1、4. 細(xì)胞環(huán)境與互作4.1 細(xì)胞表面4.1.1 細(xì)胞被4.1.2 植物的細(xì)胞外結(jié)構(gòu):細(xì)胞壁4.1.3 細(xì)菌的細(xì)胞表面:細(xì)胞壁4.2 細(xì)胞外基質(zhì)4.2.1 細(xì)胞外基質(zhì)的基本組成和功能4.2.2 蛋白聚糖與透明質(zhì)酸4.2.3 膠原和彈性蛋白4.2.4 細(xì)胞外基質(zhì)中的粘著蛋白4.2.5 細(xì)胞外基質(zhì)與細(xì)胞的相互關(guān)系4.3 細(xì)胞識(shí)別與粘著4.3.1 細(xì)胞識(shí)別及識(shí)別反應(yīng)4.3.2 細(xì)胞粘著的機(jī)制4.4 細(xì)胞連接4.4.1 細(xì)胞連接的概念和類(lèi)型4.4.2 緊密連接4.4.3 斑塊連接4.4.4 通訊連接學(xué)習(xí)指導(dǎo)錄像  4. 細(xì)胞環(huán)境與互作細(xì)胞環(huán)境(圖4-1)包括內(nèi)環(huán)境和外環(huán)境， 互作包括

2、細(xì)胞與細(xì)胞、細(xì)胞與環(huán)境之間的相互作用。這些作用主要是通過(guò)細(xì)胞表面進(jìn)行的， 包括細(xì)胞識(shí)別、細(xì)胞粘著、細(xì)胞連接、細(xì)胞通訊等。本章主要集中討論細(xì)胞的表面結(jié)構(gòu)、細(xì)胞外基質(zhì)、細(xì)胞識(shí)別、細(xì)胞粘著和細(xì)胞連接等。 圖4-1 細(xì)胞與環(huán)境的關(guān)系4.1 細(xì)胞表面 細(xì)胞表面(cell surface) 結(jié)構(gòu)上:包括細(xì)胞被(cell coat)和細(xì)胞質(zhì)膜。 功能上:是細(xì)胞質(zhì)膜功能的擴(kuò)展，它保護(hù)細(xì)胞，使細(xì)胞有一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境；負(fù)責(zé)細(xì)胞內(nèi)外的物質(zhì)交換和能量交換，并通過(guò)表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)胞識(shí)別、信息的接收和傳遞、細(xì)胞運(yùn)動(dòng)以及維護(hù)細(xì)胞的各種形態(tài)，并且與免疫、癌變都有十分密切的關(guān)系。 4.1.1 細(xì)胞被(cell co

3、at) 細(xì)胞被的結(jié)構(gòu)與組成細(xì)胞質(zhì)膜通常是由覆蓋在細(xì)胞表面的保護(hù)層保護(hù)著，這種保護(hù)層即是細(xì)胞被。由于這層結(jié)構(gòu)的主要成份是糖，所以又稱(chēng)為糖萼(glycocalyx)，或多糖包被(圖4-2)。圖4-2 細(xì)胞被用釕紅染色，電子顯微鏡觀察到的淋巴細(xì)胞的細(xì)胞被糖被通常含有兩種主要的成份: 糖蛋白和蛋白聚糖(圖4-3)。這些糖蛋白和蛋白聚糖都是在細(xì)胞內(nèi)合成的，然后分泌出來(lái)并附著到細(xì)胞質(zhì)膜上。圖4-3 糖被的結(jié)構(gòu)和組成示意圖  細(xì)胞被的功能 保護(hù)作用: 如消化道、呼吸道、生殖腺等上皮細(xì)胞的外被有助于潤(rùn)滑、防止機(jī)械損傷， 同時(shí)又可保護(hù)上皮組織不受消化酶的作用和細(xì)菌的侵襲。植物和細(xì)菌的細(xì)胞壁不僅可以保護(hù)

4、細(xì)胞質(zhì)膜和細(xì)胞器， 同時(shí)還賦予細(xì)胞以特定的形狀。革蘭氏陽(yáng)性菌的細(xì)胞壁是一種蛋白聚糖， 青霉素通過(guò)抑制它的合成從而抑制細(xì)菌的生長(zhǎng)。 參與細(xì)胞與環(huán)境的相互作用， 參與細(xì)胞與環(huán)境的物質(zhì)交換， 細(xì)胞增殖的接觸抑制、細(xì)胞識(shí)別等。  4.1.2 植物的細(xì)胞外結(jié)構(gòu):細(xì)胞壁植物沒(méi)有骨骼系統(tǒng)，但卻有相當(dāng)強(qiáng)度的細(xì)胞壁維持著植物的形態(tài)。細(xì)胞壁保護(hù)細(xì)胞免遭滲透及機(jī)械損傷，還保護(hù)植物免受微生物，特別是真菌和細(xì)菌的侵染。  細(xì)胞壁的化學(xué)組成與結(jié)構(gòu) 纖維素(cellulose): 植物細(xì)胞壁的主要成分是多糖， 其中最主要的是纖維素，它賦予植物細(xì)胞的硬度和強(qiáng)度，同動(dòng)物細(xì)胞細(xì)胞外基質(zhì)中的膠原具有相

5、似的作用。在細(xì)胞壁中，由5060個(gè)纖維素分子形成一束，并且相互平行排列，形成長(zhǎng)的、堅(jiān)硬的微纖維(圖4-4，4-5)。圖4-4 纖維素微纖維的結(jié)構(gòu)此電鏡圖所示的是綠藻細(xì)胞壁中單個(gè)纖維素微纖維的結(jié)構(gòu)，每個(gè)微纖維的直徑是25nm，由許多側(cè)向排列的纖維素構(gòu)成。圖4-5 纖維素分子與纖維素微纖維(a) 纖維素分子，是由葡萄糖以(14)連接形成的鏈狀多聚體;(b)由很多的纖維素鏈組成纖維素微纖維。 半纖維素(hemicellulose) 半纖維素是由幾種不同類(lèi)型的單糖構(gòu)成的異質(zhì)多聚體(圖4-6)，半纖維素木聚糖在木質(zhì)組織中占總量的50%，它結(jié)合在纖維素微纖維的表面，并且相互連接，這些纖維構(gòu)成了堅(jiān)硬的細(xì)胞相

