细胞连接 细胞黏附和细胞外基质 Cell junction,cell adhesion and the extracellular matrix 闫小毅 2015.4
教学网站 http://mlearning.zju.edu.cn/g2s/template/view.aspx?courseid=27337&top MenuId=121000&action=view&type=&name=&menuType=1 教学秘书 : 闫小毅 yanxiaoyi@zju.edu.cn 医学院科研楼 B705 助教 : 孙强 sunqiangzai@126.com 医学院科研楼 B704
细胞黏附 细胞连接 细胞外基质
内容 第一节 第二节 第三节 细胞连接 细胞黏附 细胞外基质
概述 第一节 细胞连接 细胞连接 (cell junction) : 相邻细胞之间 细胞与细胞外 基质之间在质膜接触区域特化形成的连接结构 分布 : 人和动物体内除结缔组织和血液外的各种组织 功能 : 加强细胞间的机械联系, 维持组织结构的完整性和 协调功能
分类 : 根据结构和功能特点分三类 封闭连接 锚定连接 通讯连接 紧密连接黏着连接 : 黏着带 黏着斑桥粒连接 : 桥粒 半桥粒间隙连接化学突触
细胞连接的类型
封闭连接 (occluding junction) 又称紧密连接 (tight junction), 分布于各种上皮细胞和血管内皮细胞, 环 绕每个上皮细胞顶部
电镜下结构两个相邻细胞质膜以断续的点连在一起, 特殊的跨膜蛋白排列形成蛋白质颗粒条索, 交错成网状 紧密连接模式图 电镜下紧密连接结构 紧密连接分子
紧密连接的分子组成 闭合蛋白 (occludin):4 次跨膜蛋白密封蛋白 (claudin):4 次跨膜蛋白连接粘附分子 (JAM): 单次跨膜蛋白 ZO 蛋白 : 细胞内接头蛋白
紧密连接的主要功能 机械连接作用, 将上皮细胞连接成整体的 封闭上皮细胞间隙, 保证组织内环境的稳定 形成上皮细胞质膜蛋白与膜质分子侧向扩散的屏障, 维持上皮细胞的极性
紧密连接的主要功能
锚定连接 (anchoring junction) 锚定连接 : 又称黏着连接 (adhering juction), 是由细胞骨架纤维参与, 将相邻细胞或细胞与细胞外基质连接在一起的装置 分为黏着带 黏着斑 桥粒 半桥粒 4 种类型, 其中黏着带和桥粒介导细胞间的连接 ; 黏着斑和半桥粒介导细胞与细胞外基质之间的连接 分布 : 广泛分布, 如心肌 上皮 子宫颈等 功能 : 增强组织支持 分散和传递作用力, 抵抗机械损伤
参与锚定连接的两类蛋白质 跨膜黏附蛋白 : 一类细胞粘附分子, 其细胞内部分与细胞内接头蛋白连接, 细胞外部分与相邻细胞的跨膜黏附蛋白相连接, 或与细胞外基质蛋白相互作用 细胞内接头蛋白 : 连接跨膜蛋白与细胞骨架
黏着带 (adhesion belt) 分布部位 : 位于上皮细胞顶端紧密连接的下方 跨膜黏着蛋白 : 钙黏素 细胞内接头蛋白 :α β γ 连环蛋白, 黏着斑蛋白 α 辅肌蛋白等 功能 : 使相邻细胞的微丝束通过细胞内锚定蛋白和跨膜黏连蛋白连成广泛的跨膜网, 连接组织为一个坚固的整体
小肠上皮细胞之间黏着带结构模式图
黏着斑 (focal adhesion) 存在部位 : 位于上皮细胞基底部 分子组成 : 穿膜黏着蛋白 : 整合素细胞内接头蛋白 : 踝蛋白, 黏着斑蛋白 α- 辅肌蛋白等 功能 : 介导细胞与细胞外基质的黏着 ; 信号传导功能
