首页生物学细胞生物学细胞生物学 14 第五章 细胞外环境雨细胞连接1.1.ppt

14 第五章 细胞外环境雨细胞连接1.1.ppt

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本课件系统讲解细胞外基质:从成分概览出发,依次展开蛋白聚糖复合体、胶原的结构类型与合成装配、弹性纤维、纤粘连蛋白的RGD序列、层粘连蛋白与基膜结构,最后归纳细胞外基质的四项主要功能。

第五章细胞外基质与细胞连接导览页,导入细胞外基质与细胞连接两大主题
细胞外基质的定义与成分,由细胞分泌的多糖、蛋白与蛋白聚糖组成
细胞外基质三大类成分概览,蛋白聚糖形成水性胶状物
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第1页:第五章 细胞外基质与细胞连接

第五章细胞外基质与细胞连接

第2页:第一节 细胞外基质

第一节 细胞外基质

细胞外基质(extracellular matrix,ECM)
是由细胞合成并分泌到胞外、分布在细胞表面或细胞之间的大分子,主要是一些多糖和蛋白,或蛋白聚糖。细胞外基质对于一些动物组织的细胞具有重要作用。

第3页:细胞外基质的组成成分

一、细胞外基质的组成成分可分为三大类:

蛋白聚糖(proteoglycan),是由糖胺聚糖(glycosamin-oglycans)以共价的形式与线性多肽连接而成的多糖和蛋白复合物,它们能够形成水性的胶状物。

第4页:结构蛋白与粘着蛋白

  • 结构蛋白,如胶原和弹性蛋白,它们赋予细胞外基质一定的强度和韧性。
  • 粘着蛋白(adhesive proteins):如纤粘连蛋白和层粘连蛋白,它们促使细胞同基质结合。其中以胶原和蛋白聚糖为基本骨架在细胞表面形成纤维网状复合物,并通过细胞质膜中的整联蛋白将细胞外与细胞内连成了一个整体。

第5页:细胞外基质的大分子组织

An overview of the macromolecular organization of the extracellular matrix

第6页:蛋白聚糖

(一)蛋白聚糖proteoglycan

  • 1、糖氨聚糖:由重复的二糖单位构成的长链多糖,其二糖单位之一是氨基己糖,故称为糖氨聚糖。包括透明质酸、硫酸软骨素、硫酸皮肤素、硫酸乙酰肝素、肝素、硫酸角质素。
  • 2、蛋白聚糖:由糖氨聚糖与核心蛋白的丝氨酸共价连接形成的巨分子。

第7页:软骨蛋白聚糖复合体

The structure of a cartilage-type proteoglycan complex.A蛋白聚糖单体B硫酸软骨素、硫酸角质素、透明质酸C蛋白聚糖的模式图D软骨中的蛋白聚糖电镜照片

第8页:胶原的结构

(二)胶原

  • 1、胶原(collagen) 是细胞外最重要的水不溶性纤维蛋白,也是动物体内含量最丰富的蛋白,约占人体蛋白质总量的30%以上。是构成细胞外基质的骨架,在细胞外基质中形成半晶体的纤维,给细胞提供抗张力和弹性,并在细胞的迁移和发育中起作用。
  • 2、胶原的结构:胶原蛋白的基本结构单位是原胶原(tropocollagen),原胶原肽链的一级结构具有(Gly-x-y)n重复序列,其中Gly为甘氨酸,x常为脯氨酸(Pro),y常为羟脯氨酸(Hypro)或羟赖氨酸(Hylys)。
  • 3、原胶原是由三条α-肽链组成的纤维状蛋白质,相互拧成三股螺旋状构型,长300nm,直径1.5nm。

第9页:胶原的分子结构

The structure of collagen

第10页:胶原纤维的电镜与图解

胶原的组织和结构电镜照片所示的是鸡胚胎结缔组织的胶原纤维; 图解是胶原的分子结构

第11页:胶原的类型

3、胶原类型:已发现有多种类型的胶原,不同类型的胶原有不同的化学结构和不同的免疫性能,是不同基因的表达产物。各类胶原都有两个共同的特点∶①都是由三条肽链组成;②各类胶原蛋白的氨基酸组成完全不同,这在其他蛋白质中从未发现过。表中是已鉴定的部分胶原纤维的结构特征和分布。