6、互連接的網(wǎng)絡(luò)。圖4-6 半纖維素的化學(xué)組成(a) 組成半纖維素的5種單糖:-D-葡萄糖(Glc)， -D-半乳糖(Gal)， -D巖藻糖(Fuc)， -D-木糖(Xyl)， -D-阿拉伯糖(Ara);(b)半纖維素可能的結(jié)構(gòu)。 果膠(pectin) 果膠是由半乳糖醛酸和它的衍生物組成的多聚體(圖4-7)。果膠在細(xì)胞壁中的作用主要是連接相鄰細(xì)胞壁，并且形成細(xì)胞外基質(zhì)，將纖維素包埋在水合膠中。圖4-7 果膠的化學(xué)組成和可能的結(jié)構(gòu)(a) 果膠主要是由半乳糖醛酸和鼠李糖構(gòu)成的;(b) 果膠可能的結(jié)構(gòu)排列 木質(zhì)素(lignin) 是由聚合的芳香醇構(gòu)成的一類(lèi)物質(zhì)，木質(zhì)素主要位于纖維素纖維之間，它的作用是抵

7、抗壓力。 糖蛋白(glycoprotein) 也是植物細(xì)胞壁中的重要成分之一，總量占10%。最重要的一種糖蛋白叫伸展蛋白(extensin)，這種蛋白同其它的相關(guān)蛋白一起，與纖維素等形成交叉網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生一種加固蛋白質(zhì)-多糖復(fù)合物的力。植物細(xì)胞被的主要成分有哪些? 各起什么作用?細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)以及各主要成份間的相互關(guān)系示于圖4-8。圖4-8 植物細(xì)胞壁中纖維素及其它幾種主要成份間的關(guān)系  初生細(xì)胞壁與次生細(xì)胞壁植物有兩種類(lèi)型的細(xì)胞壁:初生細(xì)胞壁(primary cell wall)和次生細(xì)胞壁(secondary cell wall)，它們是在不同階段分泌合成的(圖4-9)。植物的初生壁和

8、次生壁是如何形成的?圖4-9 植物細(xì)胞壁的層次結(jié)構(gòu)某些植物的細(xì)胞壁只有初生壁，有些既有初生壁，也有次生壁。   4.1.3 細(xì)菌的細(xì)胞表面:細(xì)胞壁根據(jù)染色性能，細(xì)菌的細(xì)胞可分為兩種類(lèi)型革蘭氏陽(yáng)性(Gram-positive)菌和革蘭氏陰性(Gram-negative)菌。染色的差異反映了結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成的不同， 因而這兩種細(xì)菌的細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)是不相同的。另外，革蘭氏陽(yáng)性菌只有一層膜結(jié)構(gòu)，而革蘭氏陰性具有兩層膜結(jié)構(gòu)(圖4-10)。圖4-10 革蘭氏陽(yáng)性菌與革蘭氏陰性細(xì)胞外被的比較(a) 革蘭氏陽(yáng)性菌，只有一層膜結(jié)構(gòu);(b)革蘭氏陰性菌，具有兩層膜結(jié)構(gòu)  革蘭氏陽(yáng)性菌的細(xì)

9、胞壁 胞壁質(zhì)(murein):革蘭氏陽(yáng)性菌的細(xì)胞壁較厚，含有較多的胞壁質(zhì)，或稱(chēng)為肽聚糖(peptidoglycan)。胞壁質(zhì)的多糖組成主要是由N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸交替連接起來(lái)的。這些多糖鏈通過(guò)N-乙酰胞壁酸與短的肽橋結(jié)合，最后形成交聯(lián)的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(圖4-11)， 圖4-11 革蘭氏陽(yáng)性菌細(xì)胞壁中的胞壁質(zhì)的結(jié)構(gòu)。細(xì)胞壁由2040層交聯(lián)網(wǎng)狀肽聚糖構(gòu)成。不僅如此，革蘭氏陽(yáng)性菌細(xì)胞壁中胞壁質(zhì)還具有骨架作用決定細(xì)胞的形態(tài)。如何證明革蘭氏陽(yáng)性菌細(xì)胞壁中胞壁質(zhì)還具有骨架作用決定細(xì)胞的形態(tài)? 磷壁酸(teichoic acis)革蘭氏陽(yáng)性菌的細(xì)胞壁中除了胞壁質(zhì)外，還有其他的一些成份，較多的是磷壁

10、酸，它是由甘油或核糖醇(ribitol)衍生物連接在一起形成的長(zhǎng)的、負(fù)電性的聚合體。這種分子常常與胞壁質(zhì)骨架共價(jià)結(jié)合在一起，其功能是穩(wěn)定質(zhì)膜和調(diào)節(jié)某些酶的活性。  革蘭氏陰性菌的細(xì)胞壁圖4-12所示是大腸桿菌的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)， 與革蘭氏陽(yáng)性菌相比有兩個(gè)主要差別: 革蘭氏陰性菌的胞壁質(zhì)比較薄，并且擴(kuò)展交聯(lián)程度較低，這樣革蘭氏陰性菌細(xì)胞壁的硬度較差，并且使得這兩類(lèi)菌在染色反應(yīng)上有所不同，由于革蘭氏陰性菌胞壁酸含量少，染色后很容易被乙醇除去。 革蘭氏陰性菌具有雙層細(xì)胞質(zhì)膜，一層位于胞壁質(zhì)的外側(cè)。外膜在化學(xué)組成上比較特別，它的內(nèi)脂層是典型的磷脂層，但是外脂層幾乎都是脂多糖， 使得外膜的滲透性很高

