细胞生物学细胞基质与功能

细胞基质与功能
细胞外基质
细胞是生物体的基本结构单位，然而在多细胞生物体中，细胞大都以组织的形式存在，组织中除了细胞成分外，尚存在有非细胞性的细胞间物质。

在动物组织中，这种细胞间物质是由一些蛋白质和多糖大分子构成结构网络，这些存在于细胞间的大分子结构称为细胞外基质。

实际上细胞外基质是细胞的分泌物在细胞附近构成的精密结构，它通过与细胞质膜中的细胞外几种受体结合，同细胞建立相互关系。

它对细胞的分化、增殖、形状、迁移和功能活动都由重要的影响。

细胞外基质主要由凝胶基质和纤维网架构成
凝胶基质为多糖，包括氨基聚糖和蛋白聚糖
纤维网架为纤维蛋白。

纤维蛋白非两种，一是起结构作用的，如胶原蛋白、弹性蛋白
一是起黏合作用的，如纤连蛋白和层连蛋白。

基质中的多糖凝胶使细胞外基质具有抵抗压力的作用，细胞外基质凝胶中的纤维呈网状结构，因而各种养料、代谢产物和激素等物质可穿越网孔迅速扩散，便与在血液和组织之间进行交换。

细胞外基质是指分布于细胞外空间，由细胞分泌的蛋白质和多糖所构成的网络结构，细胞外机制不仅为组织的构建提供了框架，还对其接触的细胞命运及其它功能产生重要的调控作用。

细胞外机制具有以下功能：
1.细胞外基质将细胞粘连在一起构成组织；动物组织的构建既是多细胞相互作用的结果，也是细胞与细胞外基质相互作用的结果
2.提供细胞外网架，在组织中或组织之间起支持作用
3.细胞外基质的三维结构即成分是动态变化的没通过细胞微环境的改变对细胞形态、生长、分裂、分化和凋亡起到控制作用。

糖胺聚糖（GAG）
糖胺聚糖是重复二糖单位构成的长链多糖，不分支。

二糖单位为氨基糖（N-乙酰葡糖胺或N-乙酰版乳酸）和糖醛酸（即葡萄糖醛酸）。

氨基糖大多硫酸化。

过去糖胺聚糖也称为粘多糖。

根据糖残基性质、连接方式和硫酸基的数量和存在部位。

可将糖胺聚糖分为4类：1.透明质酸 2.硫酸软骨素和硫酸皮肤素 3.硫酸类肝素和肝素 4.硫酸角质素糖胺聚糖的特性与功能意义：糖胺聚糖多糖连不能曲折，形不成球状构象，呈充分展开构象，且糖胺聚糖呈高度亲水性。

糖链带有大量负电荷，可吸引许多阳离子，从而对渗透压具有很大影响，可将大量水分吸收吸收到基质中，使其具有高膨胀压，可耐受很强的压力。

在细胞外形成多空的糖胺聚糖凝胶，占据了细胞质的大部分空间，提供机械支持作用。

由于糖胺聚糖凝胶中的许多空洞，因此水溶性分子可在凝胶状红迅速扩散，同时也游离于细胞在机制中的迁移。

透明质酸
4类糖胺聚糖当中，分子结构最为简单，是唯一一种不含硫酸的成员，存在于动物所有组织和体液中，在早期胚胎组织中特别丰富。

细胞外基质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聚合出的分子链。

透明质酸不与蛋白质形成共价结合的蛋白聚糖
透明质酸的功能是多方面的：1.在成体组织和关节肿抵御压力 2.在胚胎发育中起空袭
填充物的作用，使结构保持一定的形状 3.为组织结构准备空间 4.起润滑剂的作用，它是关节液的重要成分 5.伤口愈合，在伤口处形成大量的透明质酸。

6.透明质酸形成的水合空间有利于细胞保持彼此分离，使细胞易于迁移和增殖，组织细胞分化。

与透明质酸相比，其他几种糖胺聚糖均具有如下几个特征：1.含硫酸基 2.含有不同的二糖单元，排列顺序更加复杂 3.链要短得多，由不到300个糖基构成 4.与蛋白质共价结合，形成蛋白聚糖5.在细胞内合成，通过外排分泌到细胞外。

