哪里能看黄细胞生物学之笔记--第11章 细胞外基质及其细胞的相互作用

2021年2月6日发(作者：四个肾)
第十一章

细胞外基质及其细胞的相互作用

定义：细胞外基质
extracellular matrix, ECM
是细胞分泌到细胞外空间的分泌蛋白和多糖构成的

精密有序的网状结构

分类：构成细胞外基质的大分子种类繁多，大致分为三类：

①氨基聚糖与蛋白聚糖；②胶原和弹性蛋白；③非胶原性黏合蛋白：纤连蛋白和层粘连蛋白

第一节

细胞外基质的主要组成成分

·从结构表现形式上，细胞外 基质主要由①凝胶样基质（氨基聚糖、蛋白聚糖）和②纤维网架
（胶原、弹性蛋白）构成，③起黏着作用 ：纤连蛋白、层粘连蛋白

·分布：细胞外基质含量因组织种类而不同，上皮、肌组织、脑等含 量较少；结缔组织中细胞
外基质含量最大

一、糖胺聚糖
glycosaminoglycan, GAG
与蛋白聚糖
proteoglycan, PG
GAG
与
P G
是一些高分子量的含糖化合物，构成细胞外高度亲水的凝胶，赋予组织良好的弹性
和抗压性< br>
（一）糖胺聚糖是由重复的二糖单位（氨基乙糖
/
糖醛酸）构成的直链多糖


因糖残基上有羧基，故氨基聚糖呈强负电性

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

HA
CS
DS
HS

KS
Hyaluroinc acid
结缔组织、皮肤、软骨、滑液、玻
璃体

皮肤、血管、心瓣膜、韧带

肺、动脉、细胞表面

肺、肝、皮肤、肥大细胞

软骨、角膜、椎间盘

硫酸化

×

√

√

√

√

√

Chondroitin sulfate
软骨、角膜、骨、皮肤、动脉

Dermatan sulfate
Heparan sulfate
heparin
Keratan sulfate
HA
：透明质酸是氨基 聚糖中结构最简单的一种，其二糖单位是
N-
乙酰氨基葡萄糖和葡萄糖醛
酸。透明质酸 的糖醛酸的羧基带有大量负电荷，其相斥作用使整个分子伸展膨胀，占据很大的
空间，一个透明质酸分子 可以占据
1000
倍于自身分子的空间，有良好的弹性和抗压性，
HA
在组织创伤、早期胚胎中尤为丰富，促进细胞迁移和增殖；是胚胎发育早期的空间填充物，用于
定形， 如心脏形成；作为关节液的重要成分，有润滑作用。任务完成后，可被透明质酸酶降解

（二）蛋白聚糖是由糖胺聚糖和核心蛋白共价结合形成的高分子量复合物

定义：蛋白聚糖

proteoglycan, PG
是由氨基聚糖（透明质 酸除外）与核心蛋白共价形成的高分
子复合物，是含糖量极高的糖蛋白。其分子量大，含糖量高，可达分 子量的
95%
1.
蛋白聚糖的分子结构

核心蛋白为单链多肽，< br>一条核心蛋白分子上可连接
1~100
条以上氨基聚糖

（相同或不同的氨基
聚糖）
，形成蛋白聚糖单体。

若干个蛋白聚糖单体通过连接蛋白

linker protein
，以非共价键与透明质酸结合，形成蛋白聚糖
多聚体

2.
蛋白聚糖的合成与装配

核心蛋白在粗面内质网核糖体上合成，在内质网腔中装配上直链多糖——蛋白聚糖单体

装配时，首先一个
专一的四糖
(-
木糖
-
半乳糖
-
半乳糖
-
葡萄糖醛酸
-)
(Xyl-Gal-Gal- GlcUA)

结合到

核心蛋白的丝氨酸残基上；然后在
糖基转移 酶
作用下，一个个糖基依次加上，形成氨基聚糖糖
链

蛋白聚糖的显著特点——多态性：核心蛋白氨基酸序列不同、糖链长度和成分不同

蛋白聚糖主要根据其二糖单位命名


有些蛋白聚糖是质膜的整合蛋白，如连接素

syndecan
，存在于成纤维细胞和上皮细胞质膜中

（三）糖胺聚糖与蛋白聚糖的功能

1.
使组织具有弹性和抗压性

2.
对物质转运有选择渗透性

糖基纵横交错、高度亲水、具有负电性，构成 高度水化孔胶样物；孔的大小和电荷密度，可调
节对分子、细胞的通透性，具有分子筛的作用；如肾小球 基底膜硫酸软骨素
,CS
蛋白聚糖对原
尿的生成具有筛滤作用

