细胞外基质
细胞生物学第四章细胞外基质
细胞生物学第四章细胞外基质
胶原分子按相邻分子相交错四分之一长度、前 后分子首尾相隔35nm的距离自我装配，成为明暗 相间、直径约10nm～30nm的胶原原纤维。 若干胶原原纤维再经糖蛋白粘合成为粗细不等 的胶原纤维。
细胞生物学第四章细胞外基质
胶原分子
细胞生物学第四章细胞外基质
胶原的结构（左模式图，右电镜照片）
第四章 细胞外基质
（extracellular matrix，ECM）
细胞生物学第四章细胞外基质
细胞外基质（extracellular matrix，ECM）： 细胞外间隙中充满由多种不溶性大分子精密组装起 来的错综复杂的网络结构，即细胞外基质，它是多 细胞生物有机体的固有成分。 细胞外基质的成分主 要包括胶原、非胶原糖蛋白、弹性蛋白以及氨基聚 糖和蛋白聚糖。细胞外基质不仅对组织起支持、保 护、营养作用，而且还与细胞的增殖、分化、代谢、 识别、迁移、死亡等基本生命活动密切相关。
α β
γ
细胞生物学第四章细胞外基质
三条短臂：各由3条肽链的N-端序列构成， 每一短臂包括2个球区及2个短杆区；
长臂：由3条肽链的近C-端序列共同构成杆 区；而末端的分叶状大球区仅由α链C-端序列卷 曲而成，是与硫酸肝素结合的部位。
LN分子中至少存在8个与细胞结合的位点。
细胞生物学第四章细胞外基质
㈡层粘连蛋白 （laminin，LN）
1．分子结构特点 LN是糖链结构最复杂的高分子糖蛋白（含糖 量15%～28%），具有50条左右N连接的寡糖，分 子质量巨大，约850 kDa。 LN由一条重链（α链）和两条轻链（β、γ链） 构成，三条肽链借二硫键交联成不对称的十字形分 子。
细胞生物学第四章细胞外基质
细胞外基质(医学)
ECM主要由成纤维细胞、间质细胞、上皮细胞等合成分泌的一类分布和聚集在细胞表面、细胞间质的大分子 物质，包括胶原蛋白、弹力蛋白、黏附性糖蛋白等。胶原蛋白是ECM的主要成分，赋予组织抗拉强度；弹力 蛋白则赋予组织弹性；黏附性糖蛋白则参与细胞与ECM的黏着和信号转导。
细胞外基质的功能
01
02
03
维持组织完整性
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THANKS
ECM通过提供物理支持 及调节细胞活动，维持组 织结构的完整性和稳定性 。
调节细胞活动
ECM通过与细胞表面受 体的相互作用，参与细胞 信号转导，影响细胞的增 殖、分化、迁移等。
组织修复与再生
在组织损伤时，ECM通 过调节炎症反应、促进细 胞增殖和分化，参与组织 修复与再生过程。
细胞外基质与疾病的关系
发现新的药物靶点
细胞外基质作为药物靶点具有广阔的应用前 景，研究其与疾病发生发展的关系，有助于 发现新的药物作用靶点。
细胞外基质与肿瘤转移
细胞外基质与炎症
研究细胞外基质在肿瘤转移过程中的作用， 有助于寻找预防和治疗肿瘤的新途径。
深入探讨细胞外基质与炎症反应的关系，有 助于揭示炎症相关疾病的发病机制。
转移过程的影响
肿瘤细胞通过分泌特定的细胞外基质降解酶，如MMPs，不仅能降解细胞外基质，还能促 进新生血管的形成，为肿瘤转移提供必要的条件。
心血管疾病
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心血管疾病与细胞外基质的关系
细胞外基质中的胶原蛋白、纤维粘连蛋白和层 粘连蛋白等成分在心血管疾病的发生和发展过 程中发挥着重要的作用。
心血管疾病的风险因素
器官再生
