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細胞生物學/細胞外基質的主要組成成分

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細胞微環境及其與細胞的相互作用 - 細胞微環境的組成 - 細胞外基質的主要組成成分 - 細胞微環境與細胞間的相互作用 - 細胞微環境異常與疾病
細胞外基質是目前了解較清楚的細胞微環境的重要組成成分。構成細胞外基質的大分子種類繁多,大致可分為三類:①糖胺聚糖與蛋白聚糖;②膠原和彈性蛋白;③非膠原糖蛋白:纖連蛋白和層粘連蛋白。
細胞外基質從結構表現形式上看,主要由凝膠樣基質和纖維網架構成。糖胺聚糖與蛋白聚糖構成凝膠樣基質,纖維網架由起結構作用的膠原和彈性蛋白,以及起黏著作用的纖連蛋白和層粘連蛋白構成。
在動物組織中,細胞外基質的含量因組織種類不同而異,上皮組織、肌組織及腦與脊髓中的細胞外基質含批較少,而結締組織中細胞外基質含量最大。細胞外基質的組分及組裝形式由所產生的細胞決定,並與組織的特殊功能需要相適應。例如, 角膜的細胞外基質為透明柔軟的片層,肌腿則堅韌如繩索。細胞外基質不僅靜態地發揮支持、連接、保水、保護等物理作用,而且動態地對細胞行為產生全方位的影響。

糖胺聚糖與蛋白聚糖[編輯]

糖胺聚糖(glycosaminoglycan, GAG)與蛋白聚糖(proteoglycan, PG)是一些高分子量的含糖化合物,它們構成細胞外高度親水性的凝膠,賦予組織具有良好的彈性和抗壓性。

糖胺聚糖是由重複的二糖單位構成的直鏈多糖[編輯]

糖胺聚糖是由重複的二糖單位構成的直鏈多糖,過去稱為黏多糖(mucopolysaccharide)。其二糖單位之一是氨基已糖(N-乙醯氨基葡萄糖或N-乙醯氨基半乳糖),故又稱氨基聚糖;二糖單位中另一個糖殘基多為糖醛酸(葡萄糖醛酸或艾杜糖醛酸)。因糖殘基上通常帶有硫酸基團或狻基,因此糖胺聚糖帶有大量負電荷。
根據糖殘基的性質、連接方式、硫酸化數量和存在的部位,糖胺聚糖可分為六種:①透明質酸(hyaluronic acid, HA);②硫酸軟骨素(chondroitin sulfate, CS);③硫酸皮膚素(dermatan sulfate, DS);④硫酸乙醯肝素(heparan sulfate, HS);⑤肝素(heparin);⑥硫酸角質素(keratan sulfate, KS)。
透明質酸(HA)是糖胺聚糖中結構最簡單的一種,整個分子全部由葡萄糖醛酸和N-乙醯氨基葡萄糖二糖單位重複排列構成,不發生硫酸化。二糖單位有5000~25000個不等。由於透明質酸分子表面糖醛酸的羧基帶有大量的負電荷,其相斥作用使整個分子伸展膨脹佔據很大的空間;其表面的大量親水基團,可結合大量水分子,使基質等滲性水腫,因而即使濃度很低,也能形成黏稠的膠體。如果沒有約束,一個透明質酸分子可以佔據1000倍於其自身分子的空間。當處於有限空間時可產生膨脹壓,賦予組織具有良好的彈性和抗壓性。
透明質酸是一種重要的糖胺聚糖,在胚胎發育早期和組織創傷修復時,細胞大量分泌透明質酸,促進細胞遷移和增殖。任務完成後,可被透明質酸酶(hyaluronidase)降解。

蛋白聚糖是由糖胺聚糖和核心蛋白共價結合形成的高分子量複合物[編輯]

