2015细胞外基质讲解
细胞外基质
细胞外基质的主要组分 一、氨基聚糖和蛋白聚糖
细胞外基质的物理性质主要受细胞外基质中蛋白
聚糖所携带的多糖基团的影响，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。 氨基聚糖可在细胞外创造水合的、胶状的材料， 形成了所谓的细胞外基质的基质。
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)
胶原是细胞外最重要的水不溶性纤维蛋白，动物体内含量
最多的蛋白。是构成细胞外基质的骨架，在细胞外基质中形 成半晶体的纤维，给细胞提供抗张力和弹性，并在细胞的迁 移和发育中起作用。
结构： 指存在和分布于细胞外空间，由细胞分泌的蛋白 和多糖所构成的网络结构。 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
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.
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
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
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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
细胞外基质(医学PPT课件)
核心蛋白 分子量
GAG链类型
210 000 硫酸软骨素+硫酸 角质素
GAG链 数目
分布
~130 软骨
乙聚糖 (betaglycan)
装饰素 (decorin)
36 000 40 000
渗滤素 (perlecan)
600 000
丝甘素 (serglycin)
20 000
黏结蛋白聚糖-1 32 000 (syndecan-1)
D-半乳糖 N-乙酰氨基葡萄糖
软骨、角膜、骨、皮 肤、动脉 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
注：*艾杜糖醛酸是由差向异构酶催化糖链中的D-葡萄糖醛酸进行差向异构化而生成的
Extracellular Matrix and Matrix-Cell Interaction 首 页
一、糖胺聚糖与蛋白聚糖
(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，维持组织的形态，防止机
械损伤；
2. 对物质转运有选择渗透性，糖基的高度亲水性和负电 性，构成高度水化孔胶样物，具有分子筛作用，各种 成分可选择性渗透；
3. 角膜中蛋白聚糖具有透光性； 4. 糖胺聚糖有抗凝血作用；
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硫酸乙酰肝素（heparan sulfate，HS）
肝素（heparin）
硫酸角质素（keratan sulfate，KS）
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第十一章 细胞外基质及其与细胞的相互作用
细胞外基质
细胞外基质细胞外基质（Extracellular Matrix， ECM）是由成纤维细胞、间质细胞、上皮细胞等体内各种组织和细胞合成和分泌的一类分布和聚集在细胞表面和细胞间质的大分子物质所构成的复杂网络结构，故称细胞外基质（间质），是细胞和组织赖以生存、活动和调节的外环境。
主要作用：一方面为细胞和组织提供支持、联结、固定、保水、缓冲等物理性的保护作用，另一方面又是细胞与外环境进行物质交换、信息传递和汇集的中介。
它可通过各种信号传递系统，调节细胞生长、增殖、迁移、分化、粘附、代谢、损伤修复、组织重构等各种生理功能。
被称为是人体细胞和组织内稳态的主要调节者（The Central Regulator of Cell and Tissue Homeostasis）。
