细胞生物学

王卫东

目录

  • 1 教学安排与课程要求
    • 1.1 课程公告
    • 1.2 教学进度表
    • 1.3 课程学习要求
    • 1.4 名词解释如何答题
    • 1.5 关于教材——翟中和先生与《细胞生物学》的故事
    • 1.6 教科书太差,诺奖得主组队重写!让人只看插图也能读懂
    • 1.7 金艳霞:细胞生物学学习心得
    • 1.8 创意课堂集锦
    • 1.9 2021全国 “创意课堂”大赛获奖作品
    • 1.10 Cell Biology Video Links
  • 2 绪论-细胞概述
    • 2.1 本章教案
    • 2.2 本章导学
    • 2.3 教学课件
    • 2.4 教学视频
    • 2.5 教学动画
    • 2.6 单元自测
    • 2.7 讨论
    • 2.8 Suggested Reading
      • 2.8.1 胡克和虎克
      • 2.8.2 施莱登:从律师到植物学家,联合开创细胞学说
      • 2.8.3 他,企图自杀;他,胆小内向;他们在一起会发生什么?
      • 2.8.4 极端环境下的生命
      • 2.8.5 古菌传奇-卡尔·乌斯(Carl Woese)
      • 2.8.6 未来科学大奖得主李文辉:敢于挑战看似不可能的问题
      • 2.8.7 神奇的细胞内部之旅
  • 3 细胞生物学研究方法
    • 3.1 本章教案
    • 3.2 本章导学
    • 3.3 教学课件
    • 3.4 教学视频
    • 3.5 教学动画
    • 3.6 单元自测
    • 3.7 讨论
    • 3.8 Web Links
    • 3.9 Suggested Reading
      • 3.9.1 光学显微镜分辨率极限
      • 3.9.2 荧光蛋白的过去、现在和未来
      • 3.9.3 绿色荧光蛋白(GFP)的发现与应用
      • 3.9.4 做贡献的人很多,登上领奖台的只有三个
      • 3.9.5 海拉(HeLa)细胞
      • 3.9.6 你体内的细胞,属于你吗?
      • 3.9.7 李栋:10年抵达0.00000006米,分辨率并非唯一答案
      • 3.9.8 浅谈细胞冻存
  • 4 细胞质膜
    • 4.1 本章教案
    • 4.2 本章导学
    • 4.3 教学课件
    • 4.4 教学视频
    • 4.5 单元自测
    • 4.6 讨论
    • 4.7 Web Links
    • 4.8 Suggested Reading
      • 4.8.1 关于红细胞的表面积
      • 4.8.2 细胞膜的发现
      • 4.8.3 细胞膜的探索历程
      • 4.8.4 生物膜曲度形成机制的探讨
      • 4.8.5 镰状血红蛋白如何帮助镰状细胞贫血患者或携带者抵抗疟疾?
  • 5 物质的跨膜运输
    • 5.1 本章教案
    • 5.2 本章导学
    • 5.3 教学课件
    • 5.4 教学视频
    • 5.5 教学动画
    • 5.6 颜宁_Membrane Transport Proteins
    • 5.7 单元自测
    • 5.8 讨论
    • 5.9 Web Links
    • 5.10 Suggested Reading
      • 5.10.1 烟碱型乙酰胆碱受体辅助分子的调节机制及疾病治疗转化应用前景
      • 5.10.2 主动运输的物质一定都是逆浓度运输?
      • 5.10.3 葡萄糖的运输方式是主动运输吗?
      • 5.10.4 胞吞、胞吐是跨膜运输吗?是主动运输吗?
      • 5.10.5 高中教材:中国科学家揭示GLUT1结构及工作机理
      • 5.10.6 主动运输能够顺浓度梯度进行吗?如果可以的话,还消耗能量吗?
      • 5.10.7 glucose transporters
      • 5.10.8 HIV如何感染细胞
      • 5.10.9 新冠疫情下的老药“氯喹”
  • 6 细胞质基质和内膜系统
    • 6.1 本章教案
    • 6.2 本章导学
    • 6.3 教学课件
    • 6.4 教学视频
    • 6.5 教学动画
    • 6.6 单元自测
    • 6.7 讨论
    • 6.8 Web Links
    • 6.9 Suggested Reading
      • 6.9.1 科学春秋:诺奖级科研成果在眼前却被忽略,奥秘何在?
      • 6.9.2 天使综合征与UBE3A基因
      • 6.9.3 阿龙·切哈诺沃诺贝尔化学奖获得者:发现泛素介导的蛋白质降解
      • 6.9.4 阿龙•切哈诺沃 我的成长经历-泛素发现者
      • 6.9.5 中国科学家贡献-青蒿素抗疟机理
      • 6.9.6 溶酶体的发现者-德迪夫(ChristiandeDuve)
      • 6.9.7 探微细胞世界的“三剑客”:克劳德、德迪夫和帕拉德
      • 6.9.8 lysosome的发现
      • 6.9.9 细胞内糖基化-糖类、糖科学与糖的世界
      • 6.9.10 自噬体成熟的机制、调控和病理生理学意义
  • 7 蛋白质分选与膜泡运输
    • 7.1 本章教案
    • 7.2 本章导学
    • 7.3 教学课件
    • 7.4 教学视频
    • 7.5 教学动画
    • 7.6 单元自测
    • 7.7 讨论
    • 7.8 Web Links
    • 7.9 Suggested Reading
      • 7.9.1 一幅图看懂2013年诺贝尔生理医学奖
      • 7.9.2 一个本科生,只用了两年就拿下诺贝尔奖,拯救了无数糖尿病患者
      • 7.9.3 胰岛素的生物合成和分泌途径
      • 7.9.4 “雨伞谋杀案”揭秘
      • 7.9.5 2013诺奖阅读
  • 8 线粒体
    • 8.1 本章教案
    • 8.2 本章导学
