第四章 细胞环境与互作

第四章细胞环境与互作

1．细胞外基质的化学组成和主要功能是什么？

答：细胞外基质的化学组成包括3类：氨基聚糖和蛋白聚糖、胶原和弹性蛋白以及纤连蛋白和层粘连蛋白。主要功能表现在：对细胞组织起支持、保护、提供营养，以及胚胎发育形态建成、细胞分裂、细胞分化、细胞运动迁移、细胞识别、细胞黏着和通信联络等方面。2．胶原的分子组成和结构有何特点？如何装配？有何功能？

答：胶原分子由3条α螺旋肽链组成，每条肽链包含约1000个氨基酸残基，氨基酸组成规则的Gly-X-Y (X为Pro，Y为Hypro或Hylys)三肽重复序列。三肽相互交联。胶原在合成时首先合成前胶原，分泌到细胞外基质中，有前肽酶切去前肽形成直径1.5nm，长300nm的胶原分子。胶原分子按照相邻分子相错1/4长度，前后分子首尾相隔35nm的距离，进行自我装配，形成直径10～30nm明暗相间的胶原纤维。胶原纤维在细胞外基质中常聚集成束。功能：胶原在不同的组织中呈不同形态结构，与其功能(抗张性、强韧性、抗拉性、支持保护、形成基膜等)相适应；胶原通过与细胞外基质中各种成分结合，将细胞外基质组织起来，同时与细胞表面受体结合，连成组织和器官；胶原通过细胞表面受体介导与细胞内骨架相互作用，影响细胞的形态与运动；胶原有刺激上皮细胞分化，维持上皮细胞生长的作用，并作为细胞相互作用的支架和细胞迁移的基质，引导细胞迁移。

3．纤连蛋白的结构如何？为什么说纤连蛋白是一种多功能分子？

答：纤连蛋白由2个相似的亚单位形成二聚体，含糖5％，每条肽链约2500个氨基酸残基，肽链中折叠成各种球状结构域，每个结构域能选择性的与细胞外基质中的各种大分子(胶原、氨基聚糖、蛋白聚糖等)和细胞表面纤连蛋白受体结合行使各种功能。两条肽链C端通过二硫键共价结合构成V型分子。功能：纤连蛋白是一种多功能分子，能使细胞锚定在底物上静止不动，也能诱导细胞运动迁移，在组织分化、细胞黏着和迁移时起重要作用；在成纤维细胞表面纤连蛋白形成纤维束与细胞内张力纤维走向一致，有细胞表面受体介导通过连接蛋白与微丝束相互作用形成黏着斑；血浆纤连蛋白能促进血液凝固和创伤面修复：创伤――与血浆纤连蛋白结合――吸引成纤维细胞、平滑肌细胞和内皮细胞――形成肉芽――形成瘢痕――刺激上皮细胞生长――修复；胚胎发育初期大量分泌纤连蛋白启动细胞沿着一定途径迁移；纤连蛋白合成分泌减少使肿瘤细胞黏着能力下降并迁移。

4．植物细胞被的主要成分有哪些? 各起什么作用?

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50～60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。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。

5．初生壁和次生壁是如何形成的?

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100～200nm，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。

6．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?

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。

7．为什么青霉素对革兰氏阳性菌具有抑制作用?

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。

8．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: 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。

9．细胞外基质具有哪些功能?

答: 细胞外基质具有下列功能：①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。②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。③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。

10．透明质酸在细胞外基质中的存在方式和作用是什么?

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。

11．蛋白聚糖在细胞外基质中的功能是什么?

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。

12．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: 首先在粗面内质网的核糖体上合成仅含有信号肽的原α链(pro-α-chain)，又称前原胶原（preprocollagen），原α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。

13．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: 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。14．FN的主要功能是什么?

答: 有两个主要的功能：①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。②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。

15．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?

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。

16．比较三种类型的细胞粘着分子在结构上的差异。

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Ⅲ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+在选择蛋白上的结合部位。

17．细胞有几种类型的粘着?它们之间有何不同?

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-选择素介导的细胞粘着。

18．紧密连接除了连接细胞外还有什么作用?意义何在?

答: 紧密连接除了连接细胞之外，还有两个作用：防止物质双向渗漏，并限制了膜蛋白在脂分子层的流动，维持细胞的极性。紧密连接能够阻止细胞外液中的物质从细胞层的一侧流向另一侧，紧密连接的这种限制对于膀胱一类器官特别重要。在膀胱中必须严格防止尿液回流到组织，另外肠道中的物质进入体液也必须仔细调节控制。这些分子从细胞层的一侧移向另一侧的惟一途径就是通过运输蛋白来精确控制。紧密连接除了具有渗透障碍作用之外，还影响表皮细胞质膜的极性。例如，肠道表皮细胞含有不同运输蛋白位于肠道表面的细胞质膜，而位于基底面的细胞质膜含较少运输蛋白。由于脂层是流动的，只有靠紧密连接阻止膜蛋白从一侧向另一侧的扩散，从而维持着细胞的极性。

19．粘着带与粘着斑连接有什么不同?

答: 主要差别是:粘着带是细胞与细胞间的粘着连接，而粘着斑是细胞与细胞外基质相连。除了这一根本区别之外，还有其他一些不同: ①参与粘着带连接的膜整合蛋白是钙粘着蛋白，而参与粘着斑连接的是整联蛋白，即细胞外基质受体蛋白;②粘着带连接实际上是两个相邻细胞膜上的钙粘着蛋白与钙粘着蛋白的连接，而粘着斑连接是整联蛋白与细胞外基质中的粘连蛋白的连接，因整联蛋白是纤粘连蛋白的受体，所以粘着斑连接是通过受体与配体的结合;③粘着斑连接中，细胞质斑含有踝蛋白(talin)，这种蛋白在其它的细胞质斑中是不存在的。

20．间隙连接的作用如何受细胞质中Ca2+和H+浓度的调节?

答: 间隙连接在低Ca2+浓度时开放，此时的细胞质处于静息状态；当Ca2+浓度升高时，间隙连接的通道逐步缩小，当Ca2+浓度达到10-5M时间，通道完全关闭。提高H+浓度，也就是将细胞质中pH值从7.0降低到6.8或更低，间隙连接的通道也会关闭。间隙连接除了受Ca2+和H+调节外，还受其他的因素调节。