细胞连接与细胞外基质

细胞连接与细胞外基质

基础医学院细胞生物学系 杨乐 Tel: 83950100 Email: [email protected] 阶平楼164，科研楼923

本章内容

细胞连接 细胞外基质

1 2

2

本章内容

细胞连接

 细胞连接的类型与组成  细胞连接的结构和功能  细胞连接与疾病

细胞外基质

 细胞外基质的化学组成  细胞外基质的形态结构 和功能  基膜的形态结构与功能 （自学）  细胞外基质与细胞的相 互作用（自学）  细胞外基质与疾病

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1.1 概述

 细胞表面特化结构  概念：

细胞连接

机体各种组织的细胞彼此按一定方式相互接触 ，并形成了将相邻细胞连接起来的特殊细胞结 构，这些起连接作用的结构或装置就称为细胞 连接。

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细胞连接的类型

细胞连接

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1.2 细胞连接的类型和组成

 A. 紧密连接（tight junction）

细胞连接

 B. 锚定连接（plaque-bearing junction）

黏合带 (adhesion belt) 黏着斑 (adhesion plaque, or focal adhesion) 桥粒 (desmosome) 半桥粒 (hemidesmosome)

 C. 缝隙连接（gap junctions）

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细胞连接

紧密连接

桥粒 半桥粒

黏着斑 黏着带 锚定连接

缝隙连接

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细胞连接

1.2.1 紧密连接 Tight junction

概念：

是一种相邻细胞间的局部紧密结合。两个细胞在连 接处的侧面近顶部细胞膜紧密接触，发生点状融合 ，形成与外界隔离的封闭带。是由相邻细胞的跨膜 连接糖蛋白组成的对合的封闭链。

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紧密连接

透射电镜图像和冰冻断裂复型膜电镜图像

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紧密连接的分布

分布：

细胞连接

普遍存在于各类上皮组织细胞上，包括各种腔道和 腺体的上皮细胞、内皮细胞，以及表皮的颗粒细胞之 间等。 在神经元的胞体和轴突上均不存在紧密连接，但在 髓鞘上具有紧密连接，能够封闭髓鞘间隙。 在胚胎发育的8细胞期，伴随着细胞极性的建立和 粘合带的形成，紧密连接开始组装，并在囊胚腔出现 以前组装完毕，保证了囊胚的形成。

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紧密连接的分子组成

细胞连接

 电镜下观察：紧密连接由网状结构的嵴线构成。  嵴线是紧密连接的结构基础，使分子难以通过；对小 分子通行的封闭效果取决于其数量的多少。

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紧密连接的分子组成

紧密连接嵴线中的三类主要蛋白：

occludin：封闭蛋白、闭锁素； 跨膜四次的膜蛋白（60KD） claudin：水闸蛋白、壳牢素； 为一至少拥有20个成员的蛋白家族 Zonula occluden (ZO)蛋白

细胞连接

紧密连接在细胞内侧以微丝为结构支架。 Ca2＋是形成紧密连接所必需的。用蛋白酶及螯合 剂处理可使紧密连接分离。

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紧密连接的分子组成

细胞连接

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细胞连接

紧密连接的分子组成

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紧密连接的分子组成

细

胞连接

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紧密连接的功能

连接功能：连接相邻细胞，加固组织

细胞连接

封闭和调控细胞间隙的通透性，保证机体内环境 的稳定和物质的选择性吸收 参与细胞极性的形成

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紧密连接的功能（封闭和调控）

细胞连接

屏障作用：紧密连接对蛋白质等大分子一 般不通透，保证了机体内环境的稳定。

如：血脑屏障、病毒感染途径的选择性。

阀门（闸门）作用：紧密连接对小分子、 离子和水具有可调控的通透性。

细胞旁通路：经由紧密连接穿过相邻上皮或内 皮细胞之间的空隙实现的物质运输称为细胞旁 通路（paracellular pathway）。

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实验证据（屏障作用）

细胞连接

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实验证据

细胞连接

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细胞连接

阀门/闸门 作用--细胞旁通路

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紧密连接的功能（细胞极性）

细胞连接

栅栏作用：将上皮细胞的表面分隔为顶面与底侧 面，限制膜蛋白与膜脂的侧向扩散，从而参与细胞 极性的形成。

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紧密连接与疾病

炎症细胞出血管过程。

细胞连接

中枢神经系统疾病如多发性硬化与紧密连接受损所致 血脑屏障功能损害有关。 肠道上皮细胞屏障功能损害与多种自身免疫性疾病有 关，包括I型糖尿病、IgA肾病、强直性脊柱炎、Crohn 氏病、溃疡性结肠炎等。 参与紧密连接形成的基因缺陷可引起先天性皮肤病， 这与皮肤的通透屏障破坏有关。 致病菌和病毒感染常常首先破坏紧密连接屏障。

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细胞连接

1.2.2 锚定连接 Plaque-bearing junction

概念： 是存在于相互接触的细胞之间或细胞与细胞 外基质之间，具有特定形态结构，能抵抗一定 机械张力的牢固黏合。 分布： 主要存在于各种上皮细胞及某些非上皮细胞 上，如心肌、平滑肌细胞、成纤维细胞等。

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锚定连接

分类：共四类，分为两组 与微丝相连者： 黏合带 (Adhesion belt)

细胞连接

黏着斑 (Adhesion plaque/ focal adhesions) 与中间纤维相连者： 桥粒 (Desmosome) 半桥粒 (Hemidesmosome)