1、蛋白聚糖的分子結構 蛋白聚糖是由糖胺聚糖(除透明質酸外)與核心蛋白(core protein)共價結合形成的高分子量複合物,是一種含糖量極高的糖蛋白(含糖量可達分子總重量的90%~95%)。核心蛋白為單鏈多肽,一條核心蛋白分子上可以連接1~100條以上相同或者不同的糖胺聚糖(糖鏈較短,一般在300個糖基以下),形成蛋白聚糖單體。若干個蛋白聚糖單體通過連接蛋白(linker protein)以非共價鍵與透明質酸結合形成蛋白聚糖多聚體。
軟骨中的蛋白聚糖複合體是已知的最巨大分子之一,它的糖胺聚糖為硫酸軟骨素和硫酸角質素,每個複合體相對分子量高達數百萬,長達幾個微米。這些蛋白聚糖賦予軟骨凝膠樣特性和抗變形能力。
2、蛋白聚糖的合成與裝配 蛋白聚糖的核心蛋白肽鏈在糙面內質網核糖體上合成,多糖側鏈裝配到核心蛋白上是在高爾基複合體中進行的。在裝配時,首先是一個專一的連接四糖:木糖-半乳糖-半乳糖-葡萄糖醛酸(Xyl-Gal-Gal-GlcUA)與核心蛋白的絲氨酸殘基共價結合,在絲氨酸所處的肽鏈部位具有專一的構象,可被識別。然後在糖基轉移酶(glycosyltransferases) 的作用下,一個個糖基依次添加上去,形成了糖胺聚糖糖鏈。
蛋白聚糖的一個顯著特點是其多態性,可以含有不同胺基酸序列的核心蛋白,以及長度和成分不同的多糖鏈。每種蛋白聚糖都有其特有的結構,其功能由各自的核心蛋白和糖胺聚糖所決定。
蛋白聚糖並不都是細胞外基質成分,有的也是質膜的整合成分,如成纖維細胞和上皮細胞表面的黏結蛋白聚糖(syndecan),其核心蛋白以穿膜糖蛋白的方式嵌入質膜的脂雙分子層中,胞外區連有硫酸軟骨素和硫酸類肝素GAG糖鏈,可以與細胞外基質的膠原、纖連蛋白以及信號分子結合,胞內區肽段可與膜下細胞骨架及細胞皮層內的信號蛋白分子相互作用,既可介導細胞與細胞外基質結合,又可使細胞內外信息相通。

糖胺聚糖與蛋白聚糖的功能[編輯]

糖胺聚糖和蛋白聚糖普遍存在於動物體內各種組織中,在結締組織中含量最高。其功能主要有以下幾個方面:

  1. 使組織具有彈性和抗壓性 糖胺聚糖和蛋白聚糖構成了細胞外高度水合的凝膠狀基質,使組織具有滲透壓和膨脹壓,有抗張、反彈、抗機械壓力的緩衝作用。在維待組織的形態,防止機械損傷中起重要作用。軟骨中的蛋白聚糖巨大複合體,賦予軟骨具有良好的彈性和抗壓性。
  2. 對物質轉運有選擇滲透性 由於糖基的高度親水性和負電性,使糖鏈挺直交錯,構成高度水化孔膠樣物,孔的大小和電荷密度可調節對分子及細胞的通透性,具有分子篩的作用。水、離子和各種營養性小分子、代謝物、激素、維生素和細胞因子等可選擇性滲透。腎小球基膜中的硫酸軟骨素蛋白聚糖對於原尿的生成即具有篩濾作用。
  3. 角膜中蛋白聚糖具有透光性角膜中主要含硫酸軟骨素和硫酸角質素,由於高度硫酸化,使基質脫水變得緻密,阻止血管的形成,使角膜柔軟並具有透光性,同時角質化具有保護作用。
  4. 糖胺聚糖有抗凝血作用肝素蛋白聚糖可與某些凝血因子結合而具有抗凝血作用,肝素蛋白聚糖常以單體形式存在,由靠近血管的肥大細胞分泌產生,並貯存於肥大細胞的顆粒中,當受到刺激時釋放入血液,與抗凝血酶相結合,抑制凝血因子的作用,具有抗凝血功能。
  5. 細胞表面的蛋白聚糖有傳遞信息作用 在成纖維細胞和表皮細胞質膜內的黏結蛋白聚糖(syndecan-1)其胞外區硫酸乙醯肝素蛋白聚糖可與多種細胞外基質蛋白、生長因子等信號分子結合,將細胞外信號傳遞到細胞內引起細胞內生物學效應。
  6. 糖胺聚糖和蛋白聚糖與組織老化有關 糖胺聚糖和蛋白聚糖的種類和數楹隨年齡而變動,與發育過程中組織的功能相適應。如在胚胎發育早期,透明質酸生成特別旺盛,它促進細胞增殖、遷移,並起阻止細胞分化作用。透明質酸和硫酸軟骨素具有很好的保水性,3個月胎兒的皮膚中,透明質酸和硫酸軟骨素的含批是成人的20倍,隨著年齡的增長,含量逐漸減少,它們的一部分逐漸被硫酸皮膚素取代。關節軟骨中的蛋白聚糖隨年齡增長而減少,同時硫酸軟骨索逐漸被硫酸角質素取代。隨著個體的老化,蛋白聚糖中糖鏈比重下降,導致組織的保水性及彈性減弱,糖胺聚糖和蛋白聚糖變化與老化過程有關。糖胺聚糖的眾多陰離子可結合Ca2+, 在組織的鈣化,尤其是骨鹽的沉積中起重要作用。

糖胺聚糖和蛋白聚糖與疾病[編輯]