11、。 圖4-12 E.coli的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)示意圖在外膜的內(nèi)側(cè)，有一層或幾層肽聚糖構(gòu)成的細(xì)胞壁。兩層膜之間具有周質(zhì)間隙蛋白，起物質(zhì)運(yùn)輸作用。  細(xì)菌細(xì)胞壁的合成及青霉素的抑制作用細(xì)菌細(xì)胞壁的生長(zhǎng)是將新的肽聚糖添加到原有的肽聚糖的內(nèi)側(cè)，該過(guò)程需要許多酶的參與，其中大多數(shù)都定位于質(zhì)膜上。由于細(xì)胞壁對(duì)于細(xì)菌是至關(guān)重要的，所有參與合成的酶都是原核生物特有的。根據(jù)這一點(diǎn)，人們可以使用特殊的藥物處理細(xì)菌的細(xì)胞，阻止細(xì)菌細(xì)胞壁的合成，從而達(dá)到臨床治療的作用，其中最典型的例子是青霉素的使用。為什么青霉素對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌具有抑制作用?  細(xì)菌的莢膜莢膜(capsule)是細(xì)菌(包括革蘭氏陽(yáng)性和革蘭

12、氏陰性菌)在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境條件下形成的細(xì)胞最外面的保護(hù)層(圖4-13)，主要成份是多糖，也有少量的多肽。莢膜不是細(xì)菌的必需結(jié)構(gòu)，但是它的形成能夠更好地保護(hù)細(xì)菌，同時(shí)也提高了細(xì)菌的感染力，這對(duì)于人類(lèi)和動(dòng)物都是不利的。  4.2 細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix，ECM)植物細(xì)胞的表面結(jié)構(gòu)是細(xì)胞壁，而動(dòng)物細(xì)胞的表面結(jié)構(gòu)是細(xì)胞外基質(zhì)。 4.2.1 細(xì)胞外基質(zhì)的基本組成和功能細(xì)胞外基質(zhì)是由細(xì)胞合成并分泌到胞外、分布在細(xì)胞表面或細(xì)胞之間的大分子， 主要是一些多糖和蛋白， 或蛋白聚糖。細(xì)胞外基質(zhì)對(duì)于一些動(dòng)物組織的細(xì)胞具有重要作用。  組成和結(jié)構(gòu)細(xì)胞外

13、基質(zhì)的組成成分分為三大類(lèi): 蛋白聚糖(proteoglycan)， 是由糖胺聚糖(glycosaminoglycans)以共價(jià)的形式與線(xiàn)性多肽連接而成的多糖和蛋白復(fù)合物， 它們能夠形成水性的膠狀物; 結(jié)構(gòu)蛋白，如膠原和彈性蛋白，它們賦予細(xì)胞外基質(zhì)一定的強(qiáng)度和韌性。 粘著蛋白(adhesive proteins):如纖粘連蛋白和層粘連蛋白，它們促使細(xì)胞同基質(zhì)結(jié)合。其中以膠原和蛋白聚糖為基本骨架在細(xì)胞表面形成纖維網(wǎng)狀復(fù)合物，并通過(guò)細(xì)胞質(zhì)膜中的整聯(lián)蛋白將細(xì)胞外與細(xì)胞內(nèi)連成了一個(gè)整體(圖4-13)。圖4-13 細(xì)胞外基質(zhì)的組成和可能的結(jié)構(gòu) 動(dòng)物細(xì)胞的細(xì)胞外基質(zhì)和植物細(xì)胞的細(xì)胞壁的共同特征是什么?如果將

14、植物細(xì)胞的細(xì)胞壁看成是動(dòng)物細(xì)胞的細(xì)胞外基質(zhì)，二者間有許多相似之處(表4-1)。表4-1 動(dòng)物細(xì)胞的細(xì)胞外基質(zhì)與植物細(xì)胞壁的主要組成生物細(xì)胞外結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)纖維水合基質(zhì)成份粘著分子動(dòng)物細(xì)胞細(xì)胞外基質(zhì)膠原蛋白聚糖纖粘連蛋白  彈性蛋白 層粘連蛋白植物細(xì)胞細(xì)胞壁纖維素半纖維素    果膠和伸展蛋白-能夠分泌和形成細(xì)胞外基質(zhì)的主要細(xì)胞類(lèi)群是成纖維細(xì)胞(fibroblast)和少數(shù)其他特化組織的細(xì)胞。各種不同組織的細(xì)胞分泌形成的細(xì)胞外基質(zhì)在特性上有顯著的差異(圖4-14)。圖4-14 骨細(xì)胞、軟骨組織和結(jié)締組織細(xì)胞外基質(zhì)的掃描電鏡照片左：骨

15、細(xì)胞； 中：軟骨組織； 右：結(jié)締組織 細(xì)胞外基質(zhì)的主要功能 對(duì)細(xì)胞的形態(tài)和細(xì)胞活性的維持其重要作用； 幫助某些細(xì)胞完成特有的功能； 同一些生長(zhǎng)因子和激素結(jié)合進(jìn)行信號(hào)傳導(dǎo)； 此外， 某些特殊的細(xì)胞外基質(zhì)也是細(xì)胞分化所必需的。胚胎發(fā)育的最后階段-形態(tài)建成(morphogenesis)也需要某些細(xì)胞外基質(zhì)的成份。細(xì)胞外基質(zhì)具有哪些功能?  4.2.2 蛋白聚糖(proteoglycan，PG)與透明質(zhì)酸細(xì)胞外基質(zhì)的物理性質(zhì)主要受細(xì)胞外基質(zhì)中蛋白聚糖所攜帶的多糖基團(tuán)的影響，蛋白聚糖是由糖胺聚糖(glycosaminoglycans， GAG)以共價(jià)的形式同線(xiàn)性多肽連接而成的多糖和蛋