细胞连接

锚定连接

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黏着带 adhesion belt

概念：

位于紧密连接下方，相 邻细胞间形成一个连续的 带状结构。间隙约15～20 nm，也称带状桥粒(belt desmosome)。

细胞连接

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细胞连接

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黏着带的分子组成

 钙黏着蛋白 Cadherin

在人类有超过22个成员；构象改变依赖于Ca2+

细胞连接

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细胞连接

黏着带的微观结构

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细胞连接

黏着带的微观结构

结构： 胞质面有微丝束平行环绕细胞膜，通过黏着斑 连接蛋白与钙黏素（cadherin）相连 一种依赖Ca2+的机制使黏连素之间互相黏着。 内含细丝状物，为来自两相邻细胞的钙粘素之 胞外部分。 是上皮细胞之间由钙粘素（cadh

erins）介导的、 在质膜下方有肌动蛋白纤维附着的细胞连接。

30

黏着带的功能

功能：

细胞连接

维持细胞形态和组织器官的完整性、建立细胞极 性、参与信号转导等功能，并参与形态发生和细胞 分化。 例如：神经管的形成和闭合

E-cadherin

N-cadherin

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黏着斑 adhesive plaque

概念：

细胞连接

是在某些细胞与细胞外基质之间形成的、呈散在 斑点状分布的锚定连接。它不像黏着带环绕整个细 胞成带状。间隙约为10-15 nm，明显窄于非特异的 粘合部位。 分子组成： 整联蛋白，又称为整合素（integrin）

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黏着斑的分子组成

细胞连接

 整合素 Integrin

 

异源二聚体糖蛋白 人体细胞中已发现24 种α链和9种β链， 它们相互配合形成至 少24种不同的二聚体 整合素

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黏着斑的微观结构

结构：

细胞连接

在粘着斑处质膜中成簇的整合素分子在胞外与细胞 外基质蛋白质（纤粘连蛋白）结合，在胞内通过多 分子复合体与肌动蛋白纤维束（应力纤维 Stress fiber）结合。

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黏着斑的微观结构

细胞连接

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黏着斑的功能

功能：

主要与细胞的贴附铺展 及迁移运动有关。 与片状伪足的运动密切 相关。 存在于成纤维细胞等结 缔组织细胞上，不断组 装与去组装，其动态变 化是细胞铺展与迁移的 前提

细胞连接

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桥粒 Desmosome

概念： 相邻细胞通过中等纤 维附着的胞质斑形成 的一种特殊连接。存 在于上皮细胞底侧面 、粘合带的下方，呈 圆盘状，作用似铆钉 。桥粒处相邻细胞质 膜之间存在 30－50 nm 宽的间隙。

细胞连接

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桥粒的分子组成

分子组成：

钙粘素分子，属于钙粘素 超家族中的桥粒钙粘素。 包括桥粒斑球蛋白 (plakoglobin)、桥粒斑素 (desmoplakin)、桥粒芯蛋 白(desmoglein)、桥粒芯 粘着蛋白(desmocolin) 等。

细胞连接

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桥粒的微观结构

细胞连接

桥粒所在质膜的胞质侧有一层致密的胞质斑，即 桥粒斑（desmosomal plaque）。 桥粒斑中含有大分子复合体，将中间纤维以反折 成绊环的形式在其上锚定。 多束中间纤维通过与每一个桥粒紧密相连，形成 布满整个细胞的网络。

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桥粒的微观结构

细胞连接

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桥粒的功能

细胞连接

铆接相邻细胞，提供细胞内中间纤维的锚定位点 形成整体网络，起支持和抵抗外界压力与张力的 作用。

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桥粒与疾病

一些皮肤病与桥粒病变有关：

细胞连接

抗桥粒钙粘素的自身抗体可引起寻常天疱疮 （pemphigus vulgaris），严重者可危及生命。 桥粒钙粘素基因缺陷可导致皮肤病。 金黄色葡萄球菌产生的毒素可以水解桥粒钙粘素， 引起表皮剥脱起泡。

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半桥

粒 Hemidesmosome

细胞连接

概念： 是在与基膜接触的上皮细胞底面出现的、以 整合素为粘合分子、并以中间纤维为胞内支架的 锚定连接，其结构类似于半个桥粒。

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半桥粒的分子组成及微观结构

 半桥粒与桥粒形态类似  化学组成不同：通过细 胞质膜上的膜蛋白整合 素将上皮细胞固着在基 底膜上  在半桥粒中，中间纤维 不是在致密斑上形成袢 环而是终止于半桥粒的 致密斑内。

细胞连接

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细胞连接

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半桥粒的功能

细胞连接

将上皮细胞铆接在基底膜 上。 提供支撑，抵抗外界压力及 张力

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半桥粒与疾病

与半桥粒相关的疾病：

细胞连接

抗半桥粒的自身抗体可导致多见于老年人的大疱性类 天疱疮（bullous pemphigoid）。 整合素和层粘连蛋白基因的突变均可引起大疱性表皮 松解症(epidermolysis bullosa)。

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锚定连接小结

膜蛋白 （黏合分子） 钙黏素 膜蛋白 的配体 钙黏素 细胞骨架 锚定纤维 微丝 微丝 中间纤维

细胞连接

连接种类 黏合带 黏着斑 桥粒 半桥粒

连接对象 细胞-细胞 细胞-细胞外基质 细胞-细胞

a5b1整合素 纤黏连蛋白等 钙黏素 钙黏素

a6b4整合素 层黏连蛋白等 中间纤维 细胞-细胞外基质

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细胞连接

1.2.3 缝隙连接 gap junction

概念：

是机体细胞间最普遍的一种细胞连接，广泛分布 于各种组织细胞间，早在胚胎发育的8细胞阶段即 已建立。 两相邻细胞的质膜间形成的特化盘状区域，该 处的相邻质膜间具有2～4 nm的狭缝，内含许多两 两相对的连接子（Connexon）。

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缝隙连接

细胞连接

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缝隙连接的微观结构

 基本结构单位：连接子 connexon

细胞连接

蛋白复合体 由6个连接蛋白分子组成，每个蛋白为柱状4次跨膜蛋白 中心为亲水通道，允许离子及分子量

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细胞连接

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缝隙连接的功能

功能：

建立细胞间的电偶联和代谢偶联；

细胞连接

孔道的调控能够影响细胞的生理活动并对细胞具 有保护作用； 对于胚胎发育及细胞分化具有重要作用。

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电偶联 electric coupling

细胞连接

 带电离子通过间隙连接通道由一个细胞直接进入另 一个细胞，使动作电位迅速在细胞之间传播的过程。 存在于某些具有电兴奋性的细胞之间。

存在于少数神经细胞之间的缝隙连接即为电突触； 心肌细胞的缝隙连接出现于闰盘内，尤其在心脏浦肯野传 导系统，电偶联非常发达； 一些脏器的平滑肌细胞之间也通过由缝隙连接介导的电偶 联实现同步收缩。