糖胺聚糖和蛋白聚糖的合成與代謝異常與許多疾病有關。蛋白聚糖的降解可在一系列細胞外酶或溶酶體中細胞內酶的催化下進行。由於基因突變引起先天性缺乏降解糖胺聚糖的酶(如糖苷酶或硫酸酯酶)可導致糖胺聚糖或蛋白聚糖及其降解中間產物在體內一定部位堆積,造成黏多糖累積病(mucopolysaccharidoses),如Hunter症候群。
動脈粥樣硬化患者血管內皮細胞表面硫酸乙醯肝素和硫酸軟骨素含量下降,硫酸皮膚素蛋白聚糖含量升高,使其易與低密度脂蛋白結合,導致脂類沉積。
糖胺聚糖的變化和蛋白聚糖分子的異常表達對腫瘤的發生、發展及轉移有著重要意義。在一些腫瘤組織中,如間質瘤、乳腺癌、神經膠質瘤細胞合成分泌透明質酸和硫酸軟骨素增多,透明質酸形成的含水凝膠有利於細胞的增殖和遷移,並抑制細胞分化;硫酸軟骨素可促進乳腺癌、艾氏腹水癌的生長。在人肝癌、小鼠骨髓瘤、自發性乳腺癌中,均有硫酸乙醯肝素硫酸化程度降低現象,為腫瘤細胞的增殖、脫落、侵襲、轉移提供了條件。

膠原與彈性蛋白[編輯]

膠原是細胞外基質中的骨架結構[編輯]

膠原(collagen)是動物體內高度特化的纖維蛋白家族,是人體內含量最豐富的蛋白質,約占人體蛋白質總量的25%以上。它遍布於體內各種器官和組織,在結締組織中特別豐富,是細胞外基質的框架結構。膠原可由成纖維細胞、軟骨細胞、成骨細胞以及某些上皮細胞合成並分泌到細胞外。
1、膠原的分子結構 典型的膠原分子呈纖維狀,是由3條α多肽鏈盤繞而成的3股螺旋結構,長300nm,直徑1.5nm, 稱為原膠原(tropocollagen)。每條α肽鏈的胺基酸組成和排列獨特,含有豐富的甘氨酸(Gly)和脯氨酸(Pro), 其中甘氨酸含量占1/3, 脯氨酸及脛脯氨酸(Hypro)約占1/4。α肽鏈中的胺基酸組成規律的Gly-X-Y三肽重複順序(X和Y可以是任何一種胺基酸),但X常為Pro,Y常為Hypro或羥賴氨酸(Hylys)。由於三肽重複順序中甘氨酸的分子量最小,使肽鏈捲曲成規律的α-螺旋結構,而肽鏈的羥基化和糖基化使肽鏈互相交聯,形成穩定的3α-螺旋結構。
2、膠原的類型 α鏈是原膠原的基本亞單位,目前已發現人基因組中有42個編碼α鏈的基因,每種α鏈由一種基因編碼,各種基因產物以不同的方式組合成不同類型的膠原。每型膠原由3條相同或不同的α鏈構成,例如Ⅰ型膠原是異源三聚體,由2條α1(Ⅰ)和1條α2(Ⅰ)構成;而Ⅱ型膠和Ⅲ型原是同源三聚體,分別由3條α1(Ⅱ)和3條α1(Ⅲ)鏈組成。理論上42種α鏈可以組合成數千種類型的膠原分子,但目前發現的膠原類型只有27種。其基因突變往往導致3股螺旋形成障礙。
3、膠原的合成裝配與降解 與大多數分泌蛋白的合成、修飾類似,膠原的合成與組裝始於內質網,在高爾基複合體中進行修飾最後在細胞外組裝成膠原纖維。
(1)膠原在細胞內的合成:膠原合成時,首先在糙面內質網附著核糖體上合成前α鏈(pro-α-chain)。前α鏈不僅含有內質網信號肽,而且在其N端和C端還各含有一段不含Gly-X-Y序列的前肽(prepeptide)。新合成的前α鏈進入內質網腔後信號肽被切除,肽鏈中的脯氨酸和賴氨酸被羥基化成羥脯氨酸和羥賴氨酸,其中一些羥賴氨酸殘基被部分糖基化修飾(其完全糖基化修飾在高爾基複合體中完成)。隨後3條前α鏈的C端前肽借二硫鍵形成鏈間交聯,使3條前α鏈對齊排列,並從C端向N端聚合形成三股螺旋結構。這種帶前膚的3股螺旋膠原分子稱為前膠原(procollagen), 其兩端的前肽部分保持非螺旋捲曲。然後,前膠原分子進入高爾基複合體,經過進一步糖基化修飾,被包裝進分泌小泡,分泌到細胞外。
(2)膠原在細胞外的裝配:在細胞外,前膠原在兩種Zn2+依賴性的前膠原N-蛋白酶和前膠原C-蛋白酶的作用下,分別水解去除兩端的前肽,在兩端各保留一段非螺旋的端肽區(telopeptide region),形成原膠原分子(tropocollagen)。隨後原膠原分子在細胞外基質中相互呈階梯式有序排列並發生側向交聯,自組裝形成直徑10~300nm,長150nm至數微米的膠原原纖維(collagen fibril)。電鏡下膠原原纖維具有典型的67nm明暗相間的周期性條紋。其原因系相鄰原膠原分子按1/4長度(約67nm)交錯平行排列,前後分子首尾相隔35nm的距離規則排列所致。在細胞外基質中,膠原原纖維常聚集成束,成為直徑約0.5~3μm甚至更租的、光鏡下可見的膠原纖維(collagen fiber)。
Ⅳ型膠原與Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型膠原不同,在α鏈中不含規則的三肽重複順序(Gly-X-Y),因此不形成α螺旋結構;分泌到細胞外基質的前膠原分子的前肽不被切除;在裝配成高級結構時,二個前膠原分子的羧基端頭對頭相接形成二聚體,幾個二聚體再相互交聯成網絡,構成基膜的骨架結構。N型膠原與層粘連蛋白、硫酸乙醯肝素蛋白聚糖等組裝成基膜。
(3)膠原的降解:一般情況下膠原更新轉換率較慢,如骨膠原分子的半衰期可達10年。但在創傷修復或炎症反應初期,膠原轉換率加快,並伴有膠原類型的轉變。膠原分子可被膠原酶(collagenase)降解,膠原酶的活化與抑制對於調節膠原的轉換率具有重要作用。創傷組織、癌變組織中膠原酶活性顯著增高;一些酶類如蛋白酶、纖溶酶等可以活化膠原酶;結締組織可以合成膠原酶抑制劑;激素可調節膠原酶的合成和降解,如糖皮質激素可以誘導膠原酶的合成,雌二醇和孕酮抑制子宮膠原的降解。
4、膠原的功能