细胞外基质的成分十分复杂，除了各型胶原以外，还有各种粘连蛋白（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分亦不同；组织不同所含的细胞外基质的成分和比例亦不同；即使同一种细胞，同一种组织，在不同的生理、病理和反应条件下，细胞外基质的成分、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、构像还有更多发现，其功能亦在不断的扩展，构成了一个十分复杂的细胞外基质的网络家族和体系。
细胞外基质虽然来源、成分、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、相互联结、彼此协同，在细胞间质、组织间隙和器官内，形成各种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，可以形成内膜表面的粘附保护层、内膜下层、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。
细胞外基质的结构与功能
细胞外基质的结构与功能细胞外基质（extracellular matrix，ECM）是由细胞分泌而成的一种具有丰富多样的化学成分和空间结构的生物材料，它对于组织形态、生长、修复等生理过程起到至关重要的作用。
而ECM的本质就是细胞的外部环境，是细胞与周围世界的接口，在正常生理过程中参与多种细胞的信号传递、分化、凋亡等重要的生物学事件。
所以ECM的结构和功能一直是生命科学领域的热点话题之一。
一、ECM的结构ECM是由一系列物质构成，包括胶原蛋白、弹性蛋白、黏多糖、结构蛋白、肌纤连结蛋白等多种成分。
其中最常见的成分是胶原蛋白，它是一种长链的蛋白质分子，在细胞外形成一条条的纤维。
胶原蛋白质分子有三个螺旋状基本结构，形成三股螺旋线的结构。
这些三角结构通过长链的静电相互吸引和氢键相互作用来支撑整个纤维的结构稳定性。
而弹性蛋白则是由细胞分泌的一种纤维性蛋白质，具有很强的伸缩性和弹性，其中最重要的成分是弹性蛋白肽。
除了胶原蛋白和弹性蛋白外，ECM中还有很多其它的物质如黏多糖、结构蛋白等。
黏多糖即一些长链的糖分子，如透明质酸、硫酸软骨素等，它们通过分子间的交联来形成ECM中的网状结构。
二、ECM的功能ECM不仅提供细胞所需要的物质，还对细胞形态、运动以及信号转导产生影响，从而调控生物体的发育、生长、再生和修复等生理过程。
例如，ECM中的胶原纤维可以为细胞提供支持性的骨架，同时也可以作为一个“信使”来传递机械信号，加速细胞的增殖和代谢。
此外，ECM还可以调控细胞的分化和复杂的细胞行为，如细胞的运动和迁移。
比如，在组织损伤时，ECM可以引导新生细胞在损伤区域进行组织再生和修复。
不仅如此，ECM还是大多数生物体的免疫系统的第一道屏障。
当外来异物在组织间隙内进入动物体内时，它们与宿主的ECM相互作用，这种作用可以调节白细胞的吸附、在组织内移动，产生化学反应，最终保护宿主的健康。
三、ECM的变化与疾病ECM的变化与疾病联系较大。
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
细胞外基质介绍
细胞外基质介绍结缔组织细胞松散地分布在一块很大的基质上，这块基质就是人体的细胞基质，这是结缔组织的与众不同之处。
这块基质占据了细胞外所有空间，因此称为细胞外基质，英文缩写为ECM（Extracellular matrix）。
ECM由细胞分泌物生成，根据黏度不同，呈现出集中不同的形态，包括自由流动液体（如血浆）、柔软半固体（如耳朵或鼻子中的软骨）以及固体（如骨骼）。
如图2.1所示，血管和神经直接分布于ECM中。
因此，拉伸身体时，应注意到包括血管、神经在内的组织均被拉伸了，这些组织在拉伸时也可能发紧、疼痛甚至麻木（第4章将告诉我们如何避免出现这些症状），意识到这一点对于合理拉伸设计是有好处的。
事实上，神经、动脉和静脉都是由特殊的结缔组织形成，这一点使我们更形象地体会到结缔组织就像一张网贯穿分布在人体内。
外部或内部因素作用于ECM时，作为反应，结缔组织可以快速而轻易地改变自身形状。
比如，体液聚集于ECM时，你可能会有肿胀感和疼痛感，而身体脱水时，体液从ECM抽离，身体则会感觉发紧和疲软。
身体形状之所以可以如此快速地变化，与结缔组织的作用是分不开的，结缔组织主要由胶原蛋白、弹性蛋白和水组成。
胶原蛋白是人体和动物体内含量最多的蛋白；同时也是除水之外构成人体最主要的材料。