通过模拟细胞外基质的特定成分和结构，可以再生出具有特定 功能的器官。
癌症治疗
细胞生物学胞外基质
织及培养的细胞
XI [1(XI)]2[2(XI)] 300nm的细小原纤维 软骨，周期性结合于II
[3(XI)]
型胶原表面
A
B
胶原的电镜照片 A: I型胶原，具有横纹；B：IV胶原，无横纹
3. 胶原的结构(structure)
➢ 胶原分子的基本结构是由三条多肽链紧绕而成的
三股超螺旋结构，这3条肽链可以形成三股螺旋 (triple-helix)结构；一般长300nm，直径1.5nm。
➢ 胶原的降解速率比一般蛋白质慢
骨胶原分子可维持10年不发生降解，肌腱胶原的转换 最慢
但在某些特殊生理、病理情况下，胶原的转换加快。
➢ 参与胶原分解的酶类主要有：
胶原酶，主要作用于I、Ⅱ、Ⅲ型胶原； 明胶酶，作用于Ⅳ、V、Ⅶ、Ⅺ型胶原；肿瘤细胞能
产生明胶酶，特异性地作用于Ⅳ型胶原，破坏基膜， 为侵袭、转移开辟道路。 基质裂解素，作用于Ⅲ、IV、Ⅸ、X型胶原。
• 例如Ⅳ型胶原
➢具有间断三股螺旋并与原纤维相关的胶原 (FACIT)：只结合在原纤维表面上，包括IX、 XII和XIV型胶原。
• 参与调节和控制原纤维的形状，使之适应各种 不同组织的功能需要。
4. 胶原的生物合成过程(Biosynthesis)
➢ 迄今为止，已发现20多种不同的多肽链，不 同的多肽链由不同的结构基因编码；它们均 具有相似的结构；
原纤维
原纤维在电镜下可见相隔67nm的横纹。
➢胶原原纤维共价交联后成为具有很强抗张强
度的不溶性的巨大胶原纤维
胶原纤维
❖随年龄的增长交联键日益增多，胶原纤维亦越
紧密，从而导致皮肤、血管及各种组织变得僵硬， 成为老化的一个重要方面。胚胎及新生儿的胶原 因缺乏分子间的交联而易从组织中抽提 。
细胞外基质名词解释
细胞外基质名词解释
细胞外基质是构成细胞膜以外的一个可流动的液体基质，它是介于血液和细胞间的细胞特有的微环境，负责受体-激素系统，抗原-
抗体反应以及免疫等多种重要的细胞的物质交换，以保证细胞的生命活动状态。
它是一种复杂的和活跃的物质，是细胞与细胞之间以及细胞与细胞外物质相互作用的重要载体，是一种动态的液体基质，它不断地调节细胞的状态，对细胞的正常生理和代谢过程起着重要的作用。
细胞外基质是一种复杂的混合物，主要由多种成份组成，包括：多种结构蛋白、糖类、转运体、抑制因子、信号转导蛋白、受体和激素。
它们中的每一个都能通过细胞外基质的复杂的交互反应，促进细胞的发育和成熟，影响细胞的表达状态和生长特性。
此外，细胞外基质还提供有机物的支持，如水分和离子，以及能够调节细胞活动的内生因子，它保持细胞的生物学活动，具有稳定和保护细胞的作用。
细胞外基质可以调节细胞的生存状态，对细胞的各种形态功能和代谢状态以及自我保护功能起着至关重要的作用。
当细胞没有受到基质的供应时，细胞膜结构可能会受到威胁，细胞的活动也会受到影响，因此，维持细胞外基质的动态平衡是很重要的。
细胞外基质的动态平衡可以通过代谢活性来调节，即对细胞外基质组分的调节，以及对外界环境光、气候、水和其他因子的影响。
除此之外，细胞外基质还可以帮助细胞维持稳定的膜电位，促进胞内和胞外离子的交换。
总之，细胞外基质是细胞的重要组成部分，它通过调节细胞的环
境，促进细胞的发育，细胞的增殖和细胞的代谢，对人体的正常生长和发育起着重要的作用。
细胞外基质
细胞外基质（Extracellular Matrix，ECM）是由成纤维细胞、间质细胞、上皮细胞等体内各类组织和细胞合成和分泌的一类散布和聚集在细胞表面和细胞间质的大分子物质所组成的复杂网络结构，故称细胞外基质（间质），是细胞和组织赖以生存、活动和调剂的外环境。