  • 膠原在不同組織中行使不同的功能:哺乳動物皮膚中的膠原編織成網,分布於皮下結締組織中,具有抗衡來自不同方向的張力的作用。肌胞起著連接肌肉和骨的作用,在肌腱中的膠原纖維沿著肌腱的長軸平行排列,與承受拉力的方向一致,使肌腿具有很強的韌性,能夠承受巨大的拉力。在骨、角膜和橫膈肌腱中,膠原纖維形成膠合板樣多片層結構,角膜形成有序的膠合板樣多片層結構使角膜既透明又具有一定強度。Ⅲ型膠原形成微細的纖維網包繞在腺泡、骨骼肌和平滑肌細胞周圍。Ⅳ型膠原以三維網絡形式構成各種上皮細胞基膜的網架結構。膠原通過與細胞外基質中各種成分結合,將細胞外基質組織起來,與細胞表面受體結合,連成組織和器官。
  • 膠原與細胞的增殖和分化有關:膠原有刺激上皮細胞增殖的作用,人體內的細胞絕大多數屬於貼附依賴性細胞,即只有在一定的細胞外基質上貼附鋪展,才能使細胞增殖周期運行。膠原是細胞貼附的重要基質成分。膠原還起著誘導細胞分化的作用。如幹細胞有多向分化潛能,在Ⅳ型膠原和層粘連蛋白上分化為呈片層極性排列的上皮細胞;在Ⅰ型膠原和纖連蛋白上分化為結締組織的成纖維細胞;在Ⅱ型膠原及軟骨粘連蛋白上則分化為軟骨細胞。
  • 哺乳動物在發育的不同階段表達不同類型的膠原:在胎兒皮膚中含有大量的Ⅲ型膠原,隨著發育的進程,舊型膠原逐漸被Ⅰ型膠原取代。正常人皮膚中以Ⅰ型膠原為主。皮膚在損傷後的修復階段,Ⅲ型膠原含量顯著增高。成熟的組織膠原較穩定,半衰期很長,如骨板中膠原分子的半衰期可長達10年。在創傷修復或炎症反應初期,膠原表達呈現胚胎期特點,膠原分子間缺乏交聯,隨著年齡增長,分子交聯增多,膠原纖維結構逐漸變得緊密,從而導致皮膚、血管及組織變得僵硬,是衰老的重要特徵。

5、膠原與疾病 膠原與多種疾病或病理過程有關。由於膠原的含量、結構、類型或代謝異常而導致的疾病稱為膠原病(collagen disease)。如膠原表達過度或分布和比例異常,可造成肝、肺、皮膚病理性纖維化。惡性腫瘤細胞的侵潤及轉移,與他們能夠分泌產生針對Ⅳ膠原的專一性水解酶密切相關;基因突變引起膠原分子結構改變,導致遺傳性膠原病等。

