细胞生物学-细胞连接与细胞外基质.pdf

细胞连接与细胞外基质黄辰生物医学基础研究中心 遗传学与分子生物学系 029-82657合3r细胞外被细胞表面小膜骨架-质膜的特化结构封闭连接细胞连接*锚定连接通讯连接r氨基聚糖及蛋白聚糖细胞外基质A胶原与弹性蛋白-纤粘连蛋白与层粘连蛋白细胞生物学一细胞表面细胞表面(cell surface)是指以质膜为主体，包括 质膜外细胞外被和质膜内侧胞质溶胶在内的复合功能结构 体。细胞生物学一细胞表面一、细胞外被(cell coat)1.概念：指细胞外侧与质膜通过共价键结合，在细胞功能 活动中具有重要作用的多糖类物质。2.特性：既是质膜结构的一部分，又具有相对的独立性。3.功能：*参与细胞的物质运输；*具有保护作用*决定细胞识别、细胞免疫、细胞形态形成与分化的选择性。细胞生物学一细胞表面GlycocalyxMicrovilli细胞生物学一细胞表面二、膜骨架膜骨架指质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网 架结构(meshwork),它参与维持质膜的形状并协助质膜完 成多种生理功能。膜骨架位于细胞质膜下约0.2 um厚的溶 胶层。血影主要成分包括：血影蛋白(spectrin)锚蛋白(ankyrin)、带4.2蛋白(band 4.2)、带4.1蛋白(band 4.1)短肌动蛋白(short actin)和血型糖蛋白(glycophorin)。细胞生物学一细胞表面0E 细胞生物学一细胞表面胞质溶胶（cytosol）1.概念：指膜下厚度约为0.01-0.02nm的高浓度蛋白质 溶胶层。2.特性：有较多的微丝、微管分布；具有很强的抗张强度。3.功能：维持细胞的形态与极性，调节膜蛋白的分布和运 动。细胞生物学一细胞表面三、质膜的特化结构质膜常带有许多特化的附属结构。如：微绒毛、褶皱、纤毛、鞭毛等等，这些特化结构在细胞执行特定功能方面具 有重要作用。由于其结构细微，多数只能在电镜下观察到。细胞生物学一细胞表面微绒毛 microvi 11 i 是细胞表面伸出的细长突起，广泛存在于动物细胞表面。直径约为Slum。内芯由肌动蛋白丝束组成。肌动蛋白丝之间由许多微绒毛蛋白(villin)和丝束蛋白(fimbrin)组成的横桥相连。微绒毛处质膜有myosin I构成的侧臂与肌动蛋白丝束相连,从而将肌动蛋白丝束固定。作用：扩大了细胞的表面积，有利于细胞同外环境的物质交 换。如小肠上微绒毛，使细胞表面积扩大了30倍。细胞生物学一细胞表面小鼠肾曲管上皮细胞微绒毛，冰冻蚀刻细胞生物学一细胞表面皱褶(ruffle)细胞表面的扁形突起，也 称为片足(lamellipodia)。在巨噬细胞的表面上，普 遍存在着皱褶结构，与吞 噬颗粒物质有关。SEM image of alveolar(Lung)macrophage attacking E.coli.(Show ruffle on the cell surface)细胞生物学一细胞表面内褶infolding内褶是质膜由细胞表面内陷形成的结构，以相反的方式扩大了 细胞的表面积。这种结构常见于液体和离子交换活动比较旺盛的细细胞生物学一细胞表面纤毛(cilia)和鞭毛(flagella)纤毛和鞭毛是细胞表面伸出的条状运动装置。二者在发生和结构上并没有什么差别。纤毛和鞭毛都来源于中心粒。细胞生物学一细胞连接细胞连接是细胞与细胞间或细胞与细胞外基质间 的联结结构。分为三大类，即：封闭连接(occluding junction)、锚定连接(anchoring junction)和通 讯连接(communicating junction)。细胞生物学一细胞连接闭锁连接(occluding junction)存在于脊椎动物的上皮细胞间。也叫紧密连接(tight junction)o连接区域具有蛋白质焊接线，也称喳线，由跨膜细胞粘附分子构成。.相邻细胞之间的质膜紧密结合，没有缝隙。.主要作用：封闭相邻细胞间的接缝，防止溶液中的分子沿细胞间隙渗 入体内，构成脑血屏障和睾血屏障。细胞生物学一细胞连接Tight Junction in Epithelia of Rabbit细胞生物学一细胞连接So lute mo lec ulesSo lute mo lec ulesTight JunctionsSeal off body cavities Restrict diffusion of membrane componentsTight junc tio n membrane pro teinsInterc ellularspac eCyto plasm-Tight 】junc tio n membranepro teinsLipid bilayerCyto plasmCopyright 1999 John Wiley and Sons.Inc.AJI nghts reserved.细胞生物学一细胞连接细胞生物学一细胞连接锚定连接(anchoring junction)依其结构特点而分为三种类型，包括：带状桥粒、点状桥粒和半桥粒。