3.
角膜中蛋白聚糖具有透光性

硫酸软骨素
CS
、硫酸角 质素
KS
高度硫酸化，使基质脱水变得致密；阻止血管的形成，使角膜
柔软、具有透光 性；角质化亦有保护作用

4.
糖胺聚糖具有抗凝血的作用

肝素蛋白聚糖
+
抗凝血酶
=
抑制凝血因子的作用

5.
细胞表面的蛋白聚糖有传递信息作用

如

连接素

的作用

6.
糖胺聚糖和蛋白聚糖与组织老化有关

胚胎发育期，透明质酸合成旺盛， 胎儿皮肤中的透明质酸
HA
和硫酸软骨素
CS
含量是成人
20
倍；随年龄增大逐渐减少，逐渐被硫酸皮肤素
DS
所取代

关节软骨中的蛋 白聚糖随年龄增加逐渐减少，硫酸软骨素
CS
被硫酸角质素
KS
逐渐取代
随个体衰老，蛋白聚糖的糖链比例下降，组织的保水性及弹性减弱

氨基聚糖的阴离子可结合钙离子，在组织的钙化、尤其是骨盐的沉积中起重要作用

（四）糖胺聚糖和蛋白聚糖与疾病

蛋白聚糖的降解可在一系列细胞外酶或溶酶体酶催化下进行

基因突变引起的缺乏降解 氨基聚糖的酶
(
如糖苷酶、硫酸酯酶
)
，将导致氨基聚糖、蛋白聚糖、
或降解中间产物的内堆积，形成黏多糖累积病

mucopolysaccharidoses
，如

Hunter
综合症

动脉粥样硬化患者的血管内皮细胞表面硫酸乙酰肝素< br>HS
、硫酸软骨素
CS
含量下降，硫酸皮肤
素
DS
蛋 白聚糖含量升高，容易与低密度脂蛋白结合，导致脂类的血管壁沉积

氨基聚糖变化、蛋白聚糖 异常表达，对肿瘤的发生、发展、转移有重要意义；一些肿瘤的透明
质酸、硫酸软骨素增多，抑制细胞分 化，有利于细胞迁移、增殖

许多癌组织硫酸乙酰肝素硫酸化程度下降，为肿瘤增殖、脱落、侵袭、转移提供了条件

二、胶原与弹性蛋白

（一）胶原是细胞外基质的骨架

胶原
collagen
是动物体内高度特化的纤维蛋白家族，是人体含量
最丰富
的蛋白质 ，占蛋白总量
的

25%~30%
胶原遍布于各种器官和组织，在结缔组织中含量最丰富，是细胞外基质的框架结构

胶原由成纤维细胞、软骨细胞、成骨细胞、某些上皮细胞合成并分泌到细胞外

1.
胶原的分子结构

胶原分子为三股螺旋
(triple hel ix)
结构，
3
条
α
多肽链盘绕而成，长
300nm
，直径
1.5nm
人类

每条肽链约
1050 aa
，其中
Gly
（甘氨酸）占
1/3
，同时富含

Pro
（脯氨酸）和
Lys
（赖氨
酸）
，这
2
种 氨基酸经常羟基化形成
Hypro
和
Hylys
，
Lys
选择性糖基化

肽链中的氨基酸组成规律的三肽重复序列
Gly-X-Y，
X
多为
Pro
，其环状结构稳定
α
螺旋构象；
Y
可为任一氨基酸，
多为
Hy-pro
或
Hy-lys
； 甘氨酸
(Gly)
是最小氨基酸，
使肽链卷曲成规律的
α
-
螺旋，适于在紧密的三股螺旋中心