16、白復(fù)合物。  蛋白聚糖的結(jié)構(gòu)糖胺聚糖: 蛋白聚糖的主要成份是糖胺聚糖，是由重復(fù)二糖單位構(gòu)成的無(wú)分支長(zhǎng)鏈多糖(圖4-15)。圖4-15 糖胺聚糖中常見(jiàn)的重復(fù)二糖單位糖胺聚糖可在細(xì)胞外創(chuàng)造水合的、膠狀的材料，形成了所謂的細(xì)胞外基質(zhì)的基質(zhì)(ground substance)。蛋白聚糖 大多數(shù)氨基聚糖都是同蛋白質(zhì)共價(jià)結(jié)合形成糖和蛋白質(zhì)的復(fù)合物， 稱(chēng)為蛋白聚糖(圖4-16)。圖4-16 蛋白聚糖的結(jié)構(gòu)透明質(zhì)酸(hyaluronate) 透明質(zhì)酸同糖胺聚糖和核心蛋白組成軟骨組織的蛋白聚糖復(fù)合物，稱(chēng)為透明質(zhì)酸-蛋白聚糖復(fù)合物。在這種復(fù)合物中，透明質(zhì)酸作為一個(gè)長(zhǎng)軸，將蛋白聚糖連接在一起，形成更大的更

17、復(fù)雜的蛋白聚糖(圖4-17)，使細(xì)胞外基質(zhì)具有更大的抗壓性。圖4-17 透明質(zhì)酸在軟骨組織細(xì)胞外基質(zhì)的蛋白聚糖中的作用 透明質(zhì)酸在細(xì)胞外基質(zhì)中的存在方式和作用是什么?蛋白聚糖在細(xì)胞外基質(zhì)中的功能是什么?單個(gè)的蛋白聚糖和透明質(zhì)酸-蛋白聚糖復(fù)合物直接與膠原纖維連接形成動(dòng)物細(xì)胞外的纖維-網(wǎng)絡(luò)(fiber-network)結(jié)構(gòu)(圖4-18)，不同類(lèi)型的膠原和不同類(lèi)型的蛋白聚糖連接形成不同的纖維-網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于提高細(xì)胞外基質(zhì)的連貫性起關(guān)鍵作用。圖4-18 透明質(zhì)酸-蛋白聚糖與膠原纖維連接在細(xì)胞外基質(zhì)中形成纖維網(wǎng)絡(luò)不同組織的細(xì)胞外基質(zhì)中蛋白聚糖的分布不同，分子量也不盡相同(表4-2)。表4-2 蛋白聚糖及分布

18、類(lèi)型核心蛋白相對(duì)分子質(zhì)量分布硫酸軟骨素200,000300,000(在軟骨中)45,000(在骨中) 45,000和500,000(在皮膚中) 軟骨，骨，皮膚，基膜中少量硫酸角質(zhì)素45,000骨，角膜 硫酸皮膚素40,00050,000腱，原纖維結(jié)締組織， 皮膚和角膜中少量 硫酸乙酰肝素30,000200,000基膜，角膜，神經(jīng)組織透明質(zhì)酸-蛋白聚糖復(fù)合物十萬(wàn)到百萬(wàn)軟骨，骨(少量)，腱，主動(dòng)脈，平滑肌  4.2.3 膠原和彈性蛋白膠原(collagen) 是細(xì)胞外最重要的水不溶性纖維蛋白， 是構(gòu)成細(xì)胞外基質(zhì)的骨架，在細(xì)胞外基質(zhì)中形成半晶體的纖維，給細(xì)胞提供抗張力和彈性，并在

19、細(xì)胞的遷移和發(fā)育中起作用。  膠原的結(jié)構(gòu)和種類(lèi) 結(jié)構(gòu):膠原蛋白的基本結(jié)構(gòu)單位是原膠原(tropocollagen)，原膠原肽鏈的一級(jí)結(jié)構(gòu)具有(Gly-x-y)n重復(fù)序列， 其中x常為脯氨酸(Pro)， y常為羥脯氨酸(Hypro)或羥賴(lài)氨酸(Hylys)。原膠原是由三條-肽鏈組成的纖維狀蛋白質(zhì)， 相互擰成三股螺旋狀構(gòu)型， 長(zhǎng)300nm， 直徑1.5nm(圖4-19)。圖4-19 膠原的組織和結(jié)構(gòu)電鏡照片所示的是雞胚胎結(jié)締組織的膠原纖維; 圖解是膠原的分子結(jié)構(gòu)。  類(lèi)型已發(fā)現(xiàn)有多種類(lèi)型的膠原，不同類(lèi)型的膠原有不同的化學(xué)結(jié)構(gòu)和不同的免疫性能， 是不同基因的表達(dá)產(chǎn)物。各類(lèi)膠原都有

20、兩個(gè)共同的特點(diǎn)都是由三條肽鏈組成；各類(lèi)膠原蛋白的氨基酸組成完全不同，這在其他蛋白質(zhì)中從未發(fā)現(xiàn)過(guò)。表4-3是已鑒定的部分膠原纖維的結(jié)構(gòu)特征和分布。表4-3 膠原的類(lèi)型、結(jié)構(gòu)和分布類(lèi)型亞單位結(jié)構(gòu)分布1()，2()纖維狀皮膚、腱、骨等1()纖維狀 軟骨、玻璃體液1()纖維狀皮膚、肌肉等1()，2() 非纖維狀所有的基膜1()，2()，3() 纖維狀大多數(shù)間隙組織1()，2()，3()纖維狀大多數(shù)間隙組織1()非纖維狀錨定原纖維1()? 某些內(nèi)皮細(xì)胞1() ? 肥大和鹽質(zhì)軟骨1()，2()，2()? 軟骨XI 1(XI)，2(XI)，3(XI)纖維狀肥大和鹽質(zhì)軟骨XII 1(XII)?皮膚、腱XIII

21、 1(XIII)?表皮，基膜 XIV 1(XIV) ?胎兒皮膚和腱  脊椎動(dòng)物膠原的合成與裝配膠原是由幾千個(gè)不同的分子組成的高度組織化的結(jié)構(gòu)，合成和裝配十分復(fù)雜。 膠原蛋白是在膜結(jié)合核糖體上起始合成的，然后進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，通過(guò)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體的加工修飾和裝配，最后分泌到細(xì)胞外基質(zhì)中(圖4-20)。圖4-20 脊椎動(dòng)物中膠原的合成、裝配與分泌膠原的合成和分泌的過(guò)程怎樣?何時(shí)成為水不溶性的?裝配過(guò)程中涉及的前體鏈、前膠原、膠原、膠原原纖維及膠原纖維的關(guān)系示于圖4-21。圖4-21 膠原裝配的主要步驟由前體肽裝配成前膠原時(shí)，是通過(guò)分子內(nèi)的交聯(lián)完成的。而由膠原裝配成膠原原纖維(collagen