要紧作用：一方面为细胞和组织提供支持、联结、固定、保水、缓冲等物理性的爱惜作用，另一方面又是细胞与外环境进行物质互换、信息传递和聚集的中介。
它可通过各类信号传递系统，调剂细胞生长、增殖、迁移、分化、粘附、代谢、损伤修复、组织重构等各类生理功能。
被称为是人体细胞和组织内稳态的要紧调剂者（The Central Regulator of Cell and Tissue Homeostasis）。
细胞外基质的成份十分复杂，除各型胶原之外，还有各类粘连蛋白（FN）、层连蛋白（LN）、氨基聚糖（GAG）、蛋白聚糖（PG）、弹性蛋白（Elastin）、内动素（Cytotatin）、血栓结合素（Thrombospondin）、整合素（Integrin）、玻连蛋白（Vitronetin VN）、连结蛋白（Connexins）、钙粘素（Cadherins）、选择素（Selectin）、粘附素（细胞粘合素）、细胞粘合素（Cytotatin）等几十个类别。
每一种类别又有几种至十几种亚型。
细胞不同产生和分泌的细胞外基质成份亦不同；组织不同所含的细胞外基质的成份和比例亦不同；即便同一种细胞，同一种组织，在不同的生理、病理和反映条件下，细胞外基质的成份、结构和构型亦不同；结构和构型不同，细胞外基质的功能和作用亦不同。
随着基因和蛋白质组生物学的研究进展，新的细胞外基质分子还在不断诞生，其类型、构型、构像还有更多发觉，其功能亦在不断的扩展，组成了一个十分复杂的细胞外基质的网络家族和体系。
细胞外基质尽管来源、成份、分型和功能不同，各司其责，但在结构和功能上，它们又排列有序、疏密相间、彼此联结、彼此协同，在细胞间质、组织间隙和器官内，形成各类复杂的相对固定的形式和分层网状结构，形成许多不同的功能结构区域，如在血管，能够形成内膜表面的粘附爱惜层、内膜基层、基底膜层、内弹力层、外弹力层、血管中层和外层系膜结缔组织等等。
细胞外基质
羟赖氨酸 ；低糖
类 由二糖单位（D-葡萄糖醛酸和N-乙酰-葡萄糖胺）重复聚合而成。
[α1(Ⅲ)] 2α2（Ⅳ）
Ⅳ [α1(Ⅲ)] 基底层 原胶原共价交联后成为具有抗张强度的不溶性胶原。
③粘着成份，如纤连蛋白和层粘连蛋白等。
α—链中保留前肽； 基膜
2α2（Ⅳ） [α1（Ⅰ）] 2α2（Ⅰ）
2、弹性纤维
弹性纤维主要存在于脉管壁及肺，亦少 量存在于皮肤、肌腱及疏松结缔组织中。
弹性纤维与胶原纤维共同存在，分别赋 予组织以弹性及抗张性。
弹性蛋白(elastin)是弹性纤维的主要成分。
弹性蛋白
是一种非糖基化的蛋白质，包含830个氨基酸 残基，富含脯氨酸和甘氨酸，但很少羟化。肽 链中不含胶原特有的 Gly-X-Y重复顺序，形成 不规则螺旋结构，并互相交错成网络。
第六节 细胞外基质
组成细胞外基质成份种类 繁多、结构复杂，一般 可分为三类：
①氨基聚糖和蛋白聚糖； ②纤维蛋白，主要包括胶
原和弹性蛋白； ③粘着成份，如纤连蛋白
和层粘连蛋白等。 不同组织的细胞外基质成
份的结构存在着差异
一、氨基聚糖和蛋白聚糖
氨基聚糖（glycosaminoglycan, GAG） 是由重复的二糖单位聚合成的无分支长 链多糖，因二糖单位中一个常为氨基糖 （N-乙酰氨基葡萄糖或N-乙酰氨基半乳 糖）而得名。
眼睛玻璃体
几种主要胶原及其特征
②纤维蛋白，主要包括胶原和弹性蛋白；