抗张力强度大是胶原蛋白主要的结构特征；因此，胶原蛋白含量超过弹性蛋白含量的人体组织，比如肌腱，更能承受拉力。
弹性蛋白具备独特的生物化学和生物物理学特征，比胶原蛋白更有弹性。
因此，含弹性蛋白较多的结缔组织，比如韧带，其形状变化空间更大。
这也是运动员在训练时尽量避免拉伸韧带的原因——防止韧带变松而不能很好地支持骨骼。
第三种材料，水，占男性身体重量的60%，占女性身体重量的55%。
奥尔特指出，人体中结缔组织含水量高达60%~70%。
这些水分大多在血液和基质或结缔组织ECM中。
水的表面张力很大，在血管和结缔组织中，水表面就像动力弹性片一样活动。
我们滑倒、摔倒或与其他人相撞却没有产生外伤，原因就在这里。
细胞外基质及其与细胞的相互作用 PPT课件
医学细胞生物学
第二节 基底膜
• 一、基底膜的分布 • 细胞外基质特化形成的柔软、坚韧的网膜
结构 • 上皮细胞和内皮细胞的基底部 • 肌细胞、脂肪细胞、雪旺氏细胞周围
医学细胞生物学
第二节 基底膜
• 二、基底膜的组成成分 • 1.IV型胶原——构成基本二维网络 • 2.层粘连蛋白——组装为二维网络 • 3.内联蛋白——连接IV型胶原网络和层粘连
交联：交联键是由侧向相邻的赖氨酸或羟赖氨酸 残基氧化后所产生的两个醛基间进行缩合而形成的。
医学细胞生物学
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。
类型： 已知至少19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。 功能：参与形成结缔组织，如骨、韧带、基膜、 皮肤。
医学细胞生物学
细胞外基质及其与细胞的相互作用
概念：细胞外基质（extracellular matrix，ECM） 是指分布于细胞外空间，由细胞分泌的蛋白和多糖 所构成的精密有序的网络结构。
功能：黏连；支持；改变细胞微环境；信号功能。影 响细胞的增殖、分化、存活、和死亡。
类型：胶原、层黏连蛋白和纤连蛋白、氨基聚糖与蛋 白聚糖、弹性蛋白及植物细胞壁 。
医学细胞生物学
第一节 细胞外基质的主要组成成分
• （四）氨基聚糖和蛋白聚糖与疾病 • 1.降解异常——异常堆积——粘多糖累积病 • 2.含量比例异常——脂类沉积——动脉粥样
硬化 • 3.分泌总量增多，硫酸化水平降低——促进
肿瘤细胞迁移增殖——肿瘤增殖、侵袭、转 移等
医学细胞生物学
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第十一章 细胞外基质及其与细胞的相互作用
细胞外基质概述
细胞外基质（extracellular matrix, ECM）：是由细胞分
泌到细胞外空间，由蛋白和多糖构成的精密有序的网络结构。
成分：
凝胶样基质
细胞外基质 纤维网架
糖胺聚糖和蛋白聚糖 胶原和弹性蛋白：结构作用
纤连蛋白和层粘连蛋白：黏着作用
含量：结缔组织中细胞外基质含量最大。
Extracellular Matrix and Matrix-Cell Interaction
首 页一节 细胞外基质的主要组成成分
一、糖胺聚糖与蛋白聚糖 二、胶原和弹性蛋白 纤连蛋白 三、非胶原糖蛋白 层粘连蛋白
硫酸软骨素 硫酸皮肤素 硫酸乙酰肝 素 肝素 硫酸角质素
注：*艾杜糖醛酸是由差向异构酶催化糖链中的D-葡萄糖醛酸进行差向异构化而生成的
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第十一章 细胞外基质及其与细胞的相互作用
(二)蛋白聚糖（proteoglycan，PG） 1. 蛋白聚糖的分子结构
Extracellular Matrix and Matrix-Cell Interaction
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第十一章 细胞外基质及其与细胞的相互作用
糖胺聚糖的分子特性及组织分布
糖胺聚糖 透明质酸 重复二糖单位 D-葡萄糖醛酸 N-乙酰氨基葡萄糖 D-葡萄糖醛酸 N-乙酰氨基半乳糖 L-葡萄糖醛酸或艾杜糖醛酸* N-乙酰氨基半乳糖 D-葡萄糖醛酸或艾杜糖醛酸* N-乙酰氨基葡萄糖 D-葡萄糖醛酸或艾杜糖醛酸* N-乙酰氨基葡萄糖 D-半乳糖 N-乙酰氨基葡萄糖 组织分布 结缔组织、皮肤、软 骨、滑液、玻璃体 软骨、角膜、骨、皮 肤、动脉 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
