第九章細胞外基質云南農業大學動物科技學院2003.9-2010.9李蓮軍博士

細胞外基質(extracellularmatrix，ECM)指分布于細胞外空間，由細胞分泌的蛋白和多糖所構成的網絡結構。細胞外基質的組分及組裝形式由所產生的細胞決定，并與組織的特殊功能需要相適應。

ECM靜態地發揮支持、連接、保水、保護等作用，為細胞的生存及活動提供適宜的場所，并通過信號轉導系統全方位地影響細胞的形態、代謝、功能、遷移、增殖和分化。細胞外基質第一節細胞外基質的組成膠原蛋白彈性蛋白黏合糖蛋白糖胺聚糖與蛋白聚糖細胞外基質組成細胞外基質主要由凝膠基質(多糖)和纖維網架(纖維蛋白)構成。細胞外基質多糖：糖胺聚糖、蛋白聚糖纖維蛋白

結構蛋白：膠原蛋白、彈性蛋白粘合蛋白：纖粘蛋白、層粘蛋白

粘合糖蛋白既可與細胞結合，又可與細胞外基質結合。對細胞的存活、形態、粘著、鋪展、遷移、增殖、分化有直接影響。已發現數十種，其中纖粘連蛋白和層粘連蛋白研究最為深入。一、膠原(collagen)

膠原是動物體內含量最豐富的蛋白質，它遍布于體內各種器官和組織，是細胞外基質中最主要的水不溶性纖維蛋白，其中Ⅰ～Ⅲ型膠原含量最豐富。膠原由成纖維細胞、軟骨細胞、成骨細胞及某些上皮細胞合成并分泌到細胞外，參與形成結締組織(如骨、韌帶、基膜、真皮)。胚胎及胎兒的膠原因缺乏分子間的交聯而易于提取。隨年齡增長，交聯日益增多，組織僵硬老化。目前已發現的膠原至少有19種，由不同的結構基因編碼，具有不同的化學結構及免疫學特性。

I、II、III、V、XI型膠原為有橫紋的纖維形結構。1.膠原的類型常見的膠原類型Ⅰ型膠原纖維束,主要分布于皮膚、肌腱、韌帶及骨中，具有很強的抗張力;Ⅱ型膠原主要存在于軟骨中;Ⅲ型膠原形成微細的原纖維網、廣泛分布于有伸展性的組織，如疏松結締組織;Ⅳ型膠原形成二維網格狀,是基膜的主要成分及支架。

膠原都由原膠原交聯而成，原膠原由三條α肽鏈形成三股螺旋，分為螺旋區，非螺旋區及球形結構域。2.膠原分子(原膠原)的結構

α肽鏈由重復的Gly-X-Y序列構成，通常X為Pro，y為Hypro

(羥脯胺酸)orHylys

(羥賴氨酸)）。

Gly-X-Y序列使α鏈呈左手螺旋。三股鏈再繞成右手超螺旋。原膠原分子間通過側向共價交聯，相互呈階梯式有序排列，聚合成直徑50~200nm、長150nm至數微米的原纖維，在電鏡下可見間隔67nm的橫紋。膠原原纖維中的交聯鍵是由側向相鄰的賴氨酸或羥賴氨酸殘基氧化后所產生的兩個醛基縮合而形成的。I型膠原的結構原膠原間共價交聯，呈階梯狀排列，形成膠原纖維，在電鏡下可見間隔67nm的橫紋。（左模式圖，右電鏡照片）

3.I型膠原的合成與加工

前體

肽鏈在粗面內質網合成，并形成前原膠原

(preprocollagen)，前原膠原在粗面內質網合成、加工與組裝，經高爾基體繼續加工和組裝后分泌到細胞外。前原膠原在細胞外由兩種蛋白水解酶分別切去N-末端及C-末端前肽，成為原膠原(procollagen)。原膠原進而聚合裝配成膠原原纖維(collagenfibril)和膠原纖維(collagenfiber)。Synthesis--fibroblasts膠原的合成與加工4.膠原的功能

膠原構成細胞外基質中的骨架結構,其它組分則通過與膠原結合形成結構與功能的復合體；

在不同組織中，膠原組裝成不同形式的纖維,以適應特定功能的需要；

膠原可被膠原酶特異降解，而參入胞外基質信號傳遞的調控網絡中。

二、彈性蛋白(elastin)彈性蛋白由二種類型短肽段交替排列構成。一種是疏水短肽，賦予分子以彈性；另一種短肽為富含丙氨酸及賴氨酸殘基的α螺旋，負責在相鄰分子間形成交聯。