Ⅲ [α1 原纤维 皮肤、血管 、 高羟脯氨酸 ；低 氨基聚糖（glycosaminoglycan, GAG）是由重复的二糖单位聚合成的无分支长链多糖，因二糖单位中一个常为氨基糖（N-乙酰氨基葡萄
细胞外基质名词解释
细胞外基质名词解释细胞外基质（extracellularmatrix，ECM）是构成细胞外环境的特殊结构，它也是细胞增殖、迁移和形态改变的基础。
它既可以作为一种独立的结构，可以支持细胞的生长和分化，也可以作为细胞外活动的调节器，参与细胞外信号传导和活性物质的调节转运等。
细胞外基质的种类比较多，主要有水凝胶类、矿物质类和蛋白质类三大类。
水凝胶类细胞外基质主要是由糖聚糖和多聚糖构成，其中糖聚糖以多糖分子链、支链和定位结合而形成三维结构网络。
糖聚糖在细胞外环境中有着重要的作用，它可以支撑细胞的内墙，提供细胞内高度可控的空间环境，促进细胞的增殖分化；另外，它还可以结合细胞外的特殊蛋白，抑制细胞的迁移，是细胞的稳定界面。
矿物质是另一类细胞外基质，主要有磷酸钙、碳酸钙和硅酸盐。
其中磷酸钙和碳酸钙具有很强的钙离子结合能力，可以控制多种无机物质的吸收和释放，硅酸盐是细胞外环境中的流体结构成分，它可以抵抗压力，支撑细胞多孔网络结构。
蛋白质是细胞外基质中最为重要的组分，它构成细胞外基质的支链和骨架，是细胞的重要组成部分。
一般来说，蛋白质细胞外基质主要分为胶原蛋白、凝血酶原及附着素三大类。
胶原蛋白具有优质的粘度和弹性，具有良好的抗拉应力，能有效抵抗压力，并可以作为细胞移动的滑轨，促进细胞的迁移与增殖。
凝血酶原则是由大量的凝血酶原分子组成，可以参与细胞外信号传导，促进细胞的活性物质的释放和调节转运。
附着素是一类特殊的细胞外基质蛋白，具有高度特异性的附着力，可以紧密结合细胞表面，阻止细胞的漂移，控制细胞的形态和迁移。
细胞外基质是细胞环境的基础，其各种组分的功能是互补的、共生的，不仅能为细胞提供良好的生长环境，也能调节细胞的活动，保持其正常的形态，并参与细胞外信号传导。
细胞外基质与细胞的关系既有相互制约又有促进作用，对细胞的增殖、迁移和发育具有重要的影响，是细胞生长发育中不可或缺的一部分。
总之，细胞外基质是形成细胞外环境的最重要组成部分，它可以作为细胞增殖、发育和迁移的基础，也是细胞外活动的调节器，抑制细胞的迁移，支撑细胞墙，参与细胞外信号传导和活性物质的调节转运。
细胞外基质名词解释
细胞外基质名词解释细胞外基质是除细胞膜外，由细胞间的细胞浆周围和充填了细胞间的空腔的物质组成的一种体系。
它在细胞有机组织的结构和功能的维持以及细胞间的联系和互作中发挥着重要作用。
细胞外基质主要分为蛋白质细胞外基质、多糖细胞外基质和氨基酸细胞外基质三类。
蛋白质细胞外基质是生物细胞外基质的主要组分。
它们既包括水溶性的谷氨酰胺蛋白、酶、转运蛋白，也包括胞外凝集素、受体等结合膜蛋白。
它们在细胞的生长和分化、传导信息、受体识别和降解物质等方面发挥着重要作用。
多糖细胞外基质主要包括糖原、核酸酶、膜糖蛋白、聚糖和其他假糖原等。
它们负责细胞间信号转导、受体识别和细胞附着，以及蛋白质稳定度和抗氧化、细胞内应激反应等。
氨基酸细胞外基质主要有谷氨酸、天冬氨酸和苏氨酸等，它们主要负责调节细胞的活动、影响细胞的膜脂结构以及调节细胞的表观遗传学特性等。
细胞外基质的结构与功能的高度统一是细胞的生长和发育以及调节细胞表观遗传学特性的重要因素。
细胞外基质作为细胞有机结构和功能系统的维系物质，可以永久或临时改变细胞有机结构和功能，这是细胞自我调节和适应环境变化的重要原理。
