细胞外基质及其与细胞的相互作用

细胞外基质及其与细胞的相互作用
一、概述
细胞外基质指分布于细胞外空间，由细胞分泌的蛋白和多糖所构成的网络结构，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。

是由一些不溶性大分子构成的、结构精细而错综复杂的网络结构；
为细胞的生存及活动提供适宜的场所，并通过信号转导系统影响细胞的形状、代谢、功能、迁移、增殖和分化。

二、细胞外基质的主要组成成分
（一）氨基聚糖和蛋白聚糖
是一些高分子的含糖化合物。

构成细胞外高度亲水的凝胶，赋予组织良好的弹性和抗压性。

1. 氨基聚糖（GAG ）
是由重复的二糖单位构成的直链多糖。

又称粘多糖。

二糖单位之一是氨基己糖（N -乙酰氨基葡萄糖或N -乙酰氨基半乳糖）。

二糖单位另一个糖残基多为糖醛酸（葡萄糖醛酸或艾杜糖醛酸），糖残基带有羧基，呈强负电性。

据糖残基的性质、连接方式、硫酸化数量和存在的部位，可分为六种：
（1）透明质酸（HA ）
存在于结缔组织、皮肤、软骨、滑液、玻璃体。

5000-10000个二糖重复单位排列构成。

二糖为N -乙酰氨基葡萄糖-葡萄糖醛酸，是唯一不含硫酰酸基团的氨基聚糖
其糖醛酸的羧基带有大量负电荷，其相斥作用使整个分子伸展膨胀，占据很大的空间；在有限的空间可产生膨压，赋予组织良好的弹性和抗压性。

其表面有大量亲水基团，可结合大量水分子，形成凝胶。

在组织创伤、早期胚胎中尤为丰富，促进细胞迁移和增殖。

胚胎发育早期的空间填充物，用于定形，如心脏形成。

作为关节液的重要成分，有润滑作用。

（2）硫酸软骨素（CS ）
存在于软骨、角膜、骨、皮肤、动脉。

（3）硫酸皮肤素（DS ）
存在于皮肤、血管、心、心瓣膜。

（4）硫酸乙酰肝素（HS ）
存在于肺、动脉、细胞表面。

（5）肝素
存在于肺、肝、皮肤、肥大细胞。

（6）硫酸角质素（KS ）
存在于软骨、角膜、椎间盘。

多糖 纤维蛋白
结合作用：胶原和弹性蛋白
黏合作用：纤黏连蛋白和层黏连蛋白
（非胶原性黏合蛋白） 纤维网架 氨基聚糖和蛋白聚糖
凝胶样基质
2. 蛋白聚糖（PG）
是由氨基聚糖（除透明质酸外）与核心蛋白共价形成的高分子复合物，不同于一般糖蛋白。

分子量大，含糖量高，可达95%，多为较长的、不分枝的GAGs糖链。

核心蛋白为单链多肽，其上可连接1-100条以上氨基聚糖（可为不同的氨基聚糖），形成蛋白聚糖。

若干个蛋白聚糖单体通过连接蛋白，以非共价键与透明质酸结合，形成蛋白聚糖多聚体。

如软骨中的蛋白聚糖复合体。

蛋白聚糖多聚体
氨基聚糖为硫酸软骨素和硫酸角质素，糖链数约130余条左右，分子量为3×109，使软骨具有良好的弹性和抗压性。

3. 氨基聚糖和蛋白聚糖的功能
使组织具有弹性和抗压性；
对物质转运有选择渗透性：其糖基纵横交错，构成高度水化孔胶样物，孔的大小和电荷密度可调节对分子及细胞的通透性，如肾小球基膜中的硫酸软骨素蛋白聚糖对原尿的生成即具有筛滤作用；
角膜中蛋白聚糖具有透光性：硫酸软骨素、硫酸角质素高度硫酸化使基质脱水变得致密，阻止血管的形成，使角膜柔软、具有透光性，角质化亦有保护作用；
氨基聚糖具有抗凝血作用：肝素蛋白聚糖由靠近血管的肥大细胞产生；
细胞表面的氨基聚糖有传递信息作用，如连接素。

