第4章细胞环境与互作.ppt

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1、第四章 细胞环境与互作,第一节 细胞外被第二节 细胞外基质第三节 细胞连接,细胞表面：是指包围在细胞质外层的一个复合的结构体系和多功能体系，是细胞与外界环境物质相互作用、并产生各种复杂功能的部位。细胞外被质膜膜骨架广义：包括细胞连接和膜的特化结构如鞭毛、纤毛和微绒毛等,第一节、细胞外被,又称糖萼（glycocalyx)，细胞膜外表面覆盖的一层粘多糖物质，普遍存在于动物细胞表面。,用钌红染色的淋巴细胞表面电镜,细胞被,细胞外被参与细胞与环境的相互作用，如细胞与环境的物质交换，细胞增殖的接触抑制，细胞识别等。,第二节、细胞外基质,细胞外基质(extracellular matrix)：分布于细胞外

2、空间，由细胞分泌的蛋白质和多糖所构成的网络胶体结构体系。,只存在于动物组织中，结缔组织中含量最多。植物细胞的细胞壁相当于植物体中的细胞外基质。,The connective tissue underlying an epithelium.This tissue contains a variety of cells and extracellular matrix components.The predominant cell type is the fibroblast,which secretes abundant extracellular matrix.,种类多糖：糖胺聚糖、蛋白聚糖粘

3、合/结构蛋白：胶原、弹性蛋白质黏着蛋白：层黏连蛋白质、纤连蛋白,1、糖胺聚糖及蛋白聚糖,1）、氨基聚糖（glycosaminoglycan，GAG，糖胺聚糖）结构：GAG是重复二糖单位构成的无分枝长链多糖。二糖单位通常由氨基已糖和糖醛酸组成。分为六种：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。,Repeating disaccharide units of various glycosaminoglycans,透明质酸,1、由葡萄糖醛酸+N-乙酰氨基葡萄糖 二糖重复合成，直 链，非硫酸化2、分子量大（含几千个二糖单位）3、表面带负电荷，伸展、胶体状4、抗压性、润滑作用5

4、、含水多孔，利于迁移,分布：所有结缔组织和细胞外基质及许多细胞表面。构成：氨基聚糖与核心蛋白的丝氨酸残基共价连接形成的巨分子。含糖量可达90-95%。核心蛋白质的Ser残基在高尔基体中装配上GAG链。首先合成由四糖组成的连接桥（Xyl-Gal-Gal-GlcUA）连接到Ser残基上，然后再延长糖链。一个核心蛋白质上可连接数百个不同的氨基聚糖形成蛋白聚糖单体，多个单体借连接蛋白以非共价键与透明质酸结合形成多聚体。,2）、蛋白聚糖 proteoglycan,木糖,A Proteoglycan Complex.,D-glucuronic acid N-Acetyl-D-galactosamine,G

5、AG与的功能1、弹性和抗压性2、选择渗透性3、传递信息4、角膜的透光性5、抗凝血,跨膜蛋白聚糖分子结构模式图,、胶原和弹性蛋白,1）、胶原Collagen组成：由原胶原交联而成，原胶原是三条肽链形成的三股螺旋，原胶原的每条链由重复的Gly-X-Y序列构成。X=pro，Y=hyp 或 hyl，Gly-X-Y序列使链卷曲为左手螺旋。三股链再绕成右手超螺旋。,collagenstructure,Structures of the collagen,交联：原胶原间共价交联，呈阶梯状排列（1/4交替平行排列），形成胶原纤维，在电镜下可见间隔67nm的横纹。交联键是由侧向相邻的赖氨酸或羟赖氨酸残基氧化后所

6、产生的两个醛基间进行缩合而形成的。,TEM image of collagen,原胶原共价交联后成为具有抗张强度的不溶性胶原。胚胎及新生儿的胶原因缺乏分子间的交联而易于抽提。随年龄增长，交联日益增多，组织僵硬老化。合成：由成纤维细胞、软骨细胞、成骨细胞、上皮细胞分泌。类型：已发现20多种胶原，由不同的结构基因编码。I、II、III、V、XI型胶原为有横纹的纤维形结构。是人体最丰富的蛋白，占蛋白总量的30以上。功能：具抗张性、韧性。参与形成结缔组织，如骨、韧带、基膜、皮肤。参与细胞运动、分化、迁移等。,2）、弹性蛋白,非糖基化纤维蛋白富含甘氨酸、脯氨酸，少羟基化不含 Gly-X-Y 序列，为不规