MIOZqpR W=Tactin filamentstight junctiondesmosomo(cadherinsintor-mediate filamentsadhesion belt gap junction(connexinsJUNCTIONAL ADHESION MECHANISMSNONJUNCTIONAL ADHESION MECHANISMS细胞生物学一细胞连接粘合带(adhesion belt)与粘合斑(adhesion plaque)粘合带：.呈带状环绕细胞，位于紧密连接下方。.相邻细胞间的粘合分子为E-钙粘素。.质膜内侧有多种附着蛋白形成的致密斑。连接的细胞骨架成分为 actino粘合斑：位于细胞与细胞外基质间，粘附分子为integrin、胞内骨架成分也是actin。细胞生物学一细胞连接粘合带bl细胞生物学一细胞连接zz，2_Circ umferential belt环带;adherens junc tio n粘着连接Adhesion Belt10 nm幻灯片23apical surface顶面；basal底面;bj,2010/12/24细胞生物学一细胞连接桥粒(desmosome)与半桥粒(hemidesmosome)桥粒是相邻细胞间形成的纽扣状结构。.通过质膜下的致密斑连接中间纤维。桥粒中间为钙粘素(desmoglein及desmocollin)。.分布：承受强拉力的组织中，如皮肤、口腔、食管、心肌中。半桥粒.位于上皮细胞基面与基膜之间，连接蛋白为整合素。连接的细胞内骨架成分为角蛋白。细胞生物学一细胞连接Desmosome细胞生物学一细胞连接Adjac ent plasma membranesCyto plasmic pro tein plaqueCyto skeletal filaments anc ho red to c yto plasmic plaqueDesmo so me细胞生物学一细胞连接Hemidesmosome细胞生物学一细胞连接通讯连接(communicating junction)包括：间隙连接(gap junction)和化学突触。间隙连接相邻细胞膜间间隔以2nm的间隙。其连接装置为直径约68nm的 连接子(connexon)o连接子是由多个穿膜内在蛋白亚单位构成的中 空隧道结构，内径2nm左右。间隙连接作为通信连接的主要形式。除成熟的骨骼肌细胞和血细 胞之间无此种连接形式外，普遍存在于包括培养细胞在内的各种细胞 中。细胞生物学一细胞连接功能：1、影响细胞分化2、协调细胞代谢3、电兴奋传导：神经末梢 间的间隙连接称为电紧张 突触(electrotonic synapses)。50 nm细胞生物学一细胞连接Adjacent plasma membranesChannel(diameter 1.5 nm)ConnexonTwo adjacent connexons forming an open channel between cells细胞生物学一细胞连接I化学突触是存在于可兴奋细胞间的一种连接方式，其作用是通过释放神经递质来传导兴奋。由突触前膜、突触后膜、突触间隙三部分组成。突触前神经元的突起末梢膨大呈球形，称突触小体。突触小体内有突触小泡，内含神经递质。细胞生物学一细胞连接细胞生物学一细胞连接(a)Chemical synapseDirection of signalingSynaptic vesiclesFibers of basal laminaExocytosis of neurotransmitterAxon of presynaptic cellAxon terminalSynaptic cleft 4 7Postsynaptic Receptors forneurotransmitter细胞生物学一细胞连接Tight junc tio n(a)Copynghc 1999 John Wtley and Sons.Inc.AJI nahts reservedVarious Cell Junctional Complexes细胞生物学一细胞连接Tight junctionAdherens junctionDesmosomeGap junctionHemidemosome细胞生物学一细胞连接各类连接的比较封闭连接一紧密连接*上皮组织一间壁连接，只存在于无脊椎动物中.锚定连接。连接肌动蛋白粘合带.粘合斑.上皮组织上皮细胞基部，连接中间纤维桥粒.心肌、表皮,半桥粒上皮细胞基部一通讯连接。间隙连接，大多数动物组织中化学突触，神经细胞间和神经一肌肉间一植物细胞间一细胞生物学一细胞连接I 细胞粘附分子(Cell Adhesion Molecule,CAM)CAM介导细胞与细胞间及细胞与ECM间的相互作用。为糖蛋白、分为五类，分子结构由三部分组成：胞外区，N端部分，负责与配体识别；跨膜区，多为单次跨膜；胞质区，c端部分，与质膜下的骨架成分直接相连，或与胞内 的信号分子相连。细胞生物学一细胞连接多数细胞粘附分子依赖二价阳离子，如Ca2+,Mg2+。细胞粘附分子的作用机制有三种模式：亲同性粘附；-亲异性粘附；.通过胞外连接分子相互识别与结合。