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代谢偶联 metabolic coupling细胞连接

 小分子代谢物和信号分子（分子量小于1500D)即可 通过间隙连接的通道，

由一个细胞进入与之相邻的另 一个细胞。 在没有电兴奋性的组织中，缝隙连接使代谢物（氨 基酸、葡萄糖、核苷酸、维生素等）及第二信使（ cAMP、Ca2+ 等）直接在细胞间流通。

例如：激素与靶细胞作用后通过代谢偶联引起同步化效应 。晶状体的营养与胞浆流，卵母细胞的营养。

在胚胎发育早期特别重要

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细胞连接

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缝隙连接的功能

细胞连接

 缝隙连接孔道具有“开-关”互变作用，但不是 “全或无”模式 主要受Ca2+调控

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缝隙连接与疾病

细胞连接

因为连接蛋白由多种不同的基因编码，所以与缝隙 连接有关的遗传病复杂多样，其中最常见者为先天 性耳聋和遗传性皮肤病。 多种癌细胞之间、以及癌细胞与癌旁细胞之间的缝 隙连接减少或功能紊乱，与癌细胞的增殖和转移有 关，并有碍于化疗药向癌组织渗透，是实体瘤产生 耐药性的原因之一。

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2.1 概述

细胞外基质 Extracellular Matrix

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 等不溶性大分子所构成的结构精细而错综复杂的 网络结构； 构成支持细胞的框架，负责组织的构建，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。

60

2.1 概述

细胞外基质

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2.2 化学组成

胶原和弹性蛋白 结构作用： (collagen and elastin)

纤维蛋白

细胞外基质

黏合作用：纤黏连蛋白和层黏连蛋白

(fibronectin and laminin)

多糖 氨基聚糖和蛋白聚糖

(glycosaminoglycan, GAG and proteoglycan, PG）

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2.3.1 胶原 collagen

细胞外基质

细胞外基质中的骨架结构。其化学本质为糖蛋 白，属于不溶性纤维形蛋白质。 动物体内含量最丰富、分布最广泛的蛋白质，占 人体蛋白质总量的30%以上，遍布于体内除了脑 组织以外的各种器官和组织。

 不同的结缔组织其结构和功能的不同，主要是由于 胶原含量、类型及排布方式不同所决定的  产生的细胞：以间质型细胞为主，如成纤维细胞、 成骨细胞及成软骨细胞等

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胶原的结构

不同胶原在结构上具有共性

 都是由3条肽链构成，这3条 肽链可以形成三股螺旋 (triple-helix)结构。每条肽 链称为α链；

collagen structure

细胞外基质

 编码α链的基因相同则形成 同源三聚体，不同则形成异 源三聚体。

原胶原

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原胶原 tropocollagen

原胶原是胶原纤维的基本结构单位

细胞外基质

三条α链盘绕而成三股螺旋结构称为原胶原，直径约 1.5nm、长度约300nm。 每条α链均为左手螺旋结构，每圈螺旋由3个氨基酸残基组 成。三股左手螺旋的α链再相互缠绕成右手三股螺旋，即原

胶原。 原胶原疏水性极强，形成以后即成为不溶性的纤维分子。

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原胶原

细胞外基质

α链的一级结构特点：每隔两个aa残基即固定出现

一个Gly(甘氨酸)残基，形成一种(Gly-X-Y)n的重复序 列。 X和Y可以为其他任何aa，但X常为Pro(脯氨酸)，Y常 为Hyp(羟脯氨酸) 或Hyl(羟赖氨酸)，某些Hyl 糖基化。

Pro的环状结构与Gly极小的侧链使α多肽链自身卷曲为 左手螺旋结构 (与一般蛋白质的右手α螺旋不同)。

Pro和Hyp的存在使得胶原具有硬度和刚性。

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原胶原

细胞外基质

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细胞外基质

原纤维及胶原纤维的形成

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胶原的结构

细胞外基质

原胶原 原纤维 胶原纤维 三股　肽链

Collagen fibers as seen bySEM

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胶原的类型

细胞外基质

根据编码基因和肽链组合的不同，可以分为26种

 每一种类型的分子结构、组织分布和物理性能均有差异  同一组织常含有几种不同类型的胶原，但常以某一种为主。  常与ECM中的其他成分联系起来构成结构与功能的统一体。

按其结构特性大致可分为若干组：

 基膜胶原：不形成原纤维，交联成以Ⅳ型胶原为主的三维网 络，主要存在于各种基膜  形成原纤维的胶原  跨膜胶原及其他尚未详尽了解的胶原

每种类型胶原的结构特性均与其特定的功能相适应。

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胶原的类型和组织分布

类型 I II III IV V VI VII VIII IX X 组织分布 大多数结缔组织(包括骨组织) 软骨、间隙组织盘、玻璃体 可拉伸性结缔组织(皮肤、肺、 血管系统) 基底膜 含有I型胶原组织中的次要组成 成分 大多数结缔组织 表皮、小肠黏膜的锚定原纤维 血管内皮和其他组织 含有Ⅱ型胶原的组织 增生软骨 类型 XI XII XIII XIV XV XVI XVII XVIII XIX

细胞外基质

组织分布

含有Ⅱ型胶原的组织 含有I型胶原的组织 大多数组织 含有I型胶原的组织 大多数组织 大多数组织 皮肤半桥粒 许多组织(肝、肾) 在横纹肌肉瘤中发现

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根据胶原形态进行的分类

类 别 纤维状 (有横纹) 基膜胶原(三维网状结构) 形成片层的胶原 FACITs* 锚定原纤维的胶原 跨膜胶原 其他 IV IV、VIII、X

细胞外基质

相应的胶原类型 I、II、III、V、XI

IX、XII、XIV、XVI、XIX VII XIII、XVII XV、XIII

FACITs：Fibril Associated Collagen with Interrupted Triple Helix (具有间断三股螺旋的原纤维结合胶原 )

