异的抗体， 然后分两组进行实验， 如果加入抗体后，培养的细胞不能聚集粘着，说明在细胞表面有识别与粘着的分子， 由于抗体的加入，识别和粘着的分子与抗体结合，从而阻止了细胞间的识别和粘着。若不加抗体，能够粘着则证实此种推测。图4-33 用抗体检测细胞识别和粘着分子首先制备特异的抗体，然后分离鸡的视网膜细胞，再用不同的培育方法检测细胞粘着。(a)分离的且分散很好的鸡视网膜细胞;(b)加入抗体后

48、阻止了细胞粘着;(c)不加抗体，细胞发生粘着。 神经细胞粘着分子(neural cell adhesion molecule，N-CAM)N-CAM是膜糖蛋白，至少以三种形式存在，但都是由同一基因编码。其中两种是跨膜蛋白，第三种共价结合在细胞质膜的外表面。无论是何种存在方式，N-CAM分子都有一部分伸出到细胞外表面。三种N-CAM露出在细胞外的部分，其结构都一样，都含有与细胞粘着相关的结合位点(图4-34)。图4-34 成熟的N-CAM的三种形式 钙粘着蛋白(cadherin)钙粘着蛋白也是细胞质膜中的细胞粘着分子，但是这种分子介导的细胞粘着受Ca2+的调节。钙粘着分子家族中比较熟知的属于膜整

49、合糖蛋白的成员有:E-钙粘着蛋白(主要存在于表皮组织中)、N-钙粘着蛋白(存在神经组织中)、P-钙粘着蛋白(主要存在于胎盘)。如何通过基因工程的方法证明钙粘着蛋白的确是介导细胞粘着的分子? 如何通过基因工程的方法证明钙粘着蛋白的确是介导细胞粘着的分子?（答案） 答:首先要克隆钙粘着蛋白基因;将克隆的基因导入粘着能力差的细胞中(如成纤维细胞的L-细胞);通过体外培养,检查和比较工程细胞的粘着能力。图4E-1是该实验的结果:L-细胞相互粘着的能力很低，但是将克隆的编码E-钙粘着蛋白或P-钙粘着蛋白的基因导入L-细胞,使得L-细胞具有合成E或P-钙粘着蛋白的能力并能够进行相互粘着。用基因克隆的方法使

50、L-细胞产生的钙粘着蛋白与自然细胞合成的钙粘着蛋白是相同的。这些实验结果说明钙粘着蛋白也是介导细胞粘着的分子。 粘着蛋白中糖的作用细胞的糖被可作为识别的标志，让其它与之相互作用的细胞识别，如嗜中性白细胞表面的糖被感染部位血管内皮细胞表面的凝集素识别，这种识别引起嗜中性白细胞同血管的粘着，然后穿过血管进入感染组织，消灭掉入侵的病菌(图4-35)。图4-35 中性细胞表面糖在识别中的作用 凝集素(lectin)在细胞粘着中的作用凝集素是动物细胞和植物细胞都能够合成和分泌的、能与糖结合的蛋白质，在细胞识别和粘着反应中起重要作用，主要是促进细胞间的粘着。凝集素具有一个以上同糖结合的位点，因此能够参与细

51、胞的识别和粘着，将不同的细胞联系起来(图4-36)。图4-36 凝集素的作用机制  识别反应细胞识别引起的细胞反应， 大致有三种类型:内吞、细胞粘着和信号反应。4.3.2 细胞粘着(cell adhesion)( 在细胞识别的基础上, 同类细胞发生聚集形成细胞团或组织的过程叫细胞粘着。它对于胚胎发育及成体的正常结构和功能都有重要的作用。在发育过程中,由于细胞间细胞粘着的强度不同,决定着细胞在内、中、外三胚层的分布。在器官形成过程中, 通过细胞粘着,使具有相同表面特性的细胞聚集在一起形成器官)的机制 细胞粘着分子(cell adhesion molecule， CAM)( 参与细胞粘着

52、的分子称为细胞粘着分子。自从N-CAM被发现之后,陆续发现了一些新的细胞粘着分子,如Ng-CAM是神经胶质细胞粘着分子,L-CAM是肝细胞的细胞粘着分子,I-CAM是普遍存在的一种细胞粘着分子,它的配体是LFA-1;而LEC-CAM是白细胞及其它循环细胞中发现的细胞粘着分子。上述细胞粘着分子都是糖蛋白,在细胞外结构域都有与肽共价结合的糖基。根据细胞粘着分子的作用方式可分为三个家族:免疫球蛋白超家族,如V-CAM、Ng-CAM、I-CAM和L1等;钙粘着蛋白家族，如E-钙粘着蛋白、P-钙粘着蛋白、N-钙粘着蛋白；选择素家族,如L-选择素、LEU-CAM1等。后两种家族的细胞粘着分子是钙依赖性的,