    • 8.3 教学课件
    • 8.4 教学视频
    • 8.5 教学动画
    • 8.6 单元自测
    • 8.7 讨论
    • 8.8 Web Links
    • 8.9 Suggested Reading
      • 8.9.1 氧化磷酸化抑制剂和解偶联剂
      • 8.9.2 ATP是如何供能的?
      • 8.9.3 氧气有毒?那我们怎么活下来的?
      • 8.9.4 高中教材:中国科学家的贡献
      • 8.9.5 线粒体疾病
  • 9 细胞骨架
    • 9.1 本章教案
    • 9.2 本章导学
    • 9.3 教学课件
    • 9.4 教学视频
    • 9.5 教学动画
    • 9.6 单元自测
    • 9.7 Web Links
    • 9.8 Suggested Reading
      • 9.8.1 饶毅:超男研究生
      • 9.8.2 Myosin VI
      • 9.8.3 纤毛
      • 9.8.4 【细胞世界】纤毛-细胞的“天线”和“船桨”
    • 9.9 纤毛讲课视频-金艳霞
  • 10 细胞核与染色质
    • 10.1 本章教案
    • 10.2 本章导学
    • 10.3 教学课件
    • 10.4 教学视频
    • 10.5 教学动画
    • 10.6 单元自测
    • 10.7 讨论
    • 10.8 Web Links
    • 10.9 Suggested Reading
      • 10.9.1 DNA 复制过程中,组蛋白如何复制?核小体如何重组?组蛋白修饰如何遗传?
      • 10.9.2 端粒和端粒酶的发现历程
      • 10.9.3 他们用一页论文拿到诺奖,只因看到一张照片
      • 10.9.4 科学家传:遗传学家徐道觉的精彩人生
      • 10.9.5 Science | 翻译结束后怎么停?新技术揭示翻译终止全过程
      • 10.9.6 中国科学家贡献-人工合成染色体
      • 10.9.7 施一公团队解析核孔复合体结构
      • 10.9.8 人类24条染色体
  • 11 细胞信号转导
    • 11.1 本章教案
    • 11.2 本章导学
    • 11.3 教学课件
    • 11.4 教学视频
    • 11.5 教学动画
    • 11.6 单元自测
    • 11.7 Web Links
    • 11.8 Suggested Reading
      • 11.8.1 NO发现
      • 11.8.2 G蛋白偶联受体:生命科学和药物研发的“宝藏”
      • 11.8.3 霍乱之谜-创意课堂
      • 11.8.4 Mechanism of insulin secretion from pancreatic β-cells and glucagon release from α cells
  • 12 细胞周期与细胞分裂
    • 12.1 本章教案
    • 12.2 本章导学
    • 12.3 教学课件
    • 12.4 教学视频
    • 12.5 教学动画
    • 12.6 单元自测
    • 12.7 讨论
    • 12.8 Web Links
    • 12.9 Suggested Reading
      • 12.9.1 动物细胞有丝分裂图中没有画同源染色体,为什么?
      • 12.9.2 无丝分裂
  • 13 细胞增殖调控与癌细胞
    • 13.1 本章教案
    • 13.2 本章导学
    • 13.3 教学课件
    • 13.4 教学视频
    • 13.5 教学动画
    • 13.6 单元自测
    • 13.7 讨论
    • 13.8 Web Links
    • 13.9 Suggested Reading
      • 13.9.1 模式生物里的青蛙王子
      • 13.9.2 新研究揭示了“活性氧”自由基如何驱动细胞分裂
  • 14 细胞分化与干细胞
    • 14.1 本章教案
    • 14.2 本章导学
    • 14.3 教学课件
    • 14.4 教学视频
    • 14.5 教学动画
    • 14.6 单元自测
    • 14.7 讨论
    • 14.8 Web Links
    • 14.9 Suggested Reading
      • 14.9.1 干细胞研究与应用—为人类生命健康提供保障
      • 14.9.2 从多莉羊到克隆猴
      • 14.9.3 从克隆猴的成功谈中国创新
      • 14.9.4 高中教材:中国科学家贡献-世界首例体细胞克隆猴诞生
      • 14.9.5 高中教材:中华骨髓库
  • 15 细胞衰老与细胞程序性死亡
    • 15.1 本章教案
    • 15.2 本章导学
    • 15.3 教学课件
    • 15.4 教学视频
    • 15.5 教学动画
    • 15.6 施一公_细胞凋亡的分子机理
    • 15.7 单元自测
    • 15.8 讨论
    • 15.9 Suggested Reading
      • 15.9.1 细胞的N种花样死法
      • 15.9.2 细胞凋亡生化通路的发现者——记华裔科学家王晓东
      • 15.9.3 凋亡的线粒体途径-王晓东的科研思路追踪
      • 15.9.4 癌细胞高清生死实录!
      • 15.9.5 《nature》揭开衰老的细胞秘密
  • 16 细胞的社会联系
    • 16.1 本章教案
    • 16.2 本章导学
    • 16.3 教学课件
    • 16.4 教学视频
    • 16.5 教学动画
    • 16.6 单元自测
    • 16.7 Web Links
    • 16.8 Suggested Reading
      • 16.8.1 inner life of a cell解析
      • 16.8.2 维生素C的历史——从征服“海上凶神”到诺贝尔奖
本章导学