黏着斑的结构与功能
桥粒 (desmosome) 桥粒 (desmosome): 与中间纤维相连的锚定连接 分布部位 : 位于上皮细胞黏着带下方, 是相邻细胞接触点上一种类似纽扣状结构 形态特征 : 相邻细胞呈纽扣状铆连结构
桥粒的电镜照片 桥粒结构模式图
分子组成 : 穿膜黏着蛋白 : 钙黏素 ( 桥粒黏蛋白, 桥粒胶蛋白 ) 细胞内接头蛋白 : 桥粒斑珠蛋白, 桥粒斑蛋白 功能 : 形成坚韧 牢固的细胞连接 为整个上皮层提供结构上的连续性和抗张性
半桥粒 (hemidesmosome) 存在部位 : 上皮细胞与基底膜之间 形态结构 : 与桥粒相似
分子组成 : 穿膜黏着蛋白 : 整合素, 与基底膜层黏连蛋白黏附性结合 细胞内接头蛋白 : 网蛋白, 构成胞质斑, 可与细胞内的中间纤维相连 功能 : 把上皮细胞和基底膜连接在一起, 加强上皮组织与结缔组织的连接
通讯连接 communicating junction 通迅连接 : 生物体上大多数组织相邻细胞膜上存在特殊通道, 以实现细胞间电信号和化学信号的通迅联系, 从而完成群体细胞间的合作与协调, 这种连接方式为通迅连接 类型 : 间隙连接与化学突触
间隙连接 (gap junction) 间隙连接是主要的通讯连接方式 广泛分布于各种动物的不同组织中 由多亚基的跨膜蛋白组成, 其基本单位为连接子 ( connexon) 每个连接子由 6 个亚单位组成 相邻细胞膜上的两个连接子对接形成一个间隙连接单位
间隙连接 (gap junction) 9~10nm
化学突触 (chemical synapse) 特点 : 化学突触介导的细胞通讯, 有一个 电信号 - 化学信号 - 电信号 的转换过程, 是一种间接而慢速的信息传递形式 功能 : 可兴奋细胞间的连接方式, 通过释放神经递质来传导神经冲动 存在部位 : 神经细胞之间及神经细胞与肌细胞的接触部位
化学突触模式图
连接类型连接方式主要的跨莫蛋白连接的细胞骨架 细胞 - 细胞紧密连接封闭蛋白 密封蛋白肌动蛋白纤维 粘着带钙粘素肌动蛋白纤维 桥粒钙粘素中间纤维 间隙连接 连接子蛋白 细胞 - 细胞外基质粘着斑整合素肌动蛋白纤维 半桥粒整合素中间纤维
第二节 细胞黏附 细胞黏附 (cell adhesion) 细胞通过黏附分子介导的细胞与细胞或细胞与细胞 外基质之间的黏着 mesoderm cells (green) neural plate cells (blue) epidermal cells (red)
中性粒细胞与内皮细胞的黏附
肿瘤细胞与血管内皮细胞的黏附
细胞黏附分子 细胞黏附分子 (cell adhesion molecular,cam): 是一类广泛存在于细胞膜上的穿膜糖蛋白, 介导细胞之间或细胞与细胞外基质之间相互结合, 并起黏附作用的一类细胞表面分子 根据分子结构特点及作用方式, 可分为四大类 : 整合素 (integrin) 选择素 (selectin) 钙黏素 (cadherin) 免疫球蛋白超家族 (IgSF)
细胞黏附分子的结构 胞外区 (N 端 ): 带有糖链较长, 与配体识别的部位 跨膜区 : 多为一次穿膜的疏水区 胞内区 (C 端 ): 较短, 可与质膜下的细胞骨架成分及与胞内的信号转导分子结合, 介导细胞之间 细胞与细胞外基质之间的黏着
细胞黏附分子介导细胞识别与黏着的方式 趋同性结合 : 相邻细胞表面的同种黏附分子间的相互识别与黏着, 如钙黏素 趋异性结合 : 两相邻细胞表面的不同种黏附分子间的相互识别与黏着, 如选择素和整联蛋白