  • 維生素C缺乏導致維生素C缺乏症:在膠原合成過程中,前α鏈的羥基化是肽鏈間互相交聯形成穩定的3α-螺旋結構的必需條件,該過程需脯氨醯3羥化酶和脯氨醯4羥化酶的催化,二者均以維生素C為輔助因子。當人體內維生素C缺乏時,可導致膠原前α鏈的羥基化反應不能充分進行,不能形成穩定的3股螺旋結構,隨即在細胞內被降解;而原先存在於基質及血管中的正常膠原逐漸喪失,結果導致組織中膠原的缺乏,引起血管、肌腿、皮膚等脆性增加,皮下牙跟易出血及牙齒鬆動等症狀,稱為維生素C缺乏症。
  • 遺傳性膠原病:膠原在體內分布廣泛,基因突變引起膠原分子的表達或膠原裝配異常將導致遺傳性膠原病。如,成骨發育不全(Osteogenesis impe1fecta)症候群,由於編碼Ⅰ型膠原α1(Ⅰ)或α2(Ⅰ)的基因突變,使Ⅰ型膠原合成障礙,導致骨骼發育不良,畸形,四肢短小,骨質疏鬆易骨折,重者早年天折;Ⅱ型膠原基因突變可引起軟骨異常,導致關節畸形、身材矮小;愛-唐症候群(Ehlers-Danlos syndrome)是一種膠原基因突變引起的遺傳性疾病,由於缺乏一種切除前肽的酶,導致前膠原不能正常組裝為高度有序的纖維,造成骨骼和肌腿缺乏剛性,關節活動過度,皮膚、肌胞、血管變脆症狀。
  • 免疫性膠原病:膠原可引起免疫性疾病。天然或變性的膠原分子,均可引起免疫反應。正常情況下,人體對自身膠原結構組織具有免疫耐受性,如果機體喪失對自身膠原結構的免疫耐受,即可產生自身免疫性膠原組織損傷,導致類風濕性關節炎及慢性腎炎等。免疫複合物在膠原組織中沉積,可引起炎症反應。

彈性蛋白是構成細胞外基質中彈性纖維網絡的主要成分[編輯]

人體一些器官組織在執行生理功能過程中,既需要強度也需要彈性,在受到外力牽拉後可迅速恢復原狀,如皮膚、血管和肺組織等,由彈性蛋白形成的彈性纖維網絡就賦予組織這種特性。
彈性蛋白(elastin)是彈性纖維的主要成分,是高度疏水的非糖基化纖維蛋白,約含750個胺基酸殘基。它的胺基酸組成像膠原一樣富含甘氨酸和脯氨酸,但很少羥化,不含輕賴氨酸,無糖基化修飾。由於肽鏈中不含膠原特有的三肽(Gly-X-Y)重複序列,故不形成規則的三股螺旋,而呈無規則的捲曲。彈性蛋白的肽鏈是由兩種類型短膚交替排列構成,一種是疏水性短膚,賦予分子以彈性;另一種短肽為富含丙氨酸和賴氨酸殘基的α-螺旋短肽,負責在相鄰分子間形成交聯。每種短肽各由一個外顯子編碼。
彈性蛋白在細胞中合成後,隨即以可溶性前體——原彈性蛋白(tropoelastin)的形式分泌到細胞外,通過賴氨酸殘基之間相互交聯裝配成彈性纖維網。由於彈性蛋白的無規則捲曲及高度交聯,使彈性纖維網可以像橡皮條一樣的伸長與回縮, 其伸展能力比同樣截面的橡皮條至少高5倍。彈性纖維與膠原纖維相互交織,分別賦予組織彈性和抗張性。彈性蛋白的降解主要由彈性蛋白酶(elastase)催化。
彈性纖維(elastic fiber)並非單純由彈性蛋白構成,在彈性蛋白的表面還包繞著一層由糖蛋白構成的微原纖維(micro fibril)。微原纖維直徑約為10nm,是由一些不同的糖蛋白構成,其中一種較大的糖蛋白是原纖維蛋白(fibrillin), 是保持彈性纖維完整性必需的成分。它的基因發生突變可導致一種稱為馬方症候群(Marfan syndrome)的遺傳性疾病。病變累及富含彈性纖維的組織,患者可出現骨骼及關節畸形,身材異常瘦長,嚴重者容易發生主動脈破裂。
彈性蛋白是動脈中含量最高的細胞外基質蛋白質,可占主動脈乾重的50%。彈性蛋白基因的突變可導致動脈壁平滑肌細胞過度增殖而引起動脈狹窄。彈性蛋白與無彈性的膠原互相交織,可維待皮膚的韌性,並可防止組織和皮膚過度伸展和撕裂。隨著年齡的增長,膠原的交聯度越來越大,韌性越來越低,皮膚等組織中彈性蛋白生成減少,降解增強,結果是老年人的骨和關節靈活度下降,皮膚彈性降低起皺。

細胞外基質中的非膠原糖蛋白[編輯]