22、fibril)則是通過(guò)分子間的交聯(lián)(圖4-22)。圖4-22 膠原纖維的分子間和分子內(nèi)交聯(lián)在膠原裝配過(guò)程中還涉及復(fù)雜的加工修飾作用。新生肽進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)后首先被信號(hào)肽酶切除信號(hào)肽，然后將某些脯氨酸和賴(lài)氨酸進(jìn)行羥基化，并將半乳糖添加到羥脯氨酸上(圖4-23)。圖4-23 膠原分子在ER和高爾基體中的修飾作用  膠原的作用 為細(xì)胞外基質(zhì)提供了一個(gè)水不溶性的框架，決定細(xì)胞外基質(zhì)的機(jī)械性質(zhì)。某一特定組織的性能通常與膠原分子的三維結(jié)構(gòu)有關(guān)。舉例說(shuō)明某一特定組織的性能通常與膠原分子的三維結(jié)構(gòu)有關(guān)。  如果編碼膠原的基因發(fā)生突變，將導(dǎo)致膠原病。若影響到膠原纖維的正確裝配，皮膚和其它各種結(jié)締組

23、織就會(huì)因此降低強(qiáng)度而變得非常的松弛(圖4-24)。圖4-24 過(guò)度松弛皮膚癥這是1890年拍攝的"彈性皮膚人"的照片，是由于膠原裝配不正確引起的遺傳綜合癥。在某些個(gè)體中，由于膠原酶缺陷而引起，因?yàn)槟z原酶缺陷，不能將前膠原轉(zhuǎn)變成膠原。 膠原是骨、腱和皮膚組織中的主要蛋白，這些組織的細(xì)胞外基質(zhì)不僅膠原含量高， 而且剛性及抗張力大。 另外膠原具有促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)的作用，如肝細(xì)胞等在含有膠原的培養(yǎng)基上生長(zhǎng)較快。在細(xì)胞分化中，膠原基質(zhì)和提純的膠原底物具有維持并誘導(dǎo)細(xì)胞分化的作用。許多實(shí)驗(yàn)證明， 某種細(xì)胞經(jīng)過(guò)特異的粘連蛋白的介導(dǎo)，可以粘連到特定類(lèi)型膠原上。許多上皮細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞經(jīng)層粘連蛋白

24、的介導(dǎo)可與基膜中的型膠原粘連。  彈性蛋白(elastin)彈性蛋白是彈性纖維(elastic fibers)的主要成分。彈性纖維主要存在于韌帶和脈管壁。彈性纖維與膠原纖維共同存在， 賦予組織以彈性和抗張能力(圖4-25)。圖4-25 彈性纖維曲伸模型  4.2.4 細(xì)胞外基質(zhì)中的粘著蛋白細(xì)胞外基質(zhì)中的第三類(lèi)成分是粘著蛋白，之所以將這些蛋白稱(chēng)為粘著蛋白，是因?yàn)檫@些蛋白起著將細(xì)胞外基質(zhì)與細(xì)胞聯(lián)系起來(lái)的橋梁作用。  纖維粘連蛋白(fibronectin， FN)纖維粘連蛋白屬非膠原糖蛋白的一種， 稱(chēng)為冷不溶球蛋白， 它是一種高相對(duì)分子質(zhì)量的粘附性的糖蛋白，

25、廣泛存在于動(dòng)物界， 包括海綿、海膽及哺乳動(dòng)物類(lèi)。每個(gè)FN亞基上有與膠原、細(xì)胞表面受體、血纖蛋白和硫酸蛋白多糖高親和結(jié)合的位點(diǎn)(圖4-26)。圖4-26 纖粘連蛋白的結(jié)構(gòu) RGD序列: FN中與 細(xì)胞結(jié)合的結(jié)構(gòu)域中的Arg-Gly-Asp三肽序列。 FN的主要功能是什么? 介導(dǎo)細(xì)胞粘著在FN的分子上既有與膠原結(jié)合的結(jié)構(gòu)域，又有與細(xì)胞結(jié)合的結(jié)構(gòu)域。這樣，F(xiàn)N可以介導(dǎo)細(xì)胞外基質(zhì)與細(xì)胞進(jìn)行結(jié)合。 影響細(xì)胞的遷移在正常組織里， 細(xì)胞是由多種多樣的糖蛋白粘連起來(lái)， 并約束在一個(gè)固定的位置上，主要是靠FN來(lái)維持其穩(wěn)定狀態(tài)。  層粘連蛋白(laminin， LN)層粘連蛋白是基膜(basal lam

26、ina)的主要結(jié)構(gòu)成分。 結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)的十字形， 由一條長(zhǎng)臂和三條相似的短臂構(gòu)成。1和2短臂上有兩個(gè)球形域， 鏈上的短臂有三個(gè)球形結(jié)構(gòu)域，其中有一個(gè)結(jié)構(gòu)域同型膠原結(jié)合，第二個(gè)結(jié)構(gòu)域同肝素結(jié)合，還有同細(xì)胞表面受體結(jié)合的結(jié)構(gòu)域(圖4-27)。圖4-27 層粘連蛋白的結(jié)構(gòu)層粘連蛋白由三條多肽鏈組成，其中一條是鏈，另外兩條分別是1和2，三個(gè)亞基通過(guò)短臂上的二硫鍵連接在一起。 功能LN分子中具有與型膠原、細(xì)胞表面、及其它的蛋白聚糖結(jié)合的位點(diǎn)。由于型膠原也存在于基膜中，所以L(fǎng)N的主要功能就是作為基膜的主要結(jié)構(gòu)成分對(duì)基膜的組裝起關(guān)鍵作用， 在細(xì)胞表面形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并將細(xì)胞固定在基膜上。LN還有許多其