整合素 (integrin) 整合素是一类依赖于 Ca 2+ 和 Mg 2+ 的异亲性细胞黏附因子, 介导细胞之间以及细胞与细胞外基质间的相互黏着和识别, 具有联系细胞外部因素与细胞骨架的作用 整合素由 α 和 β 两个亚基形成的异二聚体跨膜蛋白,α 和 β 亚基均由胞外区 跨膜区和胞内区三个部分组成
胞外区 : 球状头部区, 是整联蛋白分子与配体结合部位, 可通过自身结构域与含有 Arg-Gly-Asp(RGD) 三肽序列的细胞外基质成分结合, 介导细胞与细胞外基质的黏着 跨膜区 :α 螺旋结构, 连接胞内区和胞外区 胞内区 : 可通过胞内的连接蛋白与细胞内的肌动蛋白丝等细胞骨架成分相互作用
整合素的功能 介导细胞粘着 介导细胞信号的跨莫运输
血小板整合素与纤维蛋白原结合介导血小板的相互黏附
整合素介导的细胞信号转导
钙黏素 (cadherin) 钙黏素是一类依赖于 Ca 2+ 的同亲型细胞黏附分子 至今已鉴定出 30 种以上钙粘素, 主要分为 E- 钙黏着蛋白 N- 钙黏着蛋白 P- 钙黏着蛋白 VE- 钙黏着蛋白等 钙粘素通过不同的连接蛋白质与不同的细胞骨架成分相连
钙黏素的分子结构 单次穿膜蛋白, 由 700~750 个氨基酸残基组成 胞外区常折叠成 5 个重复结构域, 可结合钙离子, 赋予钙黏素分子刚度和强度, 钙离子结合越多, 刚性越强 在质膜中常以同源二聚体的形式存在
钙黏素的功能 介导细胞连接 ( 粘着带 桥粒 ) 和细胞黏附 参与细胞分化和组织器官形成 抑制细胞迁移 黏着带的结构
钙黏素与神经管发育
选择素 (selectin) 选择素 : 是一类依赖于 Ca 2+ 的异亲性细胞黏附分子, 能特异性识别其他细胞表面的寡糖链中的特定糖基 分为三种 : - L- 选择素 - P- 选择素 - E- 选择素等
选择素的分子结构 单次穿膜蛋白, 胞外区由三个独立结构域组成 : N 末端凝集素结构域 : 识别特异糖基, 参与细胞之间选择性黏附的重要活性部位 表皮生长因子样结构域 : 加强分子间黏附 补体结合蛋白结构域 : 参与补体系统调节作用 胞内区 : 可通过锚定蛋白与细胞内微丝结合
选择素的功能 介导淋巴细胞归巢 参与白细胞与血管内皮的黏着, 帮助白细胞进入炎症部位 参与信号转导
免疫球蛋白超家族 (IgSF) 是一类结构中含有类似免疫球蛋白的结构域, 不依 赖于 Ca 2+ 的细胞黏附分子 介导淋巴细胞之间的特异 性相互作用 主要包括 : 神经细胞黏附分子 (N-CAM) 血小板 - 内皮细胞黏附分子 (PE- CAM) 细胞间黏附分子 (I-CAM) 血管细胞黏附分子 (V-CAM)
IgSF 的分子结构 分为胞内区, 跨膜区和胞外区 : 胞外区由一个或多个免疫球蛋 (Ig ) 样结构域组成, 每个 Ig 结域均由 90~110 个氨基酸残基形成密折叠结构, 其间有二硫键相连接
细胞黏附分子及其配体
细胞连接的不同方式
第三节细胞外基质 细胞外基质 (extracellular matrix) 是由细胞分泌到细胞外空间, 由分泌蛋白和多糖组成的精密有序的网络结构 细胞外基质的主要组分 -- 氨基聚糖和蛋白聚糖 - 凝胶样基质 -- 胶原和弹性蛋白 - 纤维网架 -- 非胶原性黏合蛋白 ( 纤连蛋白和层黏连蛋白 )- 黏着成分
胶原纤连蛋白层纤连蛋白蛋白聚糖