G010)hornophilic heterophilic linker细胞生物学一细胞连接钙粘素cadherin亲同性CAM,依赖Ca2+。胞外部分形成5个结构域，均含Ca2+结合部位。作用：.介导细胞连接：如E-钙粘素。参与细胞分化：决定胚胎细胞间的粘附，影响细胞分化。抑制细胞迁移：细胞生物学一细胞连接Cyto plasmMembrane bilayerCadherin1JInterc ellular spac emmwmmttttiR tmnmmmmCo pynght 1999 Jo hn W4y and So ns.Inc.Al rights reserved.细胞生物学一细胞连接哺乳动物细胞表面的主要钙粘素分子名称主要分布组织E-c adherin着床前的胚胎、上皮细胞（在带状粘合处特别集中）P-c adherin胎盘滋养层细胞、心、肺、小肠N-c adherin胚胎中胚层、神经外胚层、神经系统（脑、神经节）、心、肺M-c adherin成肌细胞、骨骼肌细胞R-c adherin视网膜神经细胞、神经胶质细胞Ksp-c adherin肾OB-c adherin成骨细胞VB-c adherin脉管内皮细胞desmo glein桥粒desmo c o llin桥粒细胞生物学一细胞连接选择素(selectin)选择素属亲异性CAM；作用依赖于CM+；参与白细胞与脉管内皮细胞之间的识别与粘合；已知选择素有三种：L选择素、E选择素及P选择素。P选择素贮存于血小板及内皮细胞；E选择素存在于活化的血管内皮细胞表面；L选择素广泛存在于各种白细胞的表面，参与炎症部位白细胞的出 脉管过程。细胞生物学一细胞连接L-Selec tinj j OQj Qj Lec tin-like do mainO EGF-like do main Struc tural do mainE-Selec tinI I I I 1 I 0(5SELECTINSLigandCopynght 1999 John Wily and Son*.Inc.Al nghu reserved细胞生物学一细胞连接免疫球蛋白超家族Ig-superfamilyIg-SF包括分子结构中含有免疫球蛋白(Ig)样结构域的所有分 子，免疫球蛋白样结构域指借二硫键维系的两组反向平行的B折叠结 构。一般不依赖于Ca2+,包括亲同性或亲异性CAM N-CAM存在于神经细胞。Pe-CAM存在于血小板及大多数免疫细胞。I-CAM及V-CAM在活化的血管内皮细胞表达。细迪生物学一细胞连接Cyto plasmCOOHCyto plasm UCOOHCopynQht 1999 John Wiley and Sons.Inc All nghts reserved.Reprinted with permission from E.Yvonne Jones,et al.,Nature 373:540,1995.Copyright 1995 Macmillan Magazines Ltd.细胞生物学一细胞连接整合素integrin多为亲异性细胞粘附分子。作用依赖于Ca2+。是a 8亚单位形成 异二聚体。.含Bi的整合素主要介导细胞与ECM之间的粘附。.含8 2的整合素主要介导细胞间的相互作用。I含B 3亚单位的整合素介导血小板聚集，参与血栓形成。a 68 4整合素以层粘连蛋白为配体，参与形成半桥粒。细胞生物学一细胞连接IntegrinsP subunit binds RGD domain on fibronectinoc subunit binds calciumCa2+necessary for substrate bindingRGDCOOHFibro nec tinVinc ulinDisulfide repeatsCalc ium-bindingaAc tininRGD/bindingaSubunit light c hainCyto so lDNAPaxillinAc tin filamentFo c al Nuc leus adhesio n,kinase(FAK)Signals transmitted,to the nuc leusaSubunit heavy c hainCopynght 1999 John Wiley and Sons.Inc.Al nghts reserved细胞生物学一细胞连接Keratin filamentsHemidesmosomesFrom Douglas E.Kelly.J.Coll Biol 28:51,1966:by fi copyright permission of tho RockefAller University PressV、，PlaqueCyto plasmIntermediate filamentsBasement membraneExtrac ellular spac eHemidesmosome TEMPlasma membrane_ 一二-Anc ho ring filament 最7Co llagen fibers(b)Type VII Co llagen fibrilsCopyright 1999 John Wiley and Sons.Inc.AJI nghts reserved细胞生物学一细胞连接透明质酸粘素hyaladherin包括可结合透明质酸糖链的一类分子，如：CD44族。