27、他的作用，如在細(xì)胞發(fā)育過(guò)程中刺激細(xì)胞粘著、細(xì)胞運(yùn)動(dòng)。LN還能夠刺激胚胎中神經(jīng)軸的生長(zhǎng)，并促進(jìn)成年動(dòng)物的神經(jīng)損傷后重生長(zhǎng)和再生。如同纖粘連蛋白，細(xì)胞外的LN能夠影響細(xì)胞的生長(zhǎng)、遷移和分化。  4.2.5 細(xì)胞外基質(zhì)與細(xì)胞的相互關(guān)系 基膜(basal lamina，basement membrane)基膜是一種復(fù)合的細(xì)胞外結(jié)構(gòu)， 通常位于上皮和內(nèi)皮的基底面，是細(xì)胞外基質(zhì)的特異區(qū)， 將細(xì)胞層和其下的結(jié)締組織分開(kāi)(圖4-28)。典型的基膜厚約50nm，有些基膜的厚度達(dá)200nm。圖4-28 人皮膚的掃描電鏡照片顯示基膜將表皮細(xì)胞與底層細(xì)胞分開(kāi) 形成基膜的組織和細(xì)胞: 肌細(xì)胞和脂肪細(xì)

28、胞的表面; 上皮組織基底面的下方，如皮膚上皮的下表面，將上皮細(xì)胞與結(jié)締組織分開(kāi); 血管內(nèi)皮細(xì)胞的下表面。此外，在施旺細(xì)胞(Schwann cells)的表面也覆蓋有基膜。 結(jié)構(gòu): 基膜是由不同的蛋白纖維組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，LN不僅是基膜的主要成分，也是基膜的組織者，而型膠原則是基膜的網(wǎng)狀鋼架(圖4-29)。 功能: 基膜不僅對(duì)組織結(jié)構(gòu)起支持作用，同時(shí)也是滲透性的障礙，調(diào)節(jié)分子和細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)。圖4-29 基膜的分子結(jié)構(gòu)模型  整聯(lián)蛋白(integrin)整聯(lián)蛋白屬整合蛋白家族， 是細(xì)胞外基質(zhì)受體蛋白。 結(jié)構(gòu) 整聯(lián)蛋白是一種跨膜的異質(zhì)二聚體， 它由兩個(gè)非共價(jià)結(jié)合的跨膜亞基， 即和亞基所組成。每

29、個(gè)亞基的細(xì)胞外是球形的頭部， 露出脂雙分子層約20nm。頭部可同細(xì)胞外基質(zhì)蛋白結(jié)合， 而細(xì)胞內(nèi)的尾部同肌動(dòng)蛋白相連(圖4-30)。圖4-30 整聯(lián)蛋白的結(jié)構(gòu)  功能整聯(lián)蛋白作為跨膜接頭在細(xì)胞外基質(zhì)和細(xì)胞內(nèi)肌動(dòng)蛋白骨架之間起雙向聯(lián)絡(luò)作用， 將細(xì)胞外基質(zhì)同細(xì)胞內(nèi)的骨架網(wǎng)絡(luò)連成一個(gè)整體， 同時(shí)還具有將細(xì)胞外信號(hào)向細(xì)胞內(nèi)傳遞的作用（圖4-31）。 圖4-31 整聯(lián)蛋白的功能 整聯(lián)蛋白的類(lèi)型 目前已經(jīng)鑒定的整聯(lián)蛋白約有20種，但只鑒定到17種不同的亞基和8種亞基。由于整聯(lián)蛋白是異質(zhì)二聚體，從理論上推測(cè)應(yīng)該有100種以上的亞基和亞基配對(duì)的整聯(lián)蛋白，實(shí)際上只發(fā)現(xiàn)20種，提示這些亞基出現(xiàn)在細(xì)胞表面的

30、位置可能具有特異性。整聯(lián)蛋白同細(xì)胞外基質(zhì)中粘著蛋白的識(shí)別與結(jié)合分為兩種類(lèi)型一類(lèi)是同RGD區(qū)域結(jié)合，另一類(lèi)則不需要RGD區(qū)域。  4.3 細(xì)胞識(shí)別與粘著在多細(xì)胞生物中，單個(gè)細(xì)胞要組成精密的組織和器官，以及器官體系，首先必須具有相互識(shí)別的能力，然后通過(guò)粘著和結(jié)合將細(xì)胞組織起來(lái)(圖4-32)。圖4-32 哺乳動(dòng)物腸壁細(xì)胞的組織結(jié)構(gòu) 4.3.1 細(xì)胞識(shí)別及識(shí)別反應(yīng)細(xì)胞識(shí)別(cell recognition)指細(xì)胞對(duì)同種或異種細(xì)胞、同源或異源細(xì)胞以及對(duì)自己和異己物質(zhì)分子的認(rèn)識(shí)和鑒別。  細(xì)胞識(shí)別的研究通過(guò)海綿實(shí)驗(yàn)和兩棲類(lèi)胚性細(xì)胞實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)并證明了細(xì)胞具有識(shí)別能力。

31、海綿實(shí)驗(yàn) 1907年通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究?jī)煞N不同顏色的海綿細(xì)胞的行為, 發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞的識(shí)別。分別從黃色海綿和紅色海綿中分離單細(xì)胞,然后將兩種不同顏色的細(xì)胞類(lèi)群混合在一起。但是,這兩種類(lèi)型的海綿細(xì)胞很快就各自分開(kāi)聚集,紅色海綿細(xì)胞聚集到一起,黃色海綿細(xì)胞也是如此,二者互不混淆。這是人類(lèi)最早通過(guò)實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)到細(xì)胞具有識(shí)別和選擇性結(jié)合的能力。此后,在許多生物中都發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞的識(shí)別和粘著,不僅是簡(jiǎn)單的多細(xì)胞生物,也包括復(fù)雜的有各種組織分化的多細(xì)胞生物中不同組織的細(xì)胞都具有這種能力和特性。如何通過(guò)胚性細(xì)胞證明細(xì)胞的識(shí)別  細(xì)胞識(shí)別與粘著的分子基礎(chǔ) 研究方法為了研究細(xì)胞識(shí)別和粘著的分子基礎(chǔ)，建立了一種抗體檢測(cè)粘