肽链的羟基化与糖基化使肽链交联，形成稳定的
3
α
-
螺旋结构

2.
胶原的类型

α链是胶原的基本亚单位，
目前已发现
25
种不同的
α
链，
26
种胶原；
不同的
α
链以不同方式

组
合成不同类型的胶原

每型胶原由
3
条相同或不同的
α
链构成，

I
型胶原

异源三聚体

[
α
1
(I)]
2
[
α
2
(I)]
肌腱、皮肤、
很强的抗
骨、韧带

张强度

软骨


诱导

成纤维细
胞

软骨细胞


II
型胶原

III
型胶原

同源三聚体

同源三聚体

[
α
1
(II)]
3

[
α
1
(III)
]3

皮肤、肌肉、结缔组织在
血管壁和各种软组织或器
官间质形成微细的纤维网


基底膜

形成

二维网络
样结构

IV
型胶原


异源三聚体

[
α
1
(IV)]
2
[
α
2
(IV)]
上皮细胞

3.
胶原的合成装配与降解

·分泌细胞：胶原由结缔组织的成纤维细胞、间 充质来源的成骨细胞、成软骨细胞、各种上皮
细胞、牙本质细胞、神经组织的雪旺氏细胞等合成分泌
·胶原分子的基因很大，约
30~40kb
；人
α
1
(I)
链的基因含
51
个外显子，多数外显子由
54
个或
5 4
倍数个核苷酸组成；
推测

I
、

II
、

III
型胶原

α
链的基因是由编码
54
个核苷酸的原始基因

复
制演化而来；

IV
型胶原跟前三者差别较大

（
1
）胶原在细胞内的合成

胶原的合成、组装始于内质网，在高尔基体进行修饰，最后在细胞外组装成胶原纤维

①细胞核内：
α
链的基因转录成
hnRNA
（不均一核
RNA
）
，经过剪接、加工形成
mRNA
②粗面内质网：表面的核糖体上翻译成前体肽链 ；进入内质网腔，切去信号肽，然后在肽链两
端加上前肽，形成前
α
链
(pr o-
α

chains)
；

③粗面内质网腔：前
α
链

中的
Pro
和
Lys
被羟化成

Hypro和
Hylys
；
3
条前
α
链

C端前肽形
成二硫键交联，使
3
条前
α
链对齐，从
C端向
N
端聚合成带前肽的三股螺旋结构——前胶原

procollagen
④高尔基体：前胶原分子囊泡运进高尔基体，进一步加工修饰，被包入分泌小泡，分泌到

细胞
外

（
2
）胶原在细胞外的装配

在 分泌过程中，前胶原分子一旦暴露于细胞外，就被前肽酶切去
N
端、
C
端的前 肽序列，形成
直径
1.5nm
，长
300nm
的原胶原分子

collagen molecule
原胶原分子在细胞外进一步按

相邻分子相错
1/4
长度
(
约
67nm)
，前后分子首尾相隔

35nm
自
我装配成明暗相间、直径
10~30nm
的胶原原纤维

collagen fibril
细胞外基质中，
胶原原纤维

常聚集成束，
形成直径数微米、
光镜下可见的胶原纤维

collagen fiber
前
α
链→
3
前
α
链→前胶原→原胶原分子→胶原原纤维→胶原纤维








（
3
）胶原的降解

·胶原的更新 转换很慢，成年人骨中的胶原分子，半衰期达
10
年；一般的蛋白质半衰期为数小
时或 数天

·胶原分子可被胶原酶
collagenase
降解，胶原酶的活化与 抑制对胶原的转换率具有重要作用

①活化胶原酶：创伤组织、癌变组织胶原酶活性↑；蛋白酶 、纤溶酶活化胶原酶；糖皮质激素
诱导合成胶原酶

②抑制胶原酶：结缔组织合成胶原酶抑制剂；雌二醇、黄体酮抑制子宫胶原降解

4.
胶原的功能

（
1
）胶原在不同组织中行驶不同的功能

·皮下结缔组织中，抵抗拉力；肌腱很强韧性，承受巨大拉力；

·骨、角膜胶原呈胶合板样多片层，透明而又有一定强度；

·
III
型胶原纤维网，包绕腺泡、肌肉；

·
IV
型胶原基底膜网架结构

胶原与细胞外基质各种成分结合，组织细胞外基质，结合细胞表面受体，连接组织、器官

（
2
）胶原与细胞的增殖分化有关

人体细胞绝大多数是

贴附依赖性细胞，胶原为主的细胞外基质为细胞的增殖起刺激促进作用

胶原能诱导细 胞分化，在不同胶原上，干细胞被诱导成不同类型细胞：
I
型胶原：成纤维细胞、
II
型胶原：软骨细胞、
IV
型胶原：上皮细胞

（
3
）哺乳动物在发育的不同阶段表达不同类型的胶原

·胎儿皮肤 表达大量Ⅲ型胶原，渐被
I
型胶原取代；皮肤损伤，Ⅲ型胶原含量上升

·成熟组织胶原稳定，在炎症和创伤修复时，胶原表达呈现胚胎特点：