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几种常见的胶原类型及组织分布 细胞外基质

类型 分子组成 三股螺旋 的长度 特点 分布 结缔组织

I

[α1(I)]2[α2(I)]

较粗大的纤 300nm 维束 67nm横纹 较细的条状 300nm 纤维束 67nm横纹 较细的纤维 300nm 束 67nm横纹 三维交联网 络

II

[α1(I)]3

软骨(主要) 主要存在于微血管， 常与I型胶原共分 布， 所有各种基膜

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III

[α1(

I)]3

IV

[α1(I)]2[α2(IV)]

390nm

细胞外基质

A

B

胶原的电镜照片 A: I型胶原，具有横纹； B：IV胶原，无横纹

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细胞外基质

胶原的生物合成

 迄今为止，已发现30多种不同的链，不同的链由不 同的结构基因编码；它们均具有相似的结构；  编码链的基因一般为30～40kb，分别由50个左右的 外显子和内含子组成，多数外显子含54bp，编码6个 重复的Gly-X-Y序列，其它外显子编码2个或3个这样 的原始单位。

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细胞外基质

胶原的生物合成

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胶原的降解

胶原的降解速率比一般蛋白质慢 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；

细胞外基质

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。

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胶原的功能

构成ECM的骨架

细胞外基质

胶原在ECM中含量最高，刚性及抗张力度最大， 是构成ECM的骨架结构，胶原几乎参与所有ECM 的构建。

影响细胞形态和运动 影响细胞的增殖和分化

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胶原与疾病的关系

Vc缺乏引起的坏血病 遗传性胶原病：成骨发育不全综合征 免疫性胶原病：类风湿性关节炎

细胞外基质

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2.3.2 弹性蛋白 elastin

细胞外基质

 存在于伸展性大的组织中，例如，疏松结缔组织、皮 下、肺、脉管壁、子宫及胎盘等处。  非糖基化  高度不溶性  空间构象不规则  具弹性和回缩能力

stretch rela x single elastin cross-link molecule

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细胞外基质

人表皮中的弹性蛋白纤维网络扫描电镜图

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弹性蛋白与疾病的关系

Marfan Syndome 马凡氏症候群

细胞外基质

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2.3.3 非胶原糖蛋白

细胞外基质

共同特点是既可与细胞结合，又可与ECM中其他 大分子结合，从而将细胞黏着于ECM，故又统称 为黏着因子或黏附蛋白。 这类蛋白有数十种，研究较多的是： 纤黏连蛋白 (Fibronectin, FN) 层黏连蛋白 (Laminin, LN)

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纤黏连蛋白，FN

细胞外基质

 FN亦称为纤维黏连蛋白，是一种大分子糖蛋白，在 血液、ECM和细胞膜表面都有分布。 在血液中存在的纤连蛋白是可溶性的， 在ECM和细胞膜表面存在的FN则以不溶性的蛋白 纤维存在，主要功能是促进细胞与ECM的联结。

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细胞外基质

85

细胞外基质

纤黏连蛋白的功能

促进细胞黏附 促进细胞的迁移和分化

 例如FN促进神经脊细胞迁移到各个区域，分化为神 经节、色素细胞等。  在创伤修复中，FN促进巨噬细胞和其他免疫细胞迁 移到受损部位。

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层黏连蛋白，LN

细胞外基质

是存在于各种基膜中的主要

功能成分，是胚胎发育中 最早出现的细胞外基质成分。 在成体，它存在于上皮下和内皮下紧靠细胞基底，还 存在于肌细胞、脂肪细胞和神经髓鞘的周围； 亦存在于胚胎细胞及某些癌细胞间。

87

细胞外基质

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细胞外基质

层黏连蛋白的功能

参与基膜基本框架的构建 参与细胞的黏附、生长和迁移

89

细胞外基质

2.3.4 氨基聚糖和蛋白聚糖

氨基聚糖 glycosaminoglyan, GAG

氨基聚糖是由重复的二糖单位构成的长链多糖 二糖单位之一是氨基己糖(氨基葡萄糖或氨基半乳 糖) + 糖醛酸; 氨基聚糖: 透明质酸、4-硫酸软骨素、6-硫酸软骨 素、硫酸皮肤素、硫酸乙酰肝素、肝素和硫酸角 质素等。

90

细胞外基质

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细胞外基质

透明质酸 HA

是增殖细胞和迁移细胞的胞外基质主要成分,也是 蛋白聚糖的主要结构组分 透明质酸在结缔组织中起强化、弹性和润滑作用 透明质酸使细胞保持彼此分离,使细胞易于运动迁 移和增殖并阻止细胞分化

92

细胞外基质

蛋白聚糖 proteoglyan, PG

蛋白聚糖多聚体是动物体内分子量最巨大的成分。见 于所有结缔组织和细胞外基质及许多细胞表面； 由氨基聚糖与蛋白质的丝氨酸残基共价结合形成的共 价结合物； 构成蛋白聚糖的蛋白质称为核心蛋白； 若干蛋白聚糖单体与透明质酸非共价聚合成蛋白聚糖 多聚体。 具有多态性

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细胞外基质

PG单体

PG多聚体

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细胞外基质

氨基聚糖和蛋白聚糖功能

使组织具有弹性和抗压性 对物质转运有选择渗透性 透光性 抗凝血功能 传递信息作用 组织老化

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细胞外基质

胶原和弹性蛋白 结构作用： (collagen and elastin)

纤维蛋白 黏合作用：纤黏连蛋白和层黏连蛋白

(fibronectin and laminin)