7、则螺旋结构使组织具有弹性、回缩力,3、纤连蛋白和层黏连蛋白,是细胞外基质中的粘着成分，具有与细胞及细胞外其它成分结合能力，对细胞的粘着、铺展、迁移、增殖、分化有直接的影响,1）、纤连蛋白 Fibronectin（FN）,类型：血浆FN：V字形二聚体，可溶，存在于血浆、体液。细胞FN：多聚体，不溶，存在于ECM及细胞表面。已鉴定的FN亚单位20种以上。由同一基因编码，转录后拼接不同，形成多种异型分子。结构：含糖4.59.5。每条FN有57个有特定功能的结构域，如RGD,纤连蛋白结构（二聚体）,组装：FN不自发组装成纤维，通过细胞表面受体指导下进行。肿瘤细胞表面的FN纤维减少，因细胞表面的FN受体

8、异常所致。功能：FN可将细胞连接到ECM上；FN上的RGD（Arg-Gly-Asp）序列可与细胞表面的整联蛋白结合。人工合成的RGD三肽可抑制细胞在FN基质上粘附。,Fibronectin helps connect the inside of the cell to the outside,2）、层黏连蛋白 laminin(LN),结构：由三条肽链借二硫键交联成十字形分子。已知7种LN分子，8种亚单位（1-3、1-3、1-2）。与FN不同，这8种亚单位由不同基因编码。含糖量很高（15-28），具有50条左右N-连接的糖链。功能：参与构成基膜，是胚胎发育中出现最早的细胞外基质成分。,Lamin

9、in Structure,Basal lamina,第三节细胞连接,封闭连接锚定连接通讯连接细胞黏着分子,细胞连接（Cell Junction）多细胞有机体中相邻细胞之间、细胞与胞外基质之间通过细胞质膜相互联系、协同作用的重要组织方式。依功能可分为三类：封闭连接（occluding junction)锚定连接（anchoring junction）通讯连接（communicating junction）,一、封闭连接,封闭连接将上皮细胞缝合在一起（seal cells together），阻止物质从一侧渗漏到另一侧。紧密连接(tight junction)为封闭连接的典型代表，一般存在于脊椎动

10、物上皮细胞之间。,The role of tight junctions in transcellular transport.,上皮细胞层都有一个共同的功能：即作为一个有选择通透性的屏障，如小肠上皮。封闭连接形成上皮层的选择通透性屏障（selective permeability barriers）。,每一个紧密连接由成串排列的跨膜蛋白组成。在相邻细胞间，这些蛋白的细胞外结构域直接结合在一起，封闭细胞间的空隙。使得相邻细胞之间的质膜紧密结合，没有缝隙，防止溶液中的分子沿细胞间隙渗入体内。主要的紧密连接跨膜蛋白有：claudin和occludin,在冷冻蚀刻电镜下，紧密连接区域形成蛋白质焊接线

11、的网络，也称嵴线（sealing strand）,无脊椎动物上皮细胞的封闭连接称为间壁连接（septate junctions）。连接蛋白呈梯子状排列，形状非常规则。,二、锚定连接,锚定连接将细胞骨架系统与相邻细胞的骨架系统或与胞外基质相连，而形成一个坚挺、有序的细胞群体。锚定连接在机体内分布广泛，在上皮组织、心肌和子宫颈等组织中含量尤其丰富。锚定连接主要由两类蛋白组成：Intracellular anchor proteins 和Transmembrane adhesion proteins,在功能上，锚定连接有两种形式adhesion belt（粘着带）and desmosomes（桥粒）

12、细胞与细胞间跨膜粘合分子属于 cadherin Focal adhesions（粘着斑）and hemidesmosomes（半桥粒）细胞与胞外基质间跨膜粘合分子属于 integrin在质膜内侧，粘着带、粘着斑是肌动蛋白纤维（actin filaments）的连接点；而桥粒和半桥粒是中间纤维（intermediate filaments）的连接点。,粘着带（adhesion belt)呈带状环绕细胞，位于紧密连接下方。相邻细胞间的粘合分子为E-钙粘素。质膜内侧有多种附着蛋白形成的致密斑。连接的细胞骨架成分为actin。,Its most obvious feature is a contrac

13、tile bundle of actin filaments running along the cytoplasmic surface of the junctional plasma membrane.These anchor proteins include-catenin,-catenin,-catenin(also called plakoglobin),-actinin,and vinculin.,桥粒（desmosome)呈钮扣状铆接相邻细胞。粘合分子为E-钙粘素。质膜内侧有多种附着蛋白形成的致密斑（dense plaque）。连接的细胞骨架成分为keratin。,粘着斑（foc

14、al adhesion)细胞与胞外基质间。粘合分子为整联蛋白。肌动蛋白纤维通过多种附着蛋白和整联蛋白连接。,actin(green),vinculin(red).,Hemidesmosome TEM,半桥粒（Hemidesmosomes）：上皮细胞基面与基膜之间存在的桥粒结构，但只在细胞中形成桥粒斑结构，另一侧为基膜。基膜：上皮细胞基面与结缔组织之间有一层由细胞外基质组成的特化结构。,Keratin filaments,三、通讯连接,间隙连接：存在于动物组织中化学突触胞间连丝：植物细胞间特有的连接,间隙连接（gap junction）存在于大多数动物组织。连接处有24nm的缝隙。基本单位称连接