在細胞外基質中除了膠原和彈性蛋白兩類主要的纖維蛋白外,還含有另一類重要的蛋白成分——非膠原糖蛋白。目前已經在細胞外基質中發現數十種,它們都是多功能大分子,在結構上往往具有多個結構域,可與多種細胞及細胞外基質成分結合,是細胞外基質的組織者,對細胞的存活、增殖、分化、黏著、遷移等有著直接的影響。目前對其結構與功能了解最多的是纖連蛋白和層粘連蛋白兩種。

纖連蛋白廣泛存在於動物組織中[編輯]

纖連蛋白(fibronectin, FN)是細胞外基質中發現最早的非膠原糖蛋白,廣泛存在於人和動物組織中,是一類含糖的高分子量非膠原糖蛋白,含糖4.5%~9.5%, 其糖含量因組織不同和分化狀態不同而有差異。纖連蛋白有兩種存在形式:一種是可溶性的纖連蛋白,主要存在於血漿及各種體液中,由肝實質細胞分泌產生,少部分產生於血管內皮細胞,稱為血漿纖連蛋白(plasma fibronectin);另一種是不溶性的纖連蛋白,主要存在於細胞外基質(包括某些基膜)及細胞表面,主要由間質細胞分泌產生,稱之為細胞纖連蛋白。
1、纖連蛋白的分子結構 各種纖連蛋白均由相似的亞單位(分子量為220~250kD)組成。血漿纖連蛋白是由兩條相似的膚鏈形成的二聚體(dimer), 兩條肽鏈在C端借二硫鍵交聯形成V字形。細胞纖連蛋白為由二聚體交聯後形成的多聚體。
目前在人體中已鑑定的纖連蛋白亞單位就有20種以上,它們是由同一基因編碼的產物,轉錄後由於拼接上的不同而形成多種異型分子,具有不同的生物學功能。不同組織來源的纖連蛋白亞單位在結構上稍有區別,每條肽鏈約含2450個左右胺基酸殘基,構成線性排列的5~6個杆狀的功能區,各功能區之間的短肽連接部位可摺疊,並對蛋白酶敏感, 因此可以通過胰蛋白酶的水解作用分離這些功能區之間的短肽,來研究各功能區的功能。研究證實,分離下來的不同的杆狀功能區上含有不同的大分子結合位點,可分別與不同的生物大分子或細胞表面受體結合,如可與Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ型膠原、肝素、凝血因子、纖維蛋白(fibrin), 以及細胞表面受體如整聯蛋白等結合。
研究表明,纖連蛋白膚鏈中的某些特殊的短肽序列,如Arg-Gly-Asp(RGD)三肽是細胞表面各種纖連蛋白受體識別並結合的最小結構單位。如果該結構區發生突變或缺失,則會導致纖連蛋白與細胞的黏附活性顯著下降。一些含有RGD序列的短肽,可與纖連蛋白競爭結合細胞膜上的纖連蛋白受體,因此,這種短肽序列具有抑制細胞同纖連蛋白結合的作用。但RGD序列並不是纖連蛋白所獨有的,許多細胞外基質蛋白都含有這種序列。此序列可被細胞表面受體中的整聯蛋白所識別。因此,所謂的RGD序列,是指存在於纖連蛋白和某些細胞外基質蛋白肽鏈中的「 精氨酸(R)-甘氨酸(G)-天冬氨酸(D)」三肽序列。可被細胞表面一些整聯蛋白所識別,並與之結合。
纖連蛋白的細胞表面受體是整聯蛋白家族成員,是一種高分子量的穿膜糖蛋白,由α、β兩種亞基(多肽鏈)組成的異源二聚體,其性質決定了細胞能結合的黏附分子的類型,介導與其他細胞表面或細胞外基質間的黏合。
2、纖連蛋白的功能 纖連蛋白與細胞的形狀、黏著、遷移、增殖、分化以及創傷修復、腫瘤轉移等均有密切關係。
(1)介導細胞與細胞外基質間的黏著:纖連蛋白分子的多結構域以及其排列的特點,使得它可以同時與細胞外基質中多種生物大分子結合併介導細胞與細胞外基質、細胞之間的相互黏著。通過黏著斑的作用,調節細胞的形狀和細胞骨架的裝配,促進細胞的鋪展,加速細胞的增殖與分化。
(2)纖連蛋白與細胞的遷移:細胞的遷移依賴於細胞的黏附與去黏附以及細胞骨架的組裝與去組裝。在黏著斑處纖連蛋白受體通過纖連蛋白介導細胞與胞外基質黏附。細胞通過黏著斑的形成與解離,影響細胞骨架的組裝與去組裝,促進細胞的遷移運動。
在胚胎發育早期,細胞分泌大量的纖連蛋白促進細胞遷移,例如在神經管形成時,神經嵴細胞從神經管的背側遷移到胚胎特定區域,分化成神經節、色素細胞等不同類型的細胞。如果注射纖連蛋白受體的抗體或含RGD序列的短肽,就阻斷了細胞的遷移。
(3)纖連蛋白在組織創傷修復中的作用:血漿中的纖連蛋白能促進血液凝固和創傷面的修復。在組織創傷修復過程中,血漿纖連蛋白能與血漿纖維蛋白結合,在傷口處吸引成纖維細胞、平滑肌細胞和內皮細胞向傷口遷移,形成肉芽組織,然後形成瘢痕,同時還可以刺激上皮細胞增生,使創面修復。
3、纖連蛋臼與疾病 血漿纖連蛋白在促進血液凝固和創傷修復中起重要作用,由於血漿纖連蛋白主要來自肝實質細胞,少量來自血管內皮細胞,當肝壞死、嚴重肝炎、肝硬化、瀰漫性肝癌時,血漿纖連蛋白顯著降低。
纖連蛋白與腎小球腎炎發生有關。在腎小球基膜中含有大量纖連蛋白,DNA、金黃色葡萄球菌、鏈球菌、膠原、纖維蛋白的降解產物可以直接或以免疫複合物的形式與纖連蛋白結合而沉積在腎小球基膜上,引起腎小球腎炎。血漿中纖連蛋白可與上述降解產物和免疫複合物結合,被肝Kupffer細胞和脾巨噬細胞表面受體識別而被清除,對腎臟起保護作用。
在創傷癒合過程中,組織局部的纖連蛋白過度表達,可導致瘢痕過度形成。
由於惡性腫瘤細胞表面的纖連蛋白受體異常,細胞黏著能力下降,使細胞容易分散和轉移。