多糖 氨基聚糖和蛋白聚糖

(glycosaminoglycan, GAG and proteoglycan, PG）

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总结

名词解释：

细胞连接、紧密连接、黏着带、黏着斑、桥粒、 半桥粒、细胞外基质

重点：

三类细胞连接的概念和功能 四种锚定连接的异同 细胞外基质的成分及各自的功能

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细胞连接与细胞外基质

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本章内容

细胞连接 细胞外基质

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本章内容

细胞连接

 细胞连接的类型与组成  细胞连接的结构和功能  细胞连接与疾病

细胞外基质

 细胞外基质的化学组成  细胞外基质的形态结构 和功能  基膜的形态结构与功能 （自学）  细胞外基质与细胞的相 互作用（自学）  细胞外基质与疾病

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1.1 概述

 细胞表面特化结构  概念：

细胞连接

机体各种组织的细胞彼此按一定方式相互接触 ，并形成了将相邻细胞连接起来的特殊细胞结 构，这些起连接作用的结构或装置就称为细胞 连接。

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细胞连接的类型

细胞连接

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1.2 细胞连接的类型和组成

 A. 紧密连接（tight junction）

细胞连接

 B. 锚定连接（plaque-bearing junction）

黏合带 (adhesion belt) 黏着斑 (adhesion plaque, or focal adhesion) 桥粒 (desmosome) 半桥粒 (hemidesmosome)

 C. 缝隙连接（gap junctions）

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细胞连接

紧密连接

桥粒 半桥粒

黏着斑 黏着带 锚定连接

缝隙连接

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细胞连接

1.2.1 紧密连接 Tight junction

概念：

是一种相邻细胞间的局部紧密结合。两个细胞在连 接处的侧面近顶部细胞膜紧密接触，发生点状融合 ，形成与外界隔离的封闭带。是由相邻细胞的跨膜 连接糖蛋白组成的对合的封闭链。

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紧密连接

透射电镜图像和冰冻断裂复型膜电镜图像

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紧密连接的分布

分布：

细胞连接

普遍存在于各类上皮组织细胞上，包括各种腔道和 腺体的上皮细胞、内皮细胞，以及表皮的颗粒细胞之 间等。 在神经元的胞体和轴突上均不存在紧密连接，但在 髓鞘上具有紧密连接，能够封闭髓鞘间隙。 在胚胎发育的8细胞期，伴随着细胞极性的建立和 粘合带的形成，紧密连接开始组装，并在囊胚腔出现 以前组装完毕，保证了囊胚的形成。

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紧密连接的分子组成

细胞连接

 电镜下观察：紧密连接由网状结构的嵴线构成。  嵴线是紧密连接的结构基础，使分子难以通过；对小 分子通行的封闭效果取决于其数量的多少。

11

紧密连接的分子组成

紧密连接嵴线中的三类主要蛋白：

occludin：封闭蛋白、闭锁素； 跨膜四次的膜蛋白（60KD） claudin：水闸蛋白、壳牢素； 为一至少拥有20个成员的蛋白家族 Zonula occluden (ZO)蛋白

细胞连接

紧密连接在细胞内侧以微丝为结构支架。 Ca2＋是形成紧密连接所必需的。用蛋白酶及螯合 剂处理可使紧密连接分离。

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紧密连接的分子组成

细胞连接

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细胞连接

紧密连接的分子组成

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紧密连接的分子组成

细

胞连接

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紧密连接的功能

连接功能：连接相邻细胞，加固组织

细胞连接

封闭和调控细胞间隙的通透性，保证机体内环境 的稳定和物质的选择性吸收 参与细胞极性的形成

16

紧密连接的功能（封闭和调控）

细胞连接

屏障作用：紧密连接对蛋白质等大分子一 般不通透，保证了机体内环境的稳定。

如：血脑屏障、病毒感染途径的选择性。

阀门（闸门）作用：紧密连接对小分子、 离子和水具有可调控的通透性。

细胞旁通路：经由紧密连接穿过相邻上皮或内 皮细胞之间的空隙实现的物质运输称为细胞旁 通路（paracellular pathway）。

17

实验证据（屏障作用）

细胞连接

18

实验证据

细胞连接

19

细胞连接

阀门/闸门 作用--细胞旁通路

20

紧密连接的功能（细胞极性）

细胞连接

栅栏作用：将上皮细胞的表面分隔为顶面与底侧 面，限制膜蛋白与膜脂的侧向扩散，从而参与细胞 极性的形成。

21

紧密连接与疾病

炎症细胞出血管过程。

细胞连接

中枢神经系统疾病如多发性硬化与紧密连接受损所致 血脑屏障功能损害有关。 肠道上皮细胞屏障功能损害与多种自身免疫性疾病有 关，包括I型糖尿病、IgA肾病、强直性脊柱炎、Crohn 氏病、溃疡性结肠炎等。 参与紧密连接形成的基因缺陷可引起先天性皮肤病， 这与皮肤的通透屏障破坏有关。 致病菌和病毒感染常常首先破坏紧密连接屏障。

22

细胞连接

1.2.2 锚定连接 Plaque-bearing junction

概念： 是存在于相互接触的细胞之间或细胞与细胞 外基质之间，具有特定形态结构，能抵抗一定 机械张力的牢固黏合。 分布： 主要存在于各种上皮细胞及某些非上皮细胞 上，如心肌、平滑肌细胞、成纤维细胞等。

23

锚定连接

分类：共四类，分为两组 与微丝相连者： 黏合带 (Adhesion belt)

细胞连接

黏着斑 (Adhesion plaque/ focal adhesions) 与中间纤维相连者： 桥粒 (Desmosome) 半桥粒 (Hemidesmosome)