32、著分子的方法 (圖4-33)。抗體檢測(cè)細(xì)胞識(shí)別和粘著的原理是什么? 如何判斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果?圖4-33 用抗體檢測(cè)細(xì)胞識(shí)別和粘著分子首先制備特異的抗體，然后分離雞的視網(wǎng)膜細(xì)胞，再用不同的培育方法檢測(cè)細(xì)胞粘著。(a)分離的且分散很好的雞視網(wǎng)膜細(xì)胞;(b)加入抗體后阻止了細(xì)胞粘著;(c)不加抗體，細(xì)胞發(fā)生粘著。 神經(jīng)細(xì)胞粘著分子(neural cell adhesion molecule，N-CAM)N-CAM是膜糖蛋白，至少以三種形式存在，但都是由同一基因編碼。其中兩種是跨膜蛋白，第三種共價(jià)結(jié)合在細(xì)胞質(zhì)膜的外表面。無(wú)論是何種存在方式，N-CAM分子都有一部分伸出到細(xì)胞外表面。三種N-CAM露出在細(xì)胞外

33、的部分，其結(jié)構(gòu)都一樣，都含有與細(xì)胞粘著相關(guān)的結(jié)合位點(diǎn)(圖4-34)。圖4-34 成熟的N-CAM的三種形式 鈣粘著蛋白(cadherin)鈣粘著蛋白也是細(xì)胞質(zhì)膜中的細(xì)胞粘著分子，但是這種分子介導(dǎo)的細(xì)胞粘著受Ca2+的調(diào)節(jié)。鈣粘著分子家族中比較熟知的屬于膜整合糖蛋白的成員有:E-鈣粘著蛋白(主要存在于表皮組織中)、N-鈣粘著蛋白(存在神經(jīng)組織中)、P-鈣粘著蛋白(主要存在于胎盤(pán))。如何通過(guò)基因工程的方法證明鈣粘著蛋白的確是介導(dǎo)細(xì)胞粘著的分子? 粘著蛋白中糖的作用細(xì)胞的糖被可作為識(shí)別的標(biāo)志，讓其它與之相互作用的細(xì)胞識(shí)別，如嗜中性白細(xì)胞表面的糖被感染部位血管內(nèi)皮細(xì)胞表面的凝集素識(shí)別，這種識(shí)別引起嗜中

34、性白細(xì)胞同血管的粘著，然后穿過(guò)血管進(jìn)入感染組織，消滅掉入侵的病菌(圖4-35)。圖4-35 中性細(xì)胞表面糖在識(shí)別中的作用 凝集素(lectin)在細(xì)胞粘著中的作用凝集素是動(dòng)物細(xì)胞和植物細(xì)胞都能夠合成和分泌的、能與糖結(jié)合的蛋白質(zhì)，在細(xì)胞識(shí)別和粘著反應(yīng)中起重要作用，主要是促進(jìn)細(xì)胞間的粘著。凝集素具有一個(gè)以上同糖結(jié)合的位點(diǎn)，因此能夠參與細(xì)胞的識(shí)別和粘著，將不同的細(xì)胞聯(lián)系起來(lái)(圖4-36)。圖4-36 凝集素的作用機(jī)制  識(shí)別反應(yīng)細(xì)胞識(shí)別引起的細(xì)胞反應(yīng)， 大致有三種類(lèi)型:內(nèi)吞、細(xì)胞粘著和信號(hào)反應(yīng)。  4.3.2 細(xì)胞粘著(cell adhesion)的機(jī)制 細(xì)胞粘著分子(

35、cell adhesion molecule， CAM)的結(jié)構(gòu)和類(lèi)型根據(jù)細(xì)胞粘著分子的作用方式可分為三個(gè)家族(圖4-37):免疫球蛋白超家族(immunoglobulins superfamily，IgSF);鈣粘著蛋白家族；選擇蛋白(selectins)家族等。后兩種家族的細(xì)胞粘著分子是鈣依賴(lài)性的，而免疫球蛋白超家族則是非鈣依賴(lài)性的。圖4-37 主要的細(xì)胞粘著蛋白家族的結(jié)構(gòu)比較三種類(lèi)型的細(xì)胞粘著分子在結(jié)構(gòu)上的差異。  細(xì)胞粘著方式細(xì)胞間有兩種類(lèi)型四種不同方式的粘著(圖4-38)。 圖4-38 各種細(xì)胞粘著分子介導(dǎo)的細(xì)胞粘著細(xì)胞有幾種類(lèi)型的粘著?它們之間有何不同? 鈣粘著蛋白介導(dǎo)細(xì)胞

36、粘著(圖4-39)圖4-39 鈣粘著蛋白介導(dǎo)的細(xì)胞粘著  選擇蛋白(selectins)介導(dǎo)的細(xì)胞粘著(圖 4-40)圖4-40 三種類(lèi)型的選擇蛋白的結(jié)構(gòu)及選擇蛋白介導(dǎo)的細(xì)胞粘著 免疫球蛋白超家族與整聯(lián)蛋白介導(dǎo)細(xì)胞粘著(圖4-41)。圖4-41 免疫球蛋白超家族的細(xì)胞粘著分子  4.4 細(xì)胞連接(cell junction)細(xì)胞連接是多細(xì)胞有機(jī)體中相鄰細(xì)胞之間通過(guò)細(xì)胞質(zhì)膜相互聯(lián)系， 協(xié)同作用的重要基礎(chǔ)（圖4-42）。圖4-42 細(xì)胞的組織結(jié)構(gòu)及相互作用圖示人的皮膚細(xì)胞上皮組織中各細(xì)胞間特殊的聯(lián)系結(jié)構(gòu)以及細(xì)胞外基質(zhì)及基膜在組織形成中的作用。 4.4.1 細(xì)