氨基聚糖与蛋白聚糖与组织老化有关，随着年龄增长：
⏹如皮肤中透明质酸逐渐减少，后逐渐被硫酸皮肤素所取代；
⏹关节软骨中的蛋白聚糖逐渐减少，可硫酸软骨素被硫酸角质素取代；
⏹蛋白聚糖糖链比例下降，导致组织的保水性及弹性减弱；
⏹氨基聚糖的阴离子可结合钙离子，在组织的钙化、尤其是骨盐的沉积中起重要作用。

4. 氨基聚糖和蛋白聚糖与疾病
粘多糖累积病Hunter综合症；
动脉粥样硬化脂类沉积；
肿瘤的发生；
治疗高脂血症。

防治冠心病、心绞痛、心肌梗死、冠状动脉粥样硬化、心肌缺血。

（二）胶原与弹性蛋白
1. 胶原
是细胞外基质中的骨架结构。

占哺乳动物总蛋白量的1
4
，含量最丰富。

可由成纤维细胞、软骨细胞、成骨细胞及某些上皮细胞合成并分泌到细胞外。

胶原分子结构
为三股螺旋，3条α多肽链盘绕而成，长300nm，直径1.5nm。

人类每条肽链约1050aa，其中Gly占1
3
，同时富含Pro和Lys，2种氨基酸经常羟基化
形成Hypro和Hylys，Lys选择性糖基化。

肽链中的氨基酸组成规律的三肽重复序列Gly-X-Y。

胶原的类型
α链是胶原的基本亚单位，不同的α链组合生成不同类型的胶原。

目前已发现25种不同的α链，26种胶原。

I 型胶原[α1(I)]2[α2(I)]，存在于肌腱、皮肤、骨、韧带；
II 型胶原[α1(II)] 3，存在于软骨；
III 型胶原[α1(III)]3，存在于皮肤、肌肉、结缔组织，在血管壁和各种软组织或器官间质
形成微细的纤维网，常与I 型共分布；
IV 型胶原[α1(IV)]2[α2(IV)]，仅存基底膜。

胶原的合成装配（I-III 型）
胶原的降解
胶原的周转很缓慢，成年人骨中的胶原分子，可维持达10年；一般的蛋白质半衰期为数小时或数天。

参与胶原分解的酶类主要有：
胶原酶，主要作用于I 、Ⅱ、Ⅲ型胶原；
明胶酶，作用于Ⅳ、V 、Ⅶ、Ⅺ型胶原；肿瘤细胞能产生明胶酶，特异性地作用于Ⅳ型
胶原，破坏基膜，为侵袭、转移开辟道路；
基质裂解素，作用于Ⅲ、IV 、Ⅸ、X 型胶原。

胶原的功能与相关疾病
协助完成细胞生长、粘附、运动、增殖、分化
粘连、支持、保护细胞连聚为组织、器官，如：
⏹ 羟化赖氨酸和弹性蛋白交连，使组织有弹性，交联受阻 胶原病；
⏹ 缺抗坏血酸，脯氨酸羟化受阻，不利于交联氢键的生成，影响胶原的稳定，胶原分
子生长不良，间质胶原大大减少，血管变脆、牙龈出血，引起坏血病；
⏹ 肝肺纤维化：胶原生成失衡。

2. 弹性蛋白
是构成细胞外基质中弹性纤维网络的主要成分，是高度疏水的非糖基化纤维蛋白。

为高度疏水蛋白，人类的为830aa ，富含脯氨酸、甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸。