CD44的功能包括：.介导细胞与细胞外基质之间的粘附；.参与细胞对透明质酸的摄取及降解；.参与淋巴细胞归巢；.参与T细胞的活化；促进细胞迁移。CD44在很多种肿瘤细胞的表达比相应正常组织为高，与肿瘤细胞 的成瘤性、侵袭性及淋巴结转移性有关。细胞生物学一细胞外基质细胞外基质(extracellular matrix,ECM)是由多种 大分子成分形成的具有一定组织性的网络结构。包括：胶原、非胶原糖蛋白、氨基聚糖与蛋白聚糖、弹性蛋白等。细胞生物学一细胞外基质氨基聚糖和蛋白聚糖氨基聚糖由重复的二糖单位聚合成的无分支直链多糖。二糖单位通常由氨基已糖和糖醛酸组成。包含透明质酸、硫 酸软骨素、硫酸皮肤素、硫酸角质素、肝素等。Repeating sequence in hyaluronan,a simple GAGRepeating disaccharide细胞生物学一细胞外基质Dead c o rnified c ellsEpidermisDividing c ellsBasement membrane-DermisSpec ialized c ell-c ell c o ntac tRetic ular fiberCo llagen fiberFibro blastElastic fiberSpec ialized c ellsubstratum c o ntac tBasement membraneCyngN 1999 John Wiley and Son*.Inc All nghte reserved细胞生物学一细胞外基质氨基聚糖的分子特性及分布氨基聚糖二糖单位硫酸基分布组织透明质酸葡萄糖醛酸，N-乙酰葡萄糖0结缔组织、皮肤、软骨、玻璃体、滑液硫酸软骨素葡萄糖醛酸，N-乙酰半乳糖0.2-2.3软骨、角膜、骨、皮肤、动脉硫酸皮肤素葡萄糖醛酸或艾杜糖醛酸，N-乙酰葡萄糖1.0-2.0皮肤、血管、心、心瓣膜硫酸乙酰肝素葡萄糖醛酸或艾杜糖醛酸，N-乙酰蔺曲糖0.2 3.0肺、动脉、细胞表囿肝素葡萄糖醛酸或艾杜糖醛酸，N-乙酰葡萄糖2.0-3.0肺、肝、皮肤、肥大细胞硫酸角质素半乳糖，N-乙酰葡萄糖0.9-1.8软骨、角膜、椎间盘细胞生物学一细胞外基质蛋白聚糖由氨基聚糖与蛋白质共价结合而形成。糖含量 可高达95肌 其蛋白称为核心蛋白。The Linkage Between a GAG Chain and Its Corv Protein细胞生物学一细胞外基质(b)c o o-Hyaluro nic ch2ohCo re pro teinCH20HHhH X./IH3细胞生物学一细胞外基质胶原 Collagen组成：由原胶原交联而成，原胶原是三条肽链形成的三股螺旋，含 有三种结构：螺旋区，非螺旋区及球形结构域。原胶原的每条链由重复的Gly-X-Y序列构成。X二pro,Y二hyp 或hyl,Gly-X-Y序列使a链卷曲为左手螺旋。三股链再绕成右手 超螺旋。细胞生物学一细胞外基质Collagen structure/cino(一X(A)1.5 nm细胞生物学一细胞外基质原胶原间共价交联，呈阶 梯状排列，形成胶原纤维，在 电镜下可见间隔67nm的横纹。Copyngnt 1999 John Wiley and Sons.Inc.All nghts reserved细胞生物学一细胞外基质TEM image of collagen细胞生物学一细胞外基质合成：由成纤维细胞、软骨细胞、成骨细胞、上皮细胞分泌。在RER上合成，形成三股螺旋之前于Pro及Lys残基上进行羟基化修饰。羟化反应的催化剂为脯氨酰4羟化酶和脯氨酰3羟化酶。维生素C是这两种酶所必需的辅助因子，VC缺乏导致坏血病。交联：交联键是由侧向相邻的赖氨酸或羟赖氨酸残基氧化后所产生的两个醛基间进行缩合而形成的。细胞生物学一细胞外基质1 SYNTHESIS OF PRO。CHAINcollagen fiber2.HYDROXYLATION OF SELECTED PROLINES AND LYSINESO.S-3 gnri 1)9.AGGREGATION OF COLLAGEN FIBRILS TO FORM A COLLAGEN FIBER 1COOHpropeptideSELF-ASSEMBLY OF THREE PROy，CHAINS3 pro-aon OhOH OHPROCOLLAGEN TRIPLE HELIX FORMATIONsecretory vesicleER/Golfli compartment6 SECRETIONplasma membrane/OH A.procollagen molecule.10-3008.SELF ASSEMBLY nm7.CLEAVAGEOF PROPEPTIDES 加g第 moleculeI KITO FIBRILcollagen fibril细胞生物学一细胞外基质细胞生物学一细胞外基质原胶原共价交联后成为具有抗张强度的不溶性胶原。.