蛋白聚糖
除透明与质酸外，所有的糖胺聚糖均可与蛋白质（核心蛋白）共价结合，形成更加复杂的高相对分子质量复合物，这种复合物称为蛋白聚糖。

结合的蛋白质称为蛋白芯。

蛋白聚糖的糖类含量可高达百分之九十五以上，大都形成不分支的糖链，每条链大约有80个糖残基。

因此蛋白聚糖分子要比糖蛋白大得多。

蛋白聚糖糖链还可以以透明质酸为中轴结合成巨大的多体复合物，聚集素就是一个典型代表。

蛋白聚糖通过两个连接蛋白分子和透明质酸相结合，中介的蛋白称为透明黏合蛋白。

许多透明黏合蛋白含有同源性的透明质酸结合区，区内有一些特征的带正电荷的氨基酸残基。

合成过程：蛋白聚糖的芯蛋白肽链是由糙面内质网上的核糖体合成，随之进入内质网壁，其多糖链式高尔基体囊腔中装配到芯蛋白上。

首先是一个专一的连接四糖（木糖-半乳糖-半乳糖-葡糖醛酸）连接到芯蛋白的丝氨酸残基上，作为多糖链生成的引子。

在高尔基中有专一性的糖基转移酶，在这些酶的作用下，一个个糖基被依次加接上去，形成了糖胺聚糖蛋白聚糖的功能：
糖胺聚糖的功能取决于其芯蛋白和糖胺聚糖的性质。

糖胺聚糖同蛋白质结合，例如同基质中的纤维蛋白（如胶原）或蛋白质网（如基膜）结合，编织成极其复杂而有秩序的空间结构，其功能与这种结构有关：
1.渗滤作用：蛋白聚糖在细胞间形成一个水化空间，由糖胺聚糖链构成的凝胶具有选择筛的作用。

2.细胞间化学信号传递：蛋白聚糖可同细胞分泌出的信号分子结合，如结合生长因子，从而增强或抑制生长因子的活性
3.调节分泌蛋白的活性：如某些分泌蛋白，如蛋白酶和蛋白酶抑制物，与蛋白聚糖结合后，固定分泌部位附近，可产生诸多效果，比如使其迁移受阻，限制了分泌蛋白的作用范围。

4.作为细胞表面的辅受体
5.参与构成基底膜
胶原
胶原构成细胞外基质的骨架，也是动物体内含量最丰富的蛋白质，约占人体蛋白质总量的百分之二十五。

胶原是多细胞动物中典型的纤维蛋白，它是由纤维细胞和其他一些细胞分泌产生的，构成结缔组织、骨和软骨的主要成分，胶原含有不同的类型，具有一定的特异性，
胶原的分子结构：
由胶原分子装配成最常见的结构胶原纤维。

每条胶原纤维由胶原分子规则装配而成，胶原分子首位连接成线，排列成束，组成胶原原纤维。

胶原原纤维平行排列成胶原纤维。

胶原分子是由3股呈左手构象的 -肽链以绳索纽搅的方式形成右手型超螺旋。

胶原的分类：
I型胶原形成较粗的纤维束，分布广泛，主要存在于皮肤、肌腱、韧带和骨髓中，有很
强的抗张强度，约占人体胶原总量的百分之九十
II型胶原主要分布在软骨中
lll型胶原形成细微的原纤维网，广泛分布于伸展性的组织
lV 型胶原形成二维网格结构，构成基膜
韩：结缔组织中主要为l 、ll、 lll 、V和Xl，皮肤和骨中为l型，lX和Xll是装配在原纤维表面上的胶原，成为原纤维结合胶原，其作用是将原纤维结合成束，并于细胞外基质中其它成分相连接。

胶原的分泌与装配
胶原纤维是经过多步过程装配而成，包括胶原分子的合成、分泌和修饰等步骤。

胶原分子的多肽链是在内质网膜结合的核糖体上合成的，最初合成的多肽链称为前体链，称为前α链，合成的α链进入内质网腔。

每一条前α链与其他两条肽通过由羟基形成的氢键相互结合，构成了3股螺旋的前胶原分子。

此分子的装配起始于内质网，后经高尔基体装配完成，被包装到分泌泡中，分泌到细胞外。

前α链前台链序列的作用是，阻碍前胶原分子在细胞内装配成大的胶原原纤维。

如果切除前胶原的前肽序列，那么胶原分子可自动装配成胶原原纤维。

影响胶原纤维装配的因素
1.羟基化作用:赖氨酸和脯氨酸的羟基化是三条前α链装配成三股螺旋前胶原分子的必要条件。

由于前α链之间靠羟基形成氢键，从而使三股螺旋保持稳定，当抗坏血酸（维生素C）缺乏时，影响了赖氨酸的羟基化，因而就形不成稳定的三股螺旋，细胞内的前α链很快被降解，已形成即很快被降解，已形成的正常胶原也逐渐分解，结果造成血管脆化，牙槽松动。