層粘連蛋白是基膜的主要成分[編輯]

層粘連蛋白(Laminin, LN)是胚胎發育過程中出現最早的細胞外基質成分,同時也是基膜的主要結構組分之一。層粘連蛋白是黏合糖蛋白,含糖量可達15%~28%。在成體,它存在於上皮下和內皮下緊靠細胞基底部,還存在於肌細胞和脂肪細胞周圍。在不同種屬及組織中先後發現了多種層粘連蛋白異型分子,它們結構複雜,功能多樣,除了構成基膜的片層網狀結構外,還與細胞的分化、黏附、遷移和增殖有關。
1、層粘連蛋白的分子結構 層粘連蛋白是一種高分子量糖蛋白,分子量為820~850kD, 70nm長。層粘連蛋白是由α、β、γ三條不同的多肽鏈組成的異三聚體。三聚體分子由一條重鏈(α鏈)和兩條輕鏈(β、γ鏈)借二硫鍵交聯而成,外形呈不對稱十字形構型,有三條短臂和一條長臂。三條短臂各由三條肽鏈的N端序列構成。每一短臂上都有相間排列的兩個或三個球形結構域和短杆區;層粘連蛋白十字形結構的長臂杆狀區域由3條肽鏈的近C端序列共同構成。其中α鏈C端肽鏈序列高度捲曲形成一個較大的球狀結構,此為肝素結合的部位。層粘連蛋白分子中存在的多個不同的結構域,可與Ⅳ型膠原、硫酸乙醯肝素、肝素、腦苷脂和神經節苷脂等細胞外基質組分結合,還可通過自身的RGD三肽序列與細胞膜上的整聯蛋白結合。
現已證明層粘連蛋白分子中至少有8個與細胞結合的位點,可以分別與上皮細胞、內皮細胞、某些成纖維細胞、神經元、神經鞘細胞以及腫瘤細胞等結合。在層粘連蛋白分子上還發現了能與化膿性鏈球菌等原核細胞結合的部位。層粘連蛋白主要由附著在基膜上的上皮細胞和內皮細胞以及被基膜包繞的肌細胞等分泌產生。
層粘連蛋白是一個大的蛋白質家族,已鑑定出5種α鏈(α1~α2),4種β鏈(β1~β4)和3種γ鏈(γ1~γ3)。目前發現有15種層粘連蛋白異形分子(laminin 1~laminin 15) , 每種分子分布有組織特異性,在不同的組織類型和不同的發育階段,有不同分子結構的層粘連蛋白表達。如laminin 8存在於血管內皮和肌細胞的基膜中,在胚胎組織中尤為豐富。
2、層粘連蛋白的功能 層粘連蛋白是基膜的主要組分,在基膜的基本框架的構建和組裝中起了關鍵作用。層粘連蛋白分子上也有被上皮細胞、內皮細胞、神經細胞、肌細胞以及多種腫瘤細胞表面層粘連蛋白受體識別與結合的RGD三肽序列,使細胞黏附固定在基膜上,促進細胞的生長並使細胞鋪展而保持一定的形態。層粘連蛋白通過與細胞間的相互作用,可直接或間接控制細胞的活動,如細胞的黏附、遷移、分化、增殖或凋亡以及基因表達。
層粘連蛋白在早期胚胎中對於保持細胞間的黏附、細胞的極性及細胞的分化具有重要意義。層粘連蛋白還有助於神經元在體外存活,並可在缺乏神經生長因子的情況下,促進中樞及外周神經元軸突的生長。
3、層粘連蛋白與疾病 層粘連蛋白在體內的合成與降解異常與許多疾病有關,如糖尿病具有廣泛的基膜改變,糖尿病性腎病的腎小球基膜中層粘連蛋白的含量明顯降低,血清和尿中出現層粘連蛋白和Ⅳ型膠原的降解產物。
一些疾病與層粘連蛋白的自身免疫反應有關,如由鏈球菌感染所致的腎小球腎炎患者血中出現抗層粘連蛋白的抗體,從而引起自身免疫反應,使腎小球基膜受損;在擴張性心肌病與心肌炎患者血清中也檢測到抗層粘連蛋白的抗體。層粘連蛋白還具有促進腫瘤細胞生長和轉移的作用。