第12页:胶原类型的结构特征与分布

下表列出胶原的类型、亚单位组成、结构特征与组织分布(源文本表格文字粘连,已按列拆分还原)。

胶原的类型:结构特征与分布
类型亚单位结构分布
Ⅰα1(Ⅰ),α2(Ⅰ)纤维状皮肤、腱、骨等
Ⅱα1(Ⅱ)纤维状软骨、玻璃体液
Ⅲα1(Ⅲ)纤维状皮肤、肌肉等
Ⅳα1(Ⅳ),α2(Ⅳ)非纤维状所有的基膜
Ⅴα1(Ⅴ),α2(Ⅴ),α3(Ⅴ)纤维状大多数间隙组织
Ⅵα1(Ⅵ),α2(Ⅵ),α3(Ⅵ)纤维状大多数间隙组织
Ⅶα1(Ⅶ)非纤维状锚定原纤维
Ⅷα1(Ⅷ)—某些内皮细胞
Ⅹα1(Ⅹ)—肥大和盐质软骨
Ⅸα1(Ⅸ),α2(Ⅸ),α2(Ⅸ)—软骨
Ⅺα1(Ⅺ),α2(Ⅺ),α3(Ⅺ)纤维状肥大和盐质软骨
Ⅻα1(Ⅻ)—皮肤、腱
ⅩⅢα1(ⅩⅢ)—表皮,基膜
ⅩⅣα1(ⅩⅣ)—胎儿皮肤和腱

源文本该表各列文字连续粘连,已按「类型—亚单位—结构—分布」拆分还原;其中Ⅸ型亚单位原文写作α1(Ⅸ)、α2(Ⅸ)、α2(Ⅸ),第三个疑为α3(Ⅸ),结构列多处原文为「?」已留空,建议对照原图核对。

第13页:胶原的合成与装配

4、脊椎动物胶原的合成与装配

  • 胶原是由几千个不同的分子组成的高度组织化的结构,合成和装配十分复杂。
  • 胶原蛋白是在膜结合核糖体上起始合成的,然后进入内质网,通过内质网和高尔基体的加工修饰和装配,最后分泌到细胞外基质中完成装配。

第14页:胶原的合成、装配与分泌

脊椎动物中胶原的合成、装配与分泌

第15页:胶原装配的各阶段关系

(1)装配过程中涉及的前体链、前胶原、胶原、胶原原纤维及胶原纤维的关系。

第16页:胶原装配的主要步骤

胶原装配的主要步骤

第17页:胶原分子的交联

(2)由前体肽装配成前胶原时,是通过分子内的交联完成的。而由胶原装配成胶原原纤维(collagen fibril)则是通过分子间的交联。胶原纤维的分子间和分子内交联

第18页:胶原的作用

5、胶原的作用

  • 为细胞外基质提供了一个水不溶性的框架,决定细胞外基质的机械性质。某一特定组织的性能通常与胶原分子的三维结构有关。
  • 胶原是骨、腱和皮肤组织中的主要蛋白,这些组织的细胞外基质不仅胶原含量高,而且刚性及抗张力大。
  • 另外胶原具有促进细胞生长的作用,如肝细胞等在含有胶原的培养基上生长较快。在细胞分化中,胶原基质和提纯的胶原底物具有维持并诱导细胞分化的作用。
  • 许多实验证明,某种细胞经过特异的粘连蛋白的介导,可以粘连到特定类型胶原上。许多上皮细胞和内皮细胞经层粘连蛋白的介导可与基膜中的Ⅳ型胶原粘连。

第19页:胶原病与弹性皮肤人

6、如果编码胶原的基因发生突变,将导致胶原病。若影响到胶原纤维的正确装配,皮肤和其它各种结缔组织就会因此降低强度而变得非常的松弛。过度松弛皮肤症这是1890年拍摄的"弹性皮肤人"的照片,是由于胶原装配不正确引起的遗传综合症。在某些个体中,由于胶原酶缺陷而引起,因为胶原酶缺陷,不能将前胶原转变成胶原。

第20页:弹性蛋白

(三)弹性蛋白

弹性蛋白是弹性纤维(elastic fibers)的主要成分。弹性纤维主要存在于韧带和脉管壁。弹性纤维与胶原纤维共同存在,赋予组织以弹性和抗张能力。

第21页:弹性纤维曲伸模型

弹性纤维曲伸模型

第22页:纤维粘连蛋白

(四)纤维粘连蛋白(fibronectin,FN)