细胞连接

锚定连接

25

黏着带 adhesion belt

概念：

位于紧密连接下方，相 邻细胞间形成一个连续的 带状结构。间隙约15～20 nm，也称带状桥粒(belt desmosome)。

细胞连接

26

细胞连接

27

黏着带的分子组成

 钙黏着蛋白 Cadherin

在人类有超过22个成员；构象改变依赖于Ca2+

细胞连接

28

细胞连接

黏着带的微观结构

29

细胞连接

黏着带的微观结构

结构： 胞质面有微丝束平行环绕细胞膜，通过黏着斑 连接蛋白与钙黏素（cadherin）相连 一种依赖Ca2+的机制使黏连素之间互相黏着。 内含细丝状物，为来自两相邻细胞的钙粘素之 胞外部分。 是上皮细胞之间由钙粘素（cadh

erins）介导的、 在质膜下方有肌动蛋白纤维附着的细胞连接。

30

黏着带的功能

功能：

细胞连接

维持细胞形态和组织器官的完整性、建立细胞极 性、参与信号转导等功能，并参与形态发生和细胞 分化。 例如：神经管的形成和闭合

E-cadherin

N-cadherin

31

黏着斑 adhesive plaque

概念：

细胞连接

是在某些细胞与细胞外基质之间形成的、呈散在 斑点状分布的锚定连接。它不像黏着带环绕整个细 胞成带状。间隙约为10-15 nm，明显窄于非特异的 粘合部位。 分子组成： 整联蛋白，又称为整合素（integrin）

32

黏着斑的分子组成

细胞连接

 整合素 Integrin

 

异源二聚体糖蛋白 人体细胞中已发现24 种α链和9种β链， 它们相互配合形成至 少24种不同的二聚体 整合素

33

黏着斑的微观结构

结构：

细胞连接

在粘着斑处质膜中成簇的整合素分子在胞外与细胞 外基质蛋白质（纤粘连蛋白）结合，在胞内通过多 分子复合体与肌动蛋白纤维束（应力纤维 Stress fiber）结合。

34

黏着斑的微观结构

细胞连接

35

黏着斑的功能

功能：

主要与细胞的贴附铺展 及迁移运动有关。 与片状伪足的运动密切 相关。 存在于成纤维细胞等结 缔组织细胞上，不断组 装与去组装，其动态变 化是细胞铺展与迁移的 前提

细胞连接

36

桥粒 Desmosome

概念： 相邻细胞通过中等纤 维附着的胞质斑形成 的一种特殊连接。存 在于上皮细胞底侧面 、粘合带的下方，呈 圆盘状，作用似铆钉 。桥粒处相邻细胞质 膜之间存在 30－50 nm 宽的间隙。

细胞连接

37

桥粒的分子组成

分子组成：

钙粘素分子，属于钙粘素 超家族中的桥粒钙粘素。 包括桥粒斑球蛋白 (plakoglobin)、桥粒斑素 (desmoplakin)、桥粒芯蛋 白(desmoglein)、桥粒芯 粘着蛋白(desmocolin) 等。

细胞连接

38

桥粒的微观结构

细胞连接

桥粒所在质膜的胞质侧有一层致密的胞质斑，即 桥粒斑（desmosomal plaque）。 桥粒斑中含有大分子复合体，将中间纤维以反折 成绊环的形式在其上锚定。 多束中间纤维通过与每一个桥粒紧密相连，形成 布满整个细胞的网络。

39

桥粒的微观结构

细胞连接

40

桥粒的功能

细胞连接

铆接相邻细胞，提供细胞内中间纤维的锚定位点 形成整体网络，起支持和抵抗外界压力与张力的 作用。

41

桥粒与疾病

一些皮肤病与桥粒病变有关：

细胞连接

抗桥粒钙粘素的自身抗体可引起寻常天疱疮 （pemphigus vulgaris），严重者可危及生命。 桥粒钙粘素基因缺陷可导致皮肤病。 金黄色葡萄球菌产生的毒素可以水解桥粒钙粘素， 引起表皮剥脱起泡。

42

半桥

粒 Hemidesmosome

细胞连接

概念： 是在与基膜接触的上皮细胞底面出现的、以 整合素为粘合分子、并以中间纤维为胞内支架的 锚定连接，其结构类似于半个桥粒。

43

半桥粒的分子组成及微观结构

 半桥粒与桥粒形态类似  化学组成不同：通过细 胞质膜上的膜蛋白整合 素将上皮细胞固着在基 底膜上  在半桥粒中，中间纤维 不是在致密斑上形成袢 环而是终止于半桥粒的 致密斑内。

细胞连接

44

细胞连接

45

半桥粒的功能

细胞连接

将上皮细胞铆接在基底膜 上。 提供支撑，抵抗外界压力及 张力

46

半桥粒与疾病

与半桥粒相关的疾病：

细胞连接

抗半桥粒的自身抗体可导致多见于老年人的大疱性类 天疱疮（bullous pemphigoid）。 整合素和层粘连蛋白基因的突变均可引起大疱性表皮 松解症(epidermolysis bullosa)。

47

锚定连接小结

膜蛋白 （黏合分子） 钙黏素 膜蛋白 的配体 钙黏素 细胞骨架 锚定纤维 微丝 微丝 中间纤维

细胞连接

连接种类 黏合带 黏着斑 桥粒 半桥粒

连接对象 细胞-细胞 细胞-细胞外基质 细胞-细胞

a5b1整合素 纤黏连蛋白等 钙黏素 钙黏素

a6b4整合素 层黏连蛋白等 中间纤维 细胞-细胞外基质

48

细胞连接

1.2.3 缝隙连接 gap junction

概念：

是机体细胞间最普遍的一种细胞连接，广泛分布 于各种组织细胞间，早在胚胎发育的8细胞阶段即 已建立。 两相邻细胞的质膜间形成的特化盘状区域，该 处的相邻质膜间具有2～4 nm的狭缝，内含许多两 两相对的连接子（Connexon）。

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缝隙连接

细胞连接

50

缝隙连接的微观结构

 基本结构单位：连接子 connexon

细胞连接

蛋白复合体 由6个连接蛋白分子组成，每个蛋白为柱状4次跨膜蛋白 中心为亲水通道，允许离子及分子量

51

细胞连接

52

缝隙连接的功能

功能：

建立细胞间的电偶联和代谢偶联；

细胞连接

孔道的调控能够影响细胞的生理活动并对细胞具 有保护作用； 对于胚胎发育及细胞分化具有重要作用。

53

电偶联 electric coupling

细胞连接

 带电离子通过间隙连接通道由一个细胞直接进入另 一个细胞，使动作电位迅速在细胞之间传播的过程。 存在于某些具有电兴奋性的细胞之间。

存在于少数神经细胞之间的缝隙连接即为电突触； 心肌细胞的缝隙连接出现于闰盘内，尤其在心脏浦肯野传 导系统，电偶联非常发达； 一些脏器的平滑肌细胞之间也通过由缝隙连接介导的电偶 联实现同步收缩。