細胞外基質的特化結構——基膜[編輯]

基膜(basal lamina或basement membrane)也稱基底膜,是細胞外基質的特化結構形式,存在於多種組織之中。它是細胞外基質特化而成的一種柔軟、堅韌的網膜結構,厚約40~120nm, 以不同的形式存在於不同的組織結構之中。在各種上皮及內皮組織,基膜位於細胞基底部,是細胞基部的支撐墊。在肌肉、脂肪等組織,基膜包繞在細胞周圍,將細胞與結締組織隔離。在腎小球中,基膜介於兩層細胞(內皮細胞和足細胞)之間,是濾過膜的主要結構。在胚胎發育過程中,基膜為細胞的分離和分化提供支架;在成年時參與細胞的增殖、分化、遷移和組織損傷修復等過程。基膜是機體抵抗腫瘤細胞轉移和侵襲的第一道防線。

基膜的組成成分[編輯]

構成基膜的絕大多數細胞外基質組分是由坐落在基膜上的上皮細胞和下方的結締組織細胞合成並分泌的。不同組織器官的基膜,甚至同一基膜的不同區域,其組成成分也有所不同。但各種基膜都含有Ⅳ型膠原、層粘連蛋白、巢蛋白及滲濾素四種蛋白成分。

  1. Ⅳ型膠原 Ⅳ型膠原是構成基膜的主要結構成分之一,是構成基膜的框架結構。Ⅳ型膠原分子長400nm,被非螺旋片段隔斷20多處,為Ⅳ型膠原分子提供了可摺疊的部位。各Ⅳ型膠原分子通過C端球狀頭部之間的非共價鍵相互作用,以及N端非球狀尾部之間的共價交聯,形成了構成基膜基本框架的二維網絡結構。
  2. 層粘連蛋白 是基膜中的主要蛋白質成分,由α、β、γ三條肽鏈構成非對稱型十字結構。蛋白之間通過長臂和短臂的臂端相連,自我裝配成二維纖維網絡結構,並進而通過巢蛋白與Ⅳ型膠原二維網絡相連接。細胞質膜中的整聯蛋白為其受體。由於層粘連蛋白具有多個不同的功能結構域,既能與Ⅳ型膠原結合,也能與細胞表面受體結合,從而將細胞與基膜緊密結合在一起。
  3. 巢蛋白(entactin, nidogen) 又稱啞鈴蛋白,其分子呈啞鈴狀,具有3個球區,其G3區與層粘連蛋白結合;G2區與Ⅳ型膠原結合,在基膜中形成Ⅳ型膠原纖維網絡與層粘連蛋白纖維網絡之間的連橋,而且還可以協助細胞外基質中其他成分的結合,在基膜的組裝中起著重要的作用。
  4. 滲濾素(perlecan) 是基膜中最豐富的蛋白聚糖之一,它包含一個巨大的多結構域的核心蛋白質(分子量約400kD),分子上結合有2~15條特異性的硫酸乙醯肝素鏈。它可與多種細胞外基質成分(Ⅳ型膠原、層粘連蛋白、纖連蛋白等)以及細胞表面分子交聯結合,共同構成基膜的網絡結構,腎小球基膜中的滲濾素對於原尿的生成具有篩濾作用。

基膜的生物學功能[編輯]

基膜不僅對上皮組織起結構支撐作用,而且在上皮組織和結締組織之間起結構連接作用,同時還具有調節分子通透性以及作為細胞運動的選擇性通透屏障。如在表皮細胞層下的基膜可阻止結締組織中的成纖維細胞進入表皮,而允許參與免疫作用的白細胞(巨噬細胞、淋巴細胞)穿過基膜進入表皮內;基膜對分子的通透具有高度選擇性,如腎小球基膜在原尿形成過程中可以阻擋血液中細胞及蛋白質的透過,起選擇性篩濾作用。此外,細胞的形態、細胞的極性、細胞代謝、質膜上蛋白質的分布、細胞存活、細胞增殖、分化、細胞遷移等許多生命活動現象,均與基膜有著非常密切的關係。