彈性蛋白也是富含甘氨酸和脯氨酸的蛋白質。與膠原蛋白不同的是，其脯氨酸沒有羥基化，所以沒有羥脯(賴)氨酸的存在。彈性蛋白特性

彈性蛋白是彈性纖維的主要成分。

彈性纖維與膠原纖維共同存在,賦予組織以彈性及抗張性。

彈性蛋白是高度疏水的非糖基化蛋白,具有兩個明顯的特征:

構象呈無規則卷曲狀態;

通過Lys殘基相互交連成網狀結構。Elastin--flexibility三、纖粘蛋白(fibronectin,FN)

FN是一種大型的糖蛋白，存在于所有脊椎動物，分子含糖4.5－9.5％，糖鏈結構依組織細胞來源及分化狀態而異。

FN以可溶形式存在于血漿及各種體液中，總稱血漿FN

；以不溶形式存在于細胞外基質及細胞表面，總稱細胞FN。

FN可將細胞連接到細胞外基質上。

1.纖粘蛋白的結構各種FN均由相似的肽鏈(~220KD)組成，每條肽鏈約含2450個氨基酸殘基，由三種類型(I,Ⅱ,Ⅲ型)的模塊重復排列構成。每條肽鏈具有5－7個有特定功能的結構域，由對蛋白酶敏感的肽段連接。有些結構域能與其它ECM(如膠原、蛋白聚糖)結合，使細胞外基質形成網絡；有些結構域能與細胞表面的受體結合，使細胞附著于ECM上。肽鏈中的三肽序列RGD(Arg-Gly-Asp)

是細胞表面某些整合素受體識別與結合的部位。

血漿FN(450KD)是二聚體，由兩條相似的肽鏈C端借二硫鍵聯成V字形。主要由肝細胞分泌。

細胞FN是多聚體，分子間可通過二硫鍵相互交聯，組裝成纖維。已鑒定的FN亞單位20種以上。由同一基因編碼，轉錄后拼接不同，從而形成多種異型分子。

FN不自發組裝成纖維，通過細胞表面受體指導下進行。2.纖粘連蛋白組裝3.纖粘蛋白的主要功能1.介導細胞與細胞外基質的黏著2.與細胞的遷移有關3.與組織創傷的修復有關腫瘤細胞表面的FN纖維減少，因細胞表面的FN受體異常所致。四、層粘蛋白(laminin，LN)

LN也是一種大型的糖蛋白，與Ⅳ型膠原一起構成基膜。

LN分子由一條重鏈(α)和二條輕鏈(β,γ)借二硫鍵交聯而成，外形呈十字形，三條短臂各由三條肽鏈的N端序列構成。已知7種LN分子，8種亞單位(α1-3、β1-3、γ1-2)。與FN不同，這8種亞單位由不同基因編碼。

LN分子中至少存在8個與細胞結合的位點。

LN是含糖量很高(占15-28％)的糖蛋白，具有50條左右N-連接的糖鏈，是迄今所知糖鏈結構最復雜的糖蛋白。而且LN的多種受體是識別并結合其糖鏈結構的。2.層粘蛋白的作用

層粘蛋白是動物基膜的主要結構組分之一；

細胞通過層粘蛋白錨定于基膜上

與Ⅳ型膠原的結合部位； 與質膜上整合素結合(Arg-Gly-Asp序列)；

層粘蛋白在胚胎發育及組織分化中具有重要作用；

層粘蛋白也與腫瘤細胞的轉移有關。

基膜是上皮細胞下方一層特化的細胞外基質，也存在于肌肉、脂肪和許旺細胞(schwanncell)周圍。它不僅起保護和過濾作用，還決定細胞的極性，影響細胞的代謝、存活、遷移、增殖和分化。3.基膜基膜中除LN和Ⅳ型膠原外，還有entactin(內聯蛋白，也稱

nidogen)、perlecan(滲濾素)、decorin(裝飾蛋白)等多種蛋白，其中LN通過entactin

與Ⅳ型膠原結合。基膜的結構五、糖胺聚糖與蛋白聚糖(一)糖胺聚糖

糖胺聚糖(glycosaminoglycan，GAG)是由重復二糖單位構成的無分枝的長鏈多糖。其二糖單位通常由氨基已糖(氨基葡萄糖或氨基半乳糖)和糖醛酸(或半乳糖)組成。