二糖单位氨基聚糖 (glycosaminoglycans) 氨基聚糖 : 由重复的二糖单位形成的直链多糖 氨基糖 (N- 乙酰氨基葡萄糖 / 乙酰氨基半乳糖 ) 糖醛酸 ( 葡萄糖醛酸 / 艾杜糖醛酸 ) 硫酸皮肤素 艾杜糖醛酸 N- 乙酰半乳糖 -4- 硫酸
氨基聚糖的分类 根据糖残基的性质 糖 - 肽连接方式和硫酸化数量, 氨基聚糖分为六类 : -- 透明质酸 --4- 硫酸软骨素 透明质酸 --6- 硫酸软骨素 -- 硫酸皮肤素 -- 硫酸乙酰肝素 -- 肝素 -- 硫酸角质素 硫酸软骨素
透明质酸 (Hyaluronic acid) 透明质酸是一种由 D-N- 乙酰氨基葡萄糖和 D- 葡萄糖醛酸为结构单元的高分子粘多糖, 构成人体结缔组织的主要成分, 在体内发挥保水 维持细胞外空间 调节渗透压 润滑 促进细胞修复的重要生理功能
蛋白聚糖 (proteoglycan) 蛋白聚糖 (proteoglycan): 是由氨基聚糖和核心蛋白共价结合形成的高分子量复合物 蛋白聚糖的分子结构
蛋白聚糖的生物合成 木糖半乳糖葡糖醛酸
蛋白聚糖的功能 使组织具有弹性和抗压性 对物质运输的选择性 角膜中蛋白聚糖具有透光性 信号转导作用 抗凝血作用 参与组织发育和衰老
胶原 (collagen) 胶原是动物体内高度特化的纤维蛋白家族, 是体内含量最丰富的蛋白质 分布 : 各种组织和器官, 主要存在于结蹄组织 合成和分泌 : 由成纤维细胞 成骨细胞 软骨细胞
胶原的分子结构 胶原分子由三条多肽链形成 3 股螺旋结构富含甘氨酸 脯氨酸 羟脯氨酸, 主要由 Gly-X-Y 重复序列组成 Gly: 甘氨酸 ; X: 脯氨酸 ; Y: 羟脯氨酸
胶原的合成
弹性蛋白 弹性蛋白 : 是高度疏水的非糖基化纤维蛋白, 富含脯氨酸和甘氨酸, 很少羟基化 肽链不含 Gly-X-Y 重复序列, 呈无规则的卷曲
非胶原性黏合蛋白 共同特点 : 既可以与细胞结合, 又可以和细胞外基质中其他大分子结合, 从而使细胞与细胞外基质黏着 分为两类 -- 纤连蛋白 (fibronectin,fn) -- 层黏连蛋白 (laminin,ln)
纤连蛋白 (fibronectin) 纤连蛋白的分子结构
纤连蛋白的功能 血浆纤粘连蛋白参与血凝 创伤愈合 介导细胞与细胞外基质之间粘着 维持细胞形态, 调控增殖, 迁移, 分化等 neural crest cells migration mouse embryonic salivary gland
层黏连蛋白 (Laminin) 层黏连蛋白是胚胎发育过程中最早出现的细胞外成分, 也 是基底膜的主要组分 层黏连蛋白由 α β γ 三条肽链组成, 呈不对称的 十 字形结构
层粘连蛋白的功能 基底膜主要成分 RGD 三肽序列黏附细胞 调节细胞粘附 迁移 增殖分化
基底膜 basement membrane 基底膜是特化的细胞外基质, 为一薄而坚韧的网膜, 位于上皮细胞和内皮细胞的基底部, 或包绕在肌细胞 脂肪细胞 神经鞘细胞周围, 将细胞和结缔组织分开
基底膜的结构和分子组成 基底膜主要由胶原 层黏连蛋白 内联蛋白 及渗滤素组成
基底膜的生物学功能 分子滤筛肾小球基底膜阻挡血液中细胞和蛋白质进入血液中 细胞筛选分隔上皮组织和结缔组织 组织再生组织损伤后, 为再生细胞提供支架, 便于其迁移 细胞引导引导细胞迁移
课堂测试题 整合素参与的细胞连接方式是 ( ) A. Tight junction B. Focal Adhesion C. Gap junction D. Desmosome