无糖基化，很少有羟脯氨酸，不含羟赖氨酸。

主要由2类片段组成：
⏹ 疏水性短肽：与分子的的弹性有关；
⏹ α螺旋片段：富含丙氨酸、赖氨酸，与相邻分子形成交联。

弹性蛋白以可溶性蛋白原的形式分泌到细胞外，通过赖氨酸残基之间相互交联装配，形
成弹性纤维网。

弹性蛋白表面包饶一层糖蛋白组成的微原纤维。

前α链，带有信号肽和前肽（不含Gly-X-Y 结构） 去除信号肽；选择性羟基化、糖基化； C-端前肽借二硫键形成链间交联，使3条对齐排列，3
条
α链以氢键相连，形成三股螺旋，前肽部分不螺
旋，即
前胶原 分泌到细胞外；去除前肽；相邻分子相错14
长度，约67nm ，前后分子相距约35nm ，聚合形成明暗相间
的纤维，即
胶原原纤维
细胞外基质中聚集成束，形成
胶原纤维 内质网 高尔基体
细胞外
⏹其中原纤蛋白是保持弹性纤维完整所必需的成分，其基因突变，可导致马凡氏综合
症。

胶原纤维与弹性纤维交织，可以限制其伸展程度，防止组织撕裂，使组织既有弹性又有韧性。

弹性蛋白是动脉中含量最高的细胞外基质蛋白，其基因突变可导致动脉壁平滑肌过度增殖引起动脉狭窄。

3. 纤粘连蛋白（FN）
为高分子糖蛋白，含糖量4.5%-9.5%，其含糖量因组织不同和分化状态不同而有差异。

有两种存在形式：
血浆纤粘连蛋白（PF），主要存在于体液、血浆中，促进血液凝固、创伤愈合、细胞吞噬；
细胞纤粘连蛋白（CF），高度不溶，主要存在于细胞外基质和细胞表面。

CF在细胞表面装配，沉积在细胞外基质（包括某些基膜），主要由间质细胞分泌。

FN结构特点
纤维状糖蛋白。

由2个相似的亚单位构成二聚体，二聚体C端以二硫键相连，“V”形，活动度大。

⏹其中PF为二聚体。

⏹CF为二聚体交联后形成的多聚体。

有许多结合位点，可结合ECM成分或细胞。

每条肽链约含2450aa，构成5-7个有特定功能的球形结构域。

⏹各结构域之间的肽段可折曲，对蛋白酶敏感。

具有三肽序列Arg-Gly-Asp（RGD）结合活性部位，是细胞表面各种FN受体识别并结合的最小单位，但并非FN所特有。

FN功能
黏着、迁移。

介导细胞-细胞外基质的黏着；
与细胞的迁移：在黏着斑处FN受体（如整联蛋白）通过FN与细胞外基质相连，通过黏着斑的形成于解离，影响细胞骨架的组装与去组装，促进细胞迁移；
在胚胎发生期引导细胞迁移及细胞分化；
在组织创伤中，PF可结合血浆纤维蛋白，在伤口处吸引成纤维细胞平滑肌细胞、和内皮细胞向伤口迁移，形成肉芽组织。

FN与疾病
肾小球炎；
恶性肿瘤中的FN受体异常，细胞黏着能力下降。

4. 层粘连蛋白（LN）
是胚胎发育中出现的最早的细胞外基质成分，为糖蛋白，含糖13-28%。

结构复杂，功能多样。

高分子糖蛋白，分子量820-850Da，300nm长。

由αβγ三条多肽组成的异三聚体。

⏹一条重链α与两条轻链βγ以二硫键相连，呈不对称十字结构：三条短臂（N-端）、
一条长臂。

至少有8个细胞结合位点，结合上皮细胞、内皮细胞、成纤维细胞、神经元、神经鞘细胞、肿瘤细胞等。

是一个大的蛋白家族，现已鉴定出8种不同一级结构序列的LN亚单位。

LN的功能
基膜的主要成分；
具有RGD序列，被各种细胞识别，从而固定在基膜上；
在早期胚胎中保持细胞间的黏附、细胞的极性、及细胞的分化具有重要意义。

LN与疾病
糖尿病基底膜的改变。

三、基膜/基底膜
是细胞外基质的特化的柔软、坚韧的网膜结构。

一般厚40-120nm。

位于上皮细胞或内皮细胞基底部，或包绕在肌细胞、雪旺氏细胞周围，将细胞与结缔组织隔离。