53、而免疫球蛋白超家族则是非钙依赖性的。钙粘着蛋白家族是主要的一类粘着蛋白，分布极为广泛(表4M-1)。表4-5 哺乳动物中主要的钙粘着蛋白分子粘着分子 主要的细胞分布E-钙粘着蛋白(桑椹粘着蛋白) 植入前胚胎,表皮细胞(特别是在完全桥粒处)P-钙粘着蛋白 滋养层,心脏,肺和肠 N-钙粘着蛋白 神经系统,肺,中胚层,神经外胚层 R-钙粘着蛋白 视网膜神经和神经胶质细胞M-钙粘着蛋白 成肌细胞(肌细胞前体),和成熟的骨骼肌细胞 )的结构和类型根据细胞粘着分子的作用方式可分为三个家族(图4-37):免疫球蛋白超家族(immunoglobulins superfamily，IgSF);钙粘着蛋白家族；选

54、择蛋白(selectins)家族等。后两种家族的细胞粘着分子是钙依赖性的，而免疫球蛋白超家族则是非钙依赖性的。图4-37 主要的细胞粘着蛋白家族的结构比较三种类型的细胞粘着分子在结构上的差异。比较三种类型的细胞粘着分子在结构上的差异。（答案） 答: 钙粘着蛋白是同嗜性的粘着分子，细胞外部分的四个结构域都结合着Ca2+，最外一个Ca2+结合结构域介导细胞粘着。免疫球蛋白超家族受体是非Ca2+依赖性的。参与异嗜和同嗜性粘着，它们含有多个与免疫球蛋白结构相似的结构域，并常有型纤粘连蛋白的重复单位。选择蛋白只是在结合有Ca2+时才同相邻细胞的糖基结合，凝集素位于选择蛋白的顶端，是Ca2+在选择蛋白上的

55、结合部位。  细胞粘着方式细胞间有两种类型四种不同方式的粘着(图4-38)。 图4-38 各种细胞粘着分子介导的细胞粘着细胞有几种类型的粘着?它们之间有何不同? 细胞有几种类型的粘着?它们之间有何不同?（答案） 答: 有两种类型，四种不同的粘着方式。两种类型就是同嗜性细胞粘着和异嗜性细胞粘着， 每一种类型中又有两种不同的粘着方式。同嗜性细胞粘着是指参与粘着的两细胞都是用相同的细胞粘着分子， 其中两种不同的方式是分别由钙粘着蛋白和免疫球蛋白介导的细胞粘着。异嗜性细胞粘着是指参与粘着的两细胞是用不同的细胞粘着分子介导， 两种不同的方式是免疫球蛋白超家族-整联蛋白介导的粘着、粘蛋白-选择素

56、介导的细胞粘着。 钙粘着蛋白介导细胞粘着(图4-39)图4-39 钙粘着蛋白介导的细胞粘着  选择蛋白(selectins)介导的细胞粘着(图 4-40)图4-40 三种类型的选择蛋白的结构及选择蛋白介导的细胞粘着 免疫球蛋白超家族与整联蛋白介导细胞粘着(图4-41)。图4-41 免疫球蛋白超家族的细胞粘着分子4.4 细胞连接(cell junction)( 细胞连接是细胞间的联系结构，是细胞质膜局部区域特化形成的，在结构上包括膜特化部分、质膜下的胞质部分及质膜外细胞间的部分。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, 协同作用的重要基础。细胞连接的描述性概念是指细胞表面的特化结构，或特化区域, 两个细胞通过这种结构连接起来。细胞的特化区涉及细胞外基质蛋白、跨膜蛋白、胞质溶胶蛋白、细胞骨架蛋白等。从功能上看,细胞连接将同类细胞连接成组织,并同相邻组织的细胞保持相对稳定。细胞粘着是细胞连接的起始,细胞连接是细胞粘着的发展。从时间上看,粘着在先,连接在后。从结构上看,细胞粘着涉及的分子较少、范围局部、结构简单;而细胞连接涉及的蛋白分子较多、范围广、结构复杂,结合的紧密程度高。动物细胞有三种类型的连接紧密连接(tight junction)、粘着连接(adhesion junction)、间