细胞外基质还可以被药物和农药等外界刺激物质所影响，从而发生改变，而这种改变可能引起细胞的损伤，甚至使细胞死亡。
因此，研究药物对细胞外基质的作用机理，对于阐明药物的治疗作用具有重要意义。
细胞外基质是细胞结构和功能的重要组成部分，因此，研究细胞外基质的结构和功能，对于更好地了解细胞的特性、探究细胞的生命过程、控制细胞的发育和形态，以及发掘潜在的治疗药物等，具有十分重要的意义。
综上所述，细胞外基质是一种重要的分子机制，它可以调节细胞的表观遗传学特性，调节细胞的生长和发育，它也可以受药物的刺激而改变，为细胞的自我调节和适应外界变化提供基础，为研究细胞的结构和功能以及发现潜在治疗药物提供了重要参考。
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细胞外基质的主要组分
一、氨基聚糖和蛋白聚糖
氨基聚糖是由氨基己糖 （N–氨基葡萄糖或N–氨基 半乳糖）和葡萄糖醛酸二 糖结构单位重复排列聚合 形成的不分支链状多糖。 蛋白聚糖是由GAG以共价 的形式同线性多肽连接而 成的多糖和蛋白复合物。
氨基聚糖中常见的重复二糖单位
蛋白聚糖是由核心蛋白质的丝氨酸残基与氨基聚糖共价结合的产物
（二）细胞对细胞外基质的决定性作用 1.细胞是所有细胞外基质产生的最终 来源 2.不同细胞性质及功能状态决定其细 胞外基质的差异性 3.细胞外基质成分的降解是在细胞的 调控下进行的
细胞外基质
细胞外基质(extracellular matrix，ECM )
细胞外基质是机体发育过程中由细胞分泌到细胞外间隙 的各种生物大分子，组装构成的结构精细的网络。
主要功能： 构成支持细胞的框架，负责组织的构建； 对细胞形态、生长、分裂、分化和凋亡起重要 的调控作用。 胞外基质的信号功能
胶原的分子结构： 胶原纤维的基本结构单位是原胶原； 原胶原是由三条肽链盘绕成的三股螺 旋结构； 原胶原肽链具有Gly-x-y（甘氨酸-脯 氨酸-羟脯氨酸/羟赖氨酸）重复序列 在胶原纤维内部，原胶原蛋白分子呈 1/4交替平行排列,形成周期性横纹。
原胶原
胶原原纤维
胶原纤维
常见的胶原类型及其在组织中的分布
Ⅰ型胶原纤维束, 主要分布于皮肤、肌腱、韧带及骨中， 具有很强的抗张强度; Ⅱ型胶原主要存在于软骨中;
Ⅲ型胶原形成微细的胶原纤维网，广泛分布于伸展性的组 织，如疏松结缔组织;
Ⅳ型胶原形成二维网格样结构，是基膜的主要成分及支架。
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。
透明质酸是一种重要的氨基聚 糖，是增殖细胞和迁移细胞的 细胞外基质的主要成分， 一 旦迁移细胞停止移动，透明质 酸就会从细胞外基质中消失， 此时细胞间开始接触。
蛋白聚糖在高尔基复合体中进行装配和修饰。在 核心蛋白的丝氨酸残基上结合一个由四糖组成的 连桥，再逐个添加糖基。
二、胶原(collagen)和弹性蛋白(elastin)
3.参与组织的再生、细胞的迁徙
整联蛋白
整联蛋白属整合蛋白家族， 是细胞外基质组分受体的 跨膜糖蛋白。
配体：胶原、纤连蛋白、 层粘连蛋白
整联蛋白与其配体的亲 和性较低，在细胞表面 的数量较多，形成与细 胞外基质之间较弱的多 位点结合，有利于细胞 调节与细胞外基质成分 结合的牢度与可逆性， 细胞可通过细胞膜上的 这类受体与细胞外基质 成分结合、分离、再结 合、再分离…，从而进 行迁移。
粘连分子 纤粘连蛋白 层粘连蛋白 果胶质
植物细胞
细胞壁