2.基因突变：在胶原纤维形成过程中，包括若干步反应，涉及许多酶，任何一步发生故障都可使胶原纤维的形成发生异常，
3.胶原分子间的横键数量：胶原原纤维中相邻胶原分子间，经赖氨酸残基横连成共价键，从而加固了原纤维的稳定性
胶原的功能
1.胶原含量高，刚性和抗张强度最大，构成细胞外基质的骨架结构，并与其他组分形成结构与功能复合体
2.参与形成结缔组织，如骨、韧带、基膜、皮肤
3.参与细胞外基质信号传递
弹性蛋白
弹性蛋白是弹性纤维的主要成分，主要存在于脉管壁和肺组织，少量存在于皮肤、肌腱和疏松结缔组织。

基质中无弹性的胶原纤维与弹性纤维交织在一起，即抗张力又具有弹性，从而保护组织避免因拉力强拽而被撕裂。

弹性纤维的主要成分是弹性蛋白，弹性蛋白具有很强的疏水性，分子由750个氨基酸残基组成，富含脯氨酸和甘氨酸，但不糖基化。

弹性蛋白多肽链式由两种短的片段交替排列组成，一种为疏水性片段，使分子具有弹性；另一种片段富含丙氨酸和赖氨酸，形成α螺旋结构，在相邻分子间建立起横连的共价键。

弹性纤维由两种组分组成，一种是由肌原纤维蛋白组成的微原纤维，另一种是无定形的弹性蛋白，它构成弹性纤维的芯。

在胚胎发生过程中，首先在成纤维细胞表面形成微原纤维束，随后分泌出无定形弹性蛋白并沉积。

在弹性纤维装配过程中，微原纤维起重要作用，在组织发生中，微原纤维首先分泌形成支架，然后细胞分泌出弹性蛋白分子附着其上，随着弹
性蛋白的沉积，微原纤维移到弹性纤维的外围，弹性蛋白形成了弹性纤维的芯。

在细胞外基质中除了纤维性胶原蛋白外，尚还有非胶原性黏合蛋白，黏合蛋白由多个区域组成，每个区域都含有可同其他基质大分子或细胞表面受体专一的结合的位点，因此这些蛋白质既可相互结合装配成细胞外基质结构，也可使细胞与基质相结合，
包括纤连蛋白和层连蛋白。

纤连蛋白
纤连蛋白是高分子糖蛋白，由两个亚基通过二硫键交联形成，亚基多肽链折叠成5-6个棒状和球状功能区，功能区之间的连接部位可拆屈，对蛋白酶敏感
多肽链含有123型组件重复序列。

纤连蛋白的细胞表面受体是整联蛋白的家族成员，有的纤连蛋白含有RGD结构域，结合细胞表面受体，介导细胞的黏着。

纤连蛋白通过结合细胞表面受体和胶原等细胞外基质成分，将细胞锚定在细胞外基质上，参与维持细胞形态。

纤连蛋白可能涉及细胞的癌变和转移。

此外，纤连蛋白可增强细胞间的粘连及细胞与细胞外机制的粘连，参与胚胎发育、修复创伤、促进细胞迁移。

纤连蛋白包括多种异构型，如可溶性的血浆纤连蛋白和高度不溶性的细胞表面纤连蛋白以及细胞外基质纤连蛋白。

层连蛋白
在胚胎发育过程中，最早合成基膜成分是层连蛋白，此时的基膜只由层连蛋白构成。

层连蛋白是由3条长肽链组成的大复合物，肽链通过二硫键连在一起，整个分子呈十字架形，蹭脸蛋白分子具有柔韧性，可折曲.
层连蛋白是各种动物胚胎和成体组织基膜的主要构成组分，是胚胎发育中最早出现的细胞外基质成分。

层连蛋白可与细胞外基质成分和整联蛋白结合，在细胞表面形成网格结构并将细胞固定在基膜上，且在胚胎发育及组织分化中具有重要作用。

基膜
动物上皮细胞层基部下方均具有一层细胞外基质，此层结构成为基膜。

基膜性柔软，可折区。

除上皮组织外，在单个肌细胞、脂肪细胞、施旺式细胞四周也都环绕基膜。

在组织结构上，基膜把细胞与其下方的结缔组织隔开。

成体基膜由多种组分组成，包括lV型胶原、渗滤素、层连蛋白和哑铃蛋白、
基膜除了有与结缔组织之间具有结构连接作用之外，还有分子筛滤、细胞筛选、组织再生、细胞导游（引导细胞歉意活动中发挥重要作用)等作用。