15、子（connexon），由6个相同或相似的跨膜蛋白亚单位（connexins）环绕而成。,注射染料证明间隙连接可允许分子量小于1.0KD的分子通过，但通透性是可调节的。功能：协调细胞代谢电兴奋传导：神经末梢间的间隙连接称为电紧张突触（electrotonic synapses）。影响细胞分化,Gap junctions as seen in the electron microscope.(A)Thin-section and(B)freeze-fracture electron micrographs of a large and a small gap junction between f

16、ibroblasts in culture.In(B),each gap junction is seen as a cluster of homogeneous intramembrane particles associated exclusively with the cytoplasmic fracture face(P face)of the plasma membrane.Each intramembrane particle corresponds to a connexon.,胞间连丝（plasmodesmata）穿越细胞壁，由相邻植物细胞的细胞膜共同构成，直径约2040nm。

17、中央有SER形成的连丝小管（由光面内质网特化而成，管两端各与一个细胞中的内质网相连）。功能上与动物细胞间的间隙连接类似。允许分子量小于800Da的分子通过，在相邻细胞间起通讯作用。通透性可调节。某些植物病毒能制造特殊的蛋白质，使胞间连丝的有效孔径扩大。,化学突触（synapse）是存在于可兴奋细胞间的一种连接方式，其作用是通过释放神经递质来传导兴奋。由突触前膜、突触后膜、突触间隙三部分组成。突触前神经元的突起末梢膨大呈球形，称突触小体。突触小体内有突触小泡，内含神经递质。,A summary of the various cell junctions found in a vertebrate

18、 epithelial cell.The drawing is based on epithelial cells of the small intestine.,各类连接的比较,四、细胞粘附分子（Cell Adhesion Molecule，CAM）,CAM介导细胞与细胞间及细胞与ECM间的粘连。为糖蛋白，均为整合膜蛋白，分子结构由三部分组成：胞外区，N端部分，负责与配体识别；跨膜区，多为单次跨膜；胞质区，C端部分，与质膜下的骨架成分直接相连，或与胞内的信号分子相连。,多数细胞粘附分子依赖二价阳离子，如Ca2，Mg2。细胞粘附分子的作用机制有三种模式：亲同性粘附；亲异性粘附；通过胞外连接分子

19、相互识别与结合。,1、钙粘蛋白（Cadherin）,亲同性CAM，依赖Ca2。胞外部分形成5个结构域，均含Ca2结合部位。作用：介导细胞连接：如E-钙粘蛋白。参与细胞分化：决定胚胎细胞间的粘附，影响细胞分化。抑制细胞迁移：,哺乳动物细胞表面的主要钙粘素分子,2、选择素（Selectin）,选择素属亲异性CAM；作用依赖于Ca2；参与白细胞与脉管内皮细胞之间的识别与粘合；已知选择素有三种：L选择素、E选择素及P选择素。P选择素贮存于血小板及内皮细胞；E选择素存在于活化的血管内皮细胞表面；L选择素广泛存在于各种白细胞的表面。,SELECTINS,Endothelial,Leukocytes,Pla

20、telets,3、免疫球蛋白超家族（Ig-superfamily）,Ig-SF包括分子结构中含有免疫球蛋白（Ig）样结构域的所有分子，免疫球蛋白样结构域指借二硫键维系的两组反向平行的折叠结构。一般不依赖于Ca2，包括亲同性或亲异性CAMN-CAM存在于神经细胞。Pe-CAM存在于血小板及大多数免疫细胞。I-CAM及V-CAM在活化的血管内皮细胞表达。,4、整联蛋白（integrin）,多为亲异性细胞粘附分子。作用依赖于Ca2。是（已发现16种）（已发现8种）亚单位形成异二聚体（22种）。含1的整合素主要介导细胞与ECM之间的粘附。含2的整合素主要介导细胞间的相互作用。含3亚单位的整合素介导血小板聚集，参与血栓形成。64整合素以层粘连蛋白为配体，参与形成半桥粒。,subunit binds RGD domain on fibronectin subunit binds calcium Ca2+necessary for substrate binding,Hemidesmosomes,Keratin filaments,思考题：,名词解释 细胞表面、细胞连接、紧密连接、锚定连接、粘着斑、桥粒、间隙连接、细胞外基质、蛋白聚糖、纤粘连蛋白、层粘连蛋白问答题1、细胞表面的结构与功能2、何谓细胞外基质？其化学组成如何？有何主要功能？,