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第十一章 细胞外基质及其与细胞的相互作用
一、糖胺聚糖与蛋白聚糖
(一)糖胺聚糖 （glycosaminoglycan, GAG）
糖胺聚糖是由重复的二糖单位构成的直链多糖；
二糖单位：
氨基糖(N-乙酰氨基葡萄糖 或N-乙酰氨基半乳糖)； 糖醛酸(葡萄糖醛酸或艾杜 糖醛酸)； 因糖残基上通常带有硫酸基
蛋白聚糖是由糖胺聚糖 (除透明质酸外)与核心蛋白 （core protein）共价结合形成的高分子量复合物。
核心蛋白（单链多肽）
糖胺聚糖
蛋白聚糖单体 透明质酸
连接蛋白
蛋白聚糖多聚体
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第十一章 细胞外基质及其与细胞的相互作用
第十一章 细胞外基质及其与细胞的相 互作用
Extracellular Matrix and Matrix-Cell Interaction
第十一章 细胞外基质及其与细胞的相互作用
细胞外基质成分及其细胞表面受体示意图
Extracellular Matrix and Matrix-Cell Interaction
蛋白聚糖中的GAG链与核心蛋白的连接方式
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第十一章 细胞外基质及其与细胞的相互作用
几种常见的蛋白聚糖
蛋白聚糖名称 聚集素 (aggrecan) 乙聚糖 (betaglycan) 装饰素 (decorin) 渗滤素 (perlecan) 丝甘素 (serglycin) 核心蛋白 分子量 210 000 GAG链类型 硫酸软骨素+硫酸 角质素 硫酸软骨素/硫酸 皮肤素 硫酸软骨素/硫酸 皮肤素 硫酸类肝素 GAG链 数目 ~130 分 布 软骨 功 能 机械支持；与透 明质酸形成大的 聚合体 结合TGF-β 与I型胶原原纤 维和TGF-β结合 在基底膜中起过 滤和结构作用 协助包装和贮存 分泌分子 细胞粘合；结合 FGF
A.细胞外基质中蛋白聚糖多聚体 B.软骨中的蛋白聚糖电镜照片
Extracellular Matrix and Matrix-Cell Interaction
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第十一章 细胞外基质及其与细胞的相互作用
2. 蛋白聚糖的合成与装配
核心蛋白肽链在糙面内质网核糖体上合成； 多糖侧链在高尔基复合体中被装配到核心蛋白上。 装配：首先是一个专一的连接四糖（Xyl-Gal-Gal-GlcUA）结合到核心蛋白的丝 氨酸残基，在糖基转移酶（glycosyltransferases）的作用下，糖基依次加接上去， 形成糖胺聚糖糖链。 蛋白聚糖的一个显著特点是其多态性，可以含有不同氨基酸序列的核心蛋白，以 及长度和成分不同的多糖链。
36 000 40 000 600 000 20 000
1 1 2～15 10～15 1～ 3
细胞表面和 胞外基质 结缔组织
基底膜
硫酸软骨素/硫酸 皮肤素 硫酸软骨素+硫酸 类肝素
血白细胞中 的分泌泡 成纤维细胞 和上皮细胞 表面
黏结蛋白聚糖-1 32 000 (syndecan-1)
Extracellular Matrix and Matrix-Cell Interaction
硫酸皮肤素GAG链的二糖重复序列
团或羧基，故糖胺聚糖带有 大量负电荷 。
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第十一章 细胞外基质及其与细胞的相互作用
(一)糖胺聚糖 （glycosaminoglycan, GAG）
其根据糖残基的性质、连接方式、硫酸化数量和存在的部位， 糖胺聚糖可分为六种： 透明质酸（hyaluronic acid，HA) 硫酸软骨素（chondroitin sulfate，CS） 硫酸皮肤素（dermatan sulfate，DS） 硫酸乙酰肝素（heparan sulfate，HS） 肝素（heparin） 硫酸角质素（keratan sulfate，KS）