纤维粘连蛋白属非胶原糖蛋白的一种,称为冷不溶球蛋白,它是一种高相对分子质量的粘附性的糖蛋白,广泛存在于动物界,包括海绵、海胆及哺乳动物类。每个FN亚基上有与胶原、细胞表面受体、血纤蛋白和硫酸蛋白多糖高亲和结合的位点。

第23页:纤粘连蛋白的RGD序列

1、纤粘连蛋白的结构RGD序列: FN中与细胞识别的结构域中的Arg-Gly-Asp三肽序列

第24页:纤粘连蛋白的作用

2、纤粘连蛋白的作用

  • ①介导细胞粘着在FN的分子上既有与胶原结合的结构域,又有与细胞结合的结构域。这样,FN可以介导细胞外基质与细胞进行结合。
  • ②影响细胞的迁移在正常组织里,细胞是由多种多样的糖蛋白粘连起来,并约束在一个固定的位置上,主要是靠FN来维持其稳定状态。

第25页:纤粘连蛋白的结构与功能

Structure and function of fibronectin

第26页:层粘连蛋白

(五)层粘连蛋白(laminin,LN)

  • 层粘连蛋白是基膜(basal lamina)的主要结构成分。
  • 基膜是一种复合的细胞外结构,通常位于上皮和内皮的基底面,是细胞外基质的特异区,将细胞层和其下的结缔组织分开。典型的基膜厚约50nm,有些基膜的厚度达200nm。

第27页:皮肤基膜扫描电镜图

人皮肤的扫描电镜照片显示基膜将表皮细胞与底层细胞分

第28页:形成基膜的组织和细胞

形成基膜的组织和细胞: ①肌细胞和脂肪细胞的表面; ②上皮组织基底面的下方,如皮肤上皮的下表面,将上皮细胞与结缔组织分开; ③血管内皮细胞的下表面。此外,在施旺细胞(Schwann cells)的表面也覆盖有基膜。

第29页:基膜的结构与功能

  • 基膜的结构: 基膜是由不同的蛋白纤维组成的网状结构,LN不仅是基膜的主要成分,也是基膜的组织者,而Ⅳ型胶原则是基膜的网状钢架。
  • 基膜的功能: 基膜不仅对组织结构起支持作用,同时也是渗透性的障碍,调节分子和细胞的运动。

第30页:基膜的分子结构模型

基膜的分子结构模型

第31页:层粘连蛋白的结构

1、层粘连蛋白结构

结构上呈现不对称的十字形,由一条长臂和三条相似的短臂构成。β1和β2短臂上有两个球形域,α链上的短臂有三个球形结构域,其中有一个结构域同Ⅳ型胶原结合,第二个结构域同肝素结合,还有同细胞表面受体结合的结构域。

第32页:层粘连蛋白结构图

层粘连蛋白结构

第33页:层粘连蛋白的功能

2、层粘连蛋白功能

  • LN分子中具有与Ⅳ型胶原、细胞表面、及其它的蛋白聚糖结合的位点。在基膜中,主要功能就是作为基膜的主要结构成分对基膜的组装起关键作用,在细胞表面形成网络结构并将细胞固定在基膜上。
  • LN还有许多其他的作用,如在细胞发育过程中刺激细胞粘着、细胞运动。LN还能够刺激胚胎中神经轴的生长,并促进成年动物的神经损伤后再生。
  • 如同纤粘连蛋白,细胞外的LN能够影响细胞的生长、迁移和分化。

第34页:细胞外基质大分子组织全图

An overview of the macromolecular organization of the extracellular matrix

第35页:细胞外基质的主要功能

二、细胞外基质的主要功能

  • 对细胞的形态和细胞活性的维持起重要作用;
  • 帮助某些细胞完成特有的功能;
  • 同一些生长因子和激素结合进行信号转导;
  • 此外,某些特殊的细胞外基质也是细胞分化所必需的。胚胎发育的最后阶段-形态建成(morphogenesis)也需要某些细胞外基质的成份。

第36页:分泌细胞外基质的细胞

  • 1、能够分泌和形成细胞外基质的主要细胞类群是成纤维细胞(fibroblast)和少数其他特化组织的细胞。
  • 2、各种不同组织的细胞分泌形成的细胞外基质在特性上有显著的差异。骨细胞、软骨组织和结缔组织细胞外基质的扫描电镜照片左:骨细胞;中:软骨组织;右:结缔组织三、几点说明
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