54

代谢偶联 metabolic coupling细胞连接

 小分子代谢物和信号分子（分子量小于1500D)即可 通过间隙连接的通道，

由一个细胞进入与之相邻的另 一个细胞。 在没有电兴奋性的组织中，缝隙连接使代谢物（氨 基酸、葡萄糖、核苷酸、维生素等）及第二信使（ cAMP、Ca2+ 等）直接在细胞间流通。

例如：激素与靶细胞作用后通过代谢偶联引起同步化效应 。晶状体的营养与胞浆流，卵母细胞的营养。

在胚胎发育早期特别重要

55

细胞连接

56

缝隙连接的功能

细胞连接

 缝隙连接孔道具有“开-关”互变作用，但不是 “全或无”模式 主要受Ca2+调控

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缝隙连接与疾病

细胞连接

因为连接蛋白由多种不同的基因编码，所以与缝隙 连接有关的遗传病复杂多样，其中最常见者为先天 性耳聋和遗传性皮肤病。 多种癌细胞之间、以及癌细胞与癌旁细胞之间的缝 隙连接减少或功能紊乱，与癌细胞的增殖和转移有 关，并有碍于化疗药向癌组织渗透，是实体瘤产生 耐药性的原因之一。

58

59

2.1 概述

细胞外基质 Extracellular Matrix

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 等不溶性大分子所构成的结构精细而错综复杂的 网络结构； 构成支持细胞的框架，负责组织的构建，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。

60

2.1 概述

细胞外基质

61

2.2 化学组成

胶原和弹性蛋白 结构作用： (collagen and elastin)

纤维蛋白

细胞外基质

黏合作用：纤黏连蛋白和层黏连蛋白

(fibronectin and laminin)

多糖 氨基聚糖和蛋白聚糖

(glycosaminoglycan, GAG and proteoglycan, PG）

62

2.3.1 胶原 collagen

细胞外基质

细胞外基质中的骨架结构。其化学本质为糖蛋 白，属于不溶性纤维形蛋白质。 动物体内含量最丰富、分布最广泛的蛋白质，占 人体蛋白质总量的30%以上，遍布于体内除了脑 组织以外的各种器官和组织。

 不同的结缔组织其结构和功能的不同，主要是由于 胶原含量、类型及排布方式不同所决定的  产生的细胞：以间质型细胞为主，如成纤维细胞、 成骨细胞及成软骨细胞等

63

胶原的结构

不同胶原在结构上具有共性

 都是由3条肽链构成，这3条 肽链可以形成三股螺旋 (triple-helix)结构。每条肽 链称为α链；

collagen structure

细胞外基质

 编码α链的基因相同则形成 同源三聚体，不同则形成异 源三聚体。

原胶原

64

原胶原 tropocollagen

原胶原是胶原纤维的基本结构单位

细胞外基质

三条α链盘绕而成三股螺旋结构称为原胶原，直径约 1.5nm、长度约300nm。 每条α链均为左手螺旋结构，每圈螺旋由3个氨基酸残基组 成。三股左手螺旋的α链再相互缠绕成右手三股螺旋，即原

胶原。 原胶原疏水性极强，形成以后即成为不溶性的纤维分子。

65

原胶原

细胞外基质

α链的一级结构特点：每隔两个aa残基即固定出现

一个Gly(甘氨酸)残基，形成一种(Gly-X-Y)n的重复序 列。 X和Y可以为其他任何aa，但X常为Pro(脯氨酸)，Y常 为Hyp(羟脯氨酸) 或Hyl(羟赖氨酸)，某些Hyl 糖基化。

Pro的环状结构与Gly极小的侧链使α多肽链自身卷曲为 左手螺旋结构 (与一般蛋白质的右手α螺旋不同)。

Pro和Hyp的存在使得胶原具有硬度和刚性。

66

原胶原

细胞外基质

67

细胞外基质

原纤维及胶原纤维的形成

68

胶原的结构

细胞外基质

原胶原 原纤维 胶原纤维 三股　肽链

Collagen fibers as seen bySEM

69

胶原的类型

细胞外基质

根据编码基因和肽链组合的不同，可以分为26种

 每一种类型的分子结构、组织分布和物理性能均有差异  同一组织常含有几种不同类型的胶原，但常以某一种为主。  常与ECM中的其他成分联系起来构成结构与功能的统一体。

按其结构特性大致可分为若干组：

 基膜胶原：不形成原纤维，交联成以Ⅳ型胶原为主的三维网 络，主要存在于各种基膜  形成原纤维的胶原  跨膜胶原及其他尚未详尽了解的胶原

每种类型胶原的结构特性均与其特定的功能相适应。

70

胶原的类型和组织分布

类型 I II III IV V VI VII VIII IX X 组织分布 大多数结缔组织(包括骨组织) 软骨、间隙组织盘、玻璃体 可拉伸性结缔组织(皮肤、肺、 血管系统) 基底膜 含有I型胶原组织中的次要组成 成分 大多数结缔组织 表皮、小肠黏膜的锚定原纤维 血管内皮和其他组织 含有Ⅱ型胶原的组织 增生软骨 类型 XI XII XIII XIV XV XVI XVII XVIII XIX

细胞外基质

组织分布

含有Ⅱ型胶原的组织 含有I型胶原的组织 大多数组织 含有I型胶原的组织 大多数组织 大多数组织 皮肤半桥粒 许多组织(肝、肾) 在横纹肌肉瘤中发现

71

根据胶原形态进行的分类

类 别 纤维状 (有横纹) 基膜胶原(三维网状结构) 形成片层的胶原 FACITs* 锚定原纤维的胶原 跨膜胶原 其他 IV IV、VIII、X

细胞外基质

相应的胶原类型 I、II、III、V、XI

IX、XII、XIV、XVI、XIX VII XIII、XVII XV、XIII

FACITs：Fibril Associated Collagen with Interrupted Triple Helix (具有间断三股螺旋的原纤维结合胶原 )