胚胎及新生儿的胶原因缺乏分子间的交联而易于抽提。.随年龄增长，交联日益增多，组织僵硬老化。类型：.已知至少19种胶原，由不同的结构基因编码。.I、II、in、v、xi型胶原为有横纹的纤维形结构。是人体最丰富的蛋白，占蛋白总量的30%以上。.功能：参与形成结缔组织，如骨、韧带、基膜、皮肤。细胞生物学一细胞外基质TypeAppro ximate Fiber LengthOc c urenc e1300 nmSkin,teeth,bo nes,tendo ms,c o rneaII300 nmc artilage,invertebral disc s,no to c ho rdIII300 nmskin,tendo ns,blo o d vessel/uterine wallsIV390 nmbasal laminae,kidney glo merulus,eye lens c apsuleV300 nmc o rnea,interstitial tissuesVI105 nmc artilageno us/no nc artilageno us c o nnec tive tissuesVII450 nmskins basal lamina,to ngue,c o rnea,sc lera,amnio nVIII150 nmmino r c o nstituent o f c artilage,sc leraIX200 nmmino r c o nstituent o f c artilageX150 nmmino r c o nstituent o f c artilagejn c artilageno us regio ns underqo inq transitio n to bo neXIUnkno wnmino r c o nstituent o f c artilageXIIUnkno wnmino r c o nstituent o f tendo nsXIIIUnkno wnendo thelial tissuesXIVUnkno wnfetal skin and tendo n细胞生物学一细胞外基质弹性蛋白elastin是弹性纤维的主要成分。由二类短肽交替排列构成。.一种是疏水短肽，赋予分子以弹性；.另一种为富Ala及Lys残基的a螺旋，负责在相邻分子间交 联，形成网状结构。弹性蛋白外面包着一层由微原纤维（糖蛋白）构成的壳。老年组织中弹性蛋白的生成减少，降解增强，以致组织失去弹性。细胞生物学一细胞外基质elastic fiberSTRETCHRELAXsingle elastin mo lec ule细胞生物学一细胞外基质纤粘连蛋白Fibronectin(FN)类型：血浆FN：V字形二聚体，可溶，存在于血浆、体液。.细胞FN：多聚体，不溶，存在于ECM及细胞表面。已鉴定的FN亚单位20种以上。由同一基因编码，转录后拼 接不同，形成多种异型分子。结构：含糖4595%每条FN有5 7个有特定功能的结构域。细胞生物学一细胞外基质Heparin-and Co llagen-Fibrin-Cell-fibrin-binding binding binding binding（Q）do main do main do main do mainCopynl 1999 John Wiey and Sons.Inc.Al rights reserved.Heparin-Fibrin-binding binding site site细胞生物学一细胞外基质组装：FN不自发组装成纤维，通过细胞表面受体指导下进行。.肿瘤细胞表面的FN纤维减少，因细胞表面的FN受体异常所致。功能：.FN可将细胞连接到ECM上；FN上的RGD(Arg-Gly-Asp)序列可与细 胞表面的整合素结合。人工合成的RGD三肽可抑制细胞在FN基质上粘附。细胞生物学一细胞外基质(C)c o llagen-fiber(stro ng)plasma membrane(weak)ac tin filament(stro ng)细胞生物学一细胞外基质层粘连蛋白laminin(LN)结构：.由三条肽链借二硫键交联成十字形分子。已知7种LN分子，8种亚单位(。1-3、81-3、yl-2)。与 FN不同，这8种亚单位由不同基因编码。含糖量很高(15-28%),具有50条左右N-连接的糖链。功能：参与构成基膜，是胚胎发育中出现最早的细胞外基质成分。细胞生物学一细胞外基质25 nmHeparan sulfate binding site细胞生物学一细胞外基质Perlec anType IV c o llagenEntac tinLamininBasal lamina细胞生物学一细胞外基质细胞外基质的生物学作用1.影响细胞的存活、死亡2.决定细胞的形状3.调节细胞的增殖4.控制细胞的分化如，成肌细胞在纤粘连蛋白上增殖并保持未分化的表型；而在 层粘连蛋白上则停止增殖，进行分化，融合为肌管。5.参与细胞的迁移