基膜不仅对姐弟组织起支持作用，同时也是调节分子及细胞运动和渗透性屏障。

细胞外被
细胞外被又称糖萼，是细胞质膜表面覆盖的一层黏多糖物质，主要成分为糖蛋白和糖脂。

细胞外被是细胞质膜的正常结构成分，不仅对质膜起保护作用，而且在细胞识别中发挥重要作用。

植物细胞细胞壁
植物细胞具有厚而硬的细胞壁，从化学组成、结构和成分及发生来源上看，植物细胞壁
相当于动物组织中的细胞外基质。

从结构上来看，植物细胞壁要比动物的细胞外基质简单一些，然而它对植物细胞的生长、发育、分化和物质代谢有至关重要的作用。

细胞壁的结构和组成
细胞壁由外向内分为中胶层、初生壁和次生壁（叶肉细胞缺少次生壁）
中胶层
主要成分是果胶，果胶是可溶性多糖，由D-半乳糖醛酸、L-阿拉伯糖和D-半乳糖组成。

果胶质在相邻细胞间使细胞黏合在一起。

如果用果胶酶或钙离子螯合剂分离果胶质，可导致细胞分裂
初生壁与次生壁
初生壁是细胞在声场过程中形成的细胞壁，含果胶质较少。

细胞停止生长后，继续长出的细胞壁叫做次生壁，含果胶质很少。

细胞壁含有多层，由纤维结构构成，在电镜下细胞壁的可见单位为微原纤维
构成微原纤维的化学成分为多糖类物质，主要为纤维素，此外还有半纤维素、木质素、果胶和结构蛋白等，这些物质通过共价键和非共价键合成多层结构。

纤维素是由D-葡萄糖残基聚合而成的带状不分支糖链，联众的葡萄糖残基以β- 1，4-糖苷键连接成纤维二糖单元。

纤维素分子就是由纤维二糖单元重复连接而成。

β- 1，4-糖苷键连接的纤维素分子一般不容易被水解酶所水解，脊椎动物消化管自身不分泌消化纤维素的水解酶。

纤维素分子链之间通过氢键结合成束。

细胞壁中还含有百分之十的糖蛋白，其中主要的一类为伸张蛋白，伸展蛋白在糖分子链间起连接作用，增强了细胞壁的弹性。

植物细胞壁赋予细胞强度，保护细胞免受损伤和病原体的入侵。

细胞质溶质（细胞溶胶）
细胞质基质是真核细胞的细胞质中除去可分辨的细胞器以外的胶状物质，曾被称为细胞液、透明质、胞质溶胶等。

其化学成分为：1.无机离子：钾离子、钠离子、镁离子等 2.小分子：包含有大分子的单体，如核苷酸、氨基酸等 3.蛋白质:细胞质溶质中含有大量的蛋白质，有的为酶蛋白，有的为受体 4.RNA
细胞质基质是一个高度有序的体系，其中细胞质骨架纤维贯穿其中，多数蛋白质直接或间接地与骨架或生物膜结合。

执行某一生物学过程的酶类彼此间之间靠弱键结合，形成多酶符合复合体，催化一系列反应，此体系中前一个反应的产物即为下一个反应的底物。

蛋白质与蛋白质之间，蛋白质与其他大分子之间都可以通过弱碱相互作用，处于动态平衡之中这种高度有序的结构体系的形成可使细胞高效地完成复杂的代谢过程，但此结构体系的维持必须依靠细胞质基质中高浓度的蛋白质及其周围特定的离子环境。

基本属性
１.酸度稳定：细胞质溶质浓度的酸度保持在中性水平，约７.２，而细胞外液组成酸度为７.４，这一中性内环境恰是细胞质溶质内发挥各种酶活性的最佳酸度。

这一酸度值得维持依赖于钠离子驱动载体蛋白
２.结构有序：细胞质溶质中含有细胞骨架纤维，酶蛋白和受体蛋白与细胞骨架建立了相互作用关系，使其定位分布，从而使各种代谢生理活动有条不紊的进行。

细胞骨架对细胞质溶质中各种小泡的运输也有导向作用。

细胞基质的功能
１．维持一些代谢反应途径：细胞溶质中含有许多种酶，若干代谢反应是在细胞质溶质中进行的，例如糖酵解的起始步骤
２．保持细胞内环境的稳定：使速度保持在PH＝７.２，使某些离子保持适当的浓度３．维持细胞内信号转导通路：各种信号转导途径的级联放大反应大都在细胞质溶质中进行４．蛋白质的合成和修饰：细胞质溶质蛋白、细胞骨架蛋白和核蛋白都是在细胞质溶质中游离的核糖体上合成的
５．降解废弃的蛋白质：例如在内质网中折叠错误的蛋白质，可通过转移体由内质网转移到细胞质溶质中。

６．胞内物质运输：细胞质溶质为胞内物质运输提供了通路，特别是膜泡运输均是在细胞质溶质中沿着细胞骨架转运。