GAG可分為四類六種，即：透明質酸(HA)、硫酸軟骨素和硫酸皮膚素、硫酸乙酰肝素和肝素、硫酸角質素。

除HA及肝素外，其他GAG均不游離存在。糖胺聚糖的分子特性及組織分布氨基聚糖二糖單位硫酸基分布組織透明質酸葡萄糖醛酸，N-乙酰葡萄糖0結締組織、皮膚軟骨、玻璃體、滑液硫酸軟骨素葡萄糖醛酸，N-乙酰半乳糖0.2-2.3軟骨、角膜、骨皮膚、動脈硫酸皮膚素葡萄糖醛酸或艾杜糖醛酸，N-乙酰葡萄糖1.0-2.0皮膚、血管、心心瓣膜硫酸乙酰肝素葡萄糖醛酸或艾杜糖醛酸，N-乙酰葡萄糖0.2-3.0肺、動脈、細胞表面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、皮膚肥大細胞硫酸角質素半乳糖，N-乙酰葡萄糖0.9-1.8軟骨、角膜、椎間盤glycosaminoglycans(GAGs)重復的二糖單位透明質酸(Haluronicacid、HA)是唯一不硫酸化的GAG，含多達10萬個糖基，可結合大量水分子，賦予組織一定的抗壓性。

HA主要存在于結締組織、皮膚、關節液、軟骨及玻璃體液等處，構成這些部位的組織基質。

透明質酸由膜蛋白透明質酸合成酶合成。脊椎動物有三種透明質酸合成酶(HAS1,HAS2,HAS3)。它們通過反復交替加入底物尿苷二磷酸-α-N-乙酰葡糖胺及尿苷二磷酸-α-D-葡萄糖醛酸而延長透明質酸鏈，新產生的多糖透過細胞膜進入細胞外。透明質酸透明質酸是由二糖單位(葡糖醛酸-N-乙酰氨基葡糖)組成的直鏈高分子多糖?！敉该髻|酸是增殖細胞和遷移細胞的胞外基質主要成分，也是蛋白聚糖的主要結構組分?！敉该髻|酸在結締組織中起強化、彈性和潤滑作用?！敉该髻|酸使細胞保持彼此分離，使細胞易于運動、遷移和增殖，并阻止細胞分化。透明質酸的生物學功能(二)蛋白聚糖(proteoglycan)

蛋白聚糖是糖胺聚糖與核心蛋白質(coreprotein)的共價結合物。

除透明質酸外，所有糖胺聚糖均可與核心蛋白質的Ser殘基共價結合形成更為復雜的復合物，稱蛋白聚糖(蛋白聚糖=糖胺聚糖+核心蛋白)。若干蛋白聚糖單體借連接蛋白以非共價鍵與透明質酸結合形成更大的多聚體，稱聚集素。核心蛋白質的Ser殘基在高爾基體中裝配上GAG鏈。首先合成由四糖組成的連接橋(Xyl-Gal-Gal-GlcUA，木糖－半乳糖－半乳糖－葡萄糖醛酸)連接到Ser殘基上，然后再延長糖鏈。蛋白聚糖見于所有結締組織和細胞外基質及許多細胞表面。蛋白聚糖并不都是細胞外基質成分，而是質膜的整合成分。蛋白聚糖的顯著特點是多態性：不同的核心蛋白,不同的糖胺聚糖；軟骨中的蛋白聚糖是最大巨分子之一,賦予軟骨以凝膠樣特性和抗變形能力；蛋白聚糖可視為細胞外的激素富集與儲存庫，可與多種生長因子結合，完成信號的傳導。蛋白聚糖的特性與功能第二節細胞外基質的生物學作用由于細胞外基質對細胞的形狀、結構、功能、存活、增殖、分化、遷移等一切生命現象具有全面的影響，因而無論在胚胎發育的形態發生、器官形成過程中，或在維持成體結構與功能完善（包括免疫應答及創傷修復等）的一切生理活動中均具有不可忽視的重要作用。2、影響細胞的存活、生