37、胞連接的概念和類(lèi)型 概念: 描述性:功能性: 類(lèi)型:動(dòng)物細(xì)胞有三種類(lèi)型的連接緊密連接(tight junction)、粘著連接(adhesion junction)、間隙連接(gap junction)。上皮組織是機(jī)體的保護(hù)層，也是各種連接較為集中的部位(圖4-43)，不同的連接以特殊的方式排列，上皮組織中的這些不同的連接方式合稱(chēng)為連接復(fù)合物(junction complex)。 圖4-43 動(dòng)物細(xì)胞中主要幾種類(lèi)型的細(xì)胞連接  4.4.2 緊密連接(tight junction)緊密連接是和G.E.Palade 在1963年發(fā)現(xiàn)的，有兩種英文名稱(chēng)，同一個(gè)意思(tight j

38、unction ，zonula occludens)，又稱(chēng)為不通透連接(impermeable junction)。   緊密連接的結(jié)構(gòu) 存在部位:緊密連接通常位于上皮頂端兩相鄰細(xì)胞間(4-44)。 圖4-44 肌組織毛細(xì)管的細(xì)胞間的緊密連接，箭頭所指是兩細(xì)胞質(zhì)膜的融合處(a)上皮細(xì)胞切片觀察到的緊密連接;(b)掃描電子顯微鏡觀察的上皮頂部細(xì)胞周?chē)沫h(huán)狀緊密連接。 結(jié)構(gòu): 相鄰兩細(xì)胞間的緊密連接是靠緊密蛋白(occludin)顆粒重復(fù)形成的一排排的索將兩相鄰細(xì)胞連接起來(lái)， 緊密蛋白顆粒象焊接線(xiàn)一樣，將相鄰細(xì)胞間連接起來(lái)，并封閉了細(xì)胞間的空隙(圖4-45)圖4-45 緊密連接的模式結(jié)構(gòu)

39、顯示緊密蛋白在相鄰兩細(xì)胞的緊密連接中的排列方式，可見(jiàn)兩個(gè)細(xì)胞的緊密連接處是融合在一起的。  緊密連接的功能從功能上看， 緊密連接除了連接細(xì)胞之外，還有兩個(gè)作用：防止物質(zhì)雙向滲漏，并限制了膜蛋白在脂分子層的流動(dòng)，維持細(xì)胞的極性，有利于物質(zhì)的跨細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)(圖4-46)。圖4-46 緊密連接在葡萄糖跨細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)中的作用緊密連接除了連接細(xì)胞外還有什么作用?意義何在?  4.4.3 斑塊連接 (plaque-bearing junction)斑塊連接是動(dòng)物各組織中廣泛存在的一種細(xì)胞連接方式，通過(guò)粘著蛋白、整聯(lián)蛋白和細(xì)胞骨架體系以及細(xì)胞外基質(zhì)的相互作用，將相鄰兩細(xì)胞連接在一起。根

40、據(jù)跨膜蛋白是同肌動(dòng)蛋白纖維相連還是同中間纖維相連，將斑塊連接分為粘著連接( 粘著帶、粘著斑)和橋粒(橋粒和半橋粒)兩大類(lèi)。  粘著連接 (adherens junctions， zonula adherens)在斑塊連接中，如果連接作用涉及細(xì)胞質(zhì)中的骨架部分是肌動(dòng)蛋白的話(huà)，這種連接方式稱(chēng)為粘著連接。又分為粘著帶和粘著斑。 粘著帶 (adhesion belt)粘著帶連接位于上皮細(xì)胞緊密連接的下方， 靠鈣粘著蛋白同肌動(dòng)蛋白相互作用， 將兩個(gè)細(xì)胞連接起來(lái)(圖4-47)。圖4-47 粘著帶連接的結(jié)構(gòu)參與粘著帶連接的主要蛋白是鈣粘著蛋白(cadherin)和肌動(dòng)蛋白。細(xì)胞質(zhì)斑中含有-連環(huán)蛋白

41、(-catenin)、-連環(huán)蛋白等(-catenin)等，其中-連環(huán)蛋白直接與鈣粘著蛋白的細(xì)胞質(zhì)端相連，然后通過(guò)另一個(gè)蛋白介導(dǎo)與肌動(dòng)蛋白纖維相連。 粘著斑(adhesion plaque，focal adhesion)粘著斑是細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)進(jìn)行連接(圖4-48)。圖4-48 粘著斑連接粘著帶與粘著斑連接有什么不同?  橋粒(desmosomes)細(xì)胞通過(guò)中間纖維錨定到細(xì)胞骨架上的粘著連接方式就稱(chēng)為橋粒，分為兩種情況:橋粒和半橋粒(hemidesmosomes)。 橋粒(desmosome) (完全橋粒)又稱(chēng)為斑點(diǎn)粘著(maculae adherens)，主要出現(xiàn)在上皮組織，從形態(tài)上看，通過(guò)橋粒連接，兩細(xì)胞間形成鈕扣式的結(jié)構(gòu)(圖4-49)圖4-49 橋粒連接的電子顯微鏡照片圖中所示是兩個(gè)皮膚細(xì)胞橋粒連接從結(jié)構(gòu)上看，橋粒連接也是通過(guò)鈣粘著蛋白將兩個(gè)相鄰細(xì)胞結(jié)合起來(lái)。參與橋粒連接的鈣粘著蛋白與粘著連接中的鈣粘著蛋白在結(jié)構(gòu)上有所不同，有兩種類(lèi)型的鈣粘著蛋白，分別稱(chēng)為橋粒芯蛋白(desmoglein)和橋粒芯膠粘蛋白(desmocollin)。在細(xì)胞質(zhì)膜的內(nèi)表面有一致密的細(xì)胞質(zhì)斑，作為錨定細(xì)胞骨架中間纖維的位點(diǎn)(圖4-50)。圖4-50 橋粒連接的分子結(jié)構(gòu) 半橋粒(hemidesmosomes) 在橋粒連接中