72

几种常见的胶原类型及组织分布 细胞外基质

类型 分子组成 三股螺旋 的长度 特点 分布 结缔组织

I

[α1(I)]2[α2(I)]

较粗大的纤 300nm 维束 67nm横纹 较细的条状 300nm 纤维束 67nm横纹 较细的纤维 300nm 束 67nm横纹 三维交联网 络

II

[α1(I)]3

软骨(主要) 主要存在于微血管， 常与I型胶原共分 布， 所有各种基膜

73

III

[α1(

I)]3

IV

[α1(I)]2[α2(IV)]

390nm

细胞外基质

A

B

胶原的电镜照片 A: I型胶原，具有横纹； B：IV胶原，无横纹

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细胞外基质

胶原的生物合成

 迄今为止，已发现30多种不同的链，不同的链由不 同的结构基因编码；它们均具有相似的结构；  编码链的基因一般为30～40kb，分别由50个左右的 外显子和内含子组成，多数外显子含54bp，编码6个 重复的Gly-X-Y序列，其它外显子编码2个或3个这样 的原始单位。

75

细胞外基质

胶原的生物合成

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胶原的降解

胶原的降解速率比一般蛋白质慢 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；

细胞外基质

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。

77

胶原的功能

构成ECM的骨架

细胞外基质

胶原在ECM中含量最高，刚性及抗张力度最大， 是构成ECM的骨架结构，胶原几乎参与所有ECM 的构建。

影响细胞形态和运动 影响细胞的增殖和分化

78

胶原与疾病的关系

Vc缺乏引起的坏血病 遗传性胶原病：成骨发育不全综合征 免疫性胶原病：类风湿性关节炎

细胞外基质

79

2.3.2 弹性蛋白 elastin

细胞外基质

 存在于伸展性大的组织中，例如，疏松结缔组织、皮 下、肺、脉管壁、子宫及胎盘等处。  非糖基化  高度不溶性  空间构象不规则  具弹性和回缩能力

stretch rela x single elastin cross-link molecule

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细胞外基质

人表皮中的弹性蛋白纤维网络扫描电镜图

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弹性蛋白与疾病的关系

Marfan Syndome 马凡氏症候群

细胞外基质

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2.3.3 非胶原糖蛋白

细胞外基质

共同特点是既可与细胞结合，又可与ECM中其他 大分子结合，从而将细胞黏着于ECM，故又统称 为黏着因子或黏附蛋白。 这类蛋白有数十种，研究较多的是： 纤黏连蛋白 (Fibronectin, FN) 层黏连蛋白 (Laminin, LN)

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纤黏连蛋白，FN

细胞外基质

 FN亦称为纤维黏连蛋白，是一种大分子糖蛋白，在 血液、ECM和细胞膜表面都有分布。 在血液中存在的纤连蛋白是可溶性的， 在ECM和细胞膜表面存在的FN则以不溶性的蛋白 纤维存在，主要功能是促进细胞与ECM的联结。

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细胞外基质

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细胞外基质

纤黏连蛋白的功能

促进细胞黏附 促进细胞的迁移和分化

 例如FN促进神经脊细胞迁移到各个区域，分化为神 经节、色素细胞等。  在创伤修复中，FN促进巨噬细胞和其他免疫细胞迁 移到受损部位。

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层黏连蛋白，LN

细胞外基质

是存在于各种基膜中的主要

功能成分，是胚胎发育中 最早出现的细胞外基质成分。 在成体，它存在于上皮下和内皮下紧靠细胞基底，还 存在于肌细胞、脂肪细胞和神经髓鞘的周围； 亦存在于胚胎细胞及某些癌细胞间。

87

细胞外基质

88

细胞外基质

层黏连蛋白的功能

参与基膜基本框架的构建 参与细胞的黏附、生长和迁移

89

细胞外基质

2.3.4 氨基聚糖和蛋白聚糖

氨基聚糖 glycosaminoglyan, GAG

氨基聚糖是由重复的二糖单位构成的长链多糖 二糖单位之一是氨基己糖(氨基葡萄糖或氨基半乳 糖) + 糖醛酸; 氨基聚糖: 透明质酸、4-硫酸软骨素、6-硫酸软骨 素、硫酸皮肤素、硫酸乙酰肝素、肝素和硫酸角 质素等。

90

细胞外基质

91

细胞外基质

透明质酸 HA

是增殖细胞和迁移细胞的胞外基质主要成分,也是 蛋白聚糖的主要结构组分 透明质酸在结缔组织中起强化、弹性和润滑作用 透明质酸使细胞保持彼此分离,使细胞易于运动迁 移和增殖并阻止细胞分化

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细胞外基质

蛋白聚糖 proteoglyan, PG

蛋白聚糖多聚体是动物体内分子量最巨大的成分。见 于所有结缔组织和细胞外基质及许多细胞表面； 由氨基聚糖与蛋白质的丝氨酸残基共价结合形成的共 价结合物； 构成蛋白聚糖的蛋白质称为核心蛋白； 若干蛋白聚糖单体与透明质酸非共价聚合成蛋白聚糖 多聚体。 具有多态性

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细胞外基质

PG单体

PG多聚体

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细胞外基质

氨基聚糖和蛋白聚糖功能

使组织具有弹性和抗压性 对物质转运有选择渗透性 透光性 抗凝血功能 传递信息作用 组织老化

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细胞外基质

胶原和弹性蛋白 结构作用： (collagen and elastin)

纤维蛋白 黏合作用：纤黏连蛋白和层黏连蛋白

(fibronectin and laminin)

多糖 氨基聚糖和蛋白聚糖

(glycosaminoglycan, GAG and proteoglycan, PG）

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总结

名词解释：

细胞连接、紧密连接、黏着带、黏着斑、桥粒、 半桥粒、细胞外基质

重点：

三类细胞连接的概念和功能 四种锚定连接的异同 细胞外基质的成分及各自的功能

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