● 蛋白聚糖(proteoglycan)， 是由氨基聚糖 (glycosaminoglycans)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; ● 结构纤维，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): 如纤连蛋白和层粘连 蛋白，它们促使细胞同基质结合。 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。
在纤连蛋白的每一肽链亚单位中，都含有由不同重 复的氨基酸序列组成的三种不同类型、数目的模块 结构，它们的特殊排列，构成了肽链上不同的功能 结构域。
纤连蛋白的两种形式：
可溶的血浆纤连蛋白，存在于血 浆和各种体液中，由两条相似的 多肽链构成的二聚体。 不溶的细胞纤连蛋白由间质细胞 分泌，广泛分布于细胞外基质、 基底膜、细胞间及细胞表面，为 多聚体结构。
•高度疏水的非糖基 化蛋白。没有Gly－x －y重复序列。构象 呈无规则卷曲状态； 通过Lys残基互相交 连成网状结构。
层粘连蛋白和纤连蛋白
（一）层粘连蛋白(laminin)
层粘连蛋白的结构由一条重链和
两条轻链构成 细胞通过层粘连蛋白锚定于基 膜上； 层粘连蛋白中至少存在两个不
同的结构域：
细胞外基质不同于以共价键形式结合于膜脂、膜蛋白上的多糖链细胞 被。其主要是通过与细胞膜中的整联蛋白结合而构成细胞间相互联系 的结构网络
真核细胞的细胞外结构（extracellular structures）
生物种类
动物细胞
细胞外结构 细胞外基质
结构纤维
胶原 弹性蛋白 纤维素
水化基质组分 氨基聚糖 蛋白聚糖 半纤维素、伸 展蛋白
基底膜与整联蛋白
基底膜是细胞 外基质的特化结 构形式，存在于 多种组织之中。 基底膜内主 要含有IV形胶原 蛋白，
柱状细胞
杯状细 胞
基底膜
基底膜
基底膜功能：
1.结构连接作用：连接上皮组织与结缔组织
2.分子筛滤和细胞筛选作用：参与机体组织的物质交换运输和细 胞的运动
细胞外基质与细胞的相互作用
（一）细胞外基质对细胞生命活动的影响 1.影响细胞的生存与死亡 细胞必须特异而有选择地粘附于一定的细胞外 基质上才能生存。 2.直接影响和改变细胞的功能活动状态 通过胞外基质的受体影响细胞骨架的组装而改 变细胞的形态 3.参与细胞增殖的调节 细胞锚着依赖性生长现象：细胞只有粘附、铺 展在一定的细胞外基质上，才能进行增殖。 4. 参与细胞分化的调控 5. 影响细胞的迁徙
与Ⅳ型胶原的结合部位； 与细胞质膜上的整合素结合 的Arg-Gly-Asp(R-G-D)序列。
（二）纤粘连蛋白(fibronectin，FN )
由两个或两个以 上的亚单位通过 C端形成的二硫 键交联结合而成。
RGD序列: FN中与 细胞结合的结构域中的 Arg-Gly-Asp三肽序列 精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸
细胞外基质
Cells surrounded by spaces filled with extracellular matrix. The particular cells shown in this low-power electron micrograph are those in an embryonic chick limb bud. The cells have not yet acquired their specialized characteristics.