重点提要】

细胞社会性联系的含义;细胞连接的类型、结构、生物学功能及其调节;细胞黏着及黏着分子类型与生物学功能;细胞外基质的组成与功能。

基本概念

1. 细胞的社会性(cell sociability):为了构建并维持一个正常的个体、保证生命活动的高度有序性和时空性,多细胞生物体中细胞与细胞之间建立的相互制约、相互协调的社会性联系。细胞的社会性主要通过细胞通讯、细胞黏着、细胞连接以及细胞与保外基质的相互作用来实现。

2. 细胞连接(celljunction):在细胞质膜的特化区域,通过膜蛋白、细胞骨架蛋白或者胞外基质形成的细胞与细胞之间,或者细胞与胞外基质间的连接结构。

3. 封闭连接(occludingjunction):将相邻上皮细胞的质膜紧密地连接在一起,阻止溶液中的小分子沿细胞间隙从细胞一侧渗透到另一侧。紧密连接是这种连接的典型代表。

4. 锚定连接( anchoring junction):通过细胞质膜蛋白及细胞骨架系统将相邻细胞,或细胞与胞外基质间连接起来。

5. 通讯连接(communicationjunction):介导相邻细胞间的物质转运、化学或电信号的传递,主要包括动物细胞间的间隙连接、神经元之间或神经元与效应细胞之间的化学突触(chemicalsynapse)和植物细胞间的胞间连丝(plasmodesma)

6. 紧密连接( tight junction):上皮细胞之间的一种特殊的封闭连接,阻止可溶性物质从上皮细胞层一侧扩散到另一侧,形成渗透屏障,起重要的封闭作用,也形成了上皮细胞质膜蛋白与膜脂分子侧向扩散的屏障,维持了上皮细胞的极性。紧密连接形成渗透屏障是相对的,某些小分子物质能以细胞旁路途径(paracellularpathway)从上皮细胞一侧转运或渗漏到另一侧。

7. 桥粒(desmosomes):细胞与细胞间的一种锚定连接方式,在质膜内表面有明显的致密胞质斑,一侧与细胞内的中间丝相连,另一侧与跨膜黏附性蛋白是钙黏蛋白(cadherin)。

8. 半桥粒( hemidesmosome):细胞与胞外基质间的一种锚定连接方式,参与的细胞骨架是中间丝,跨膜黏附性蛋白是整联蛋白(integrin)。通过半桥粒,上皮细胞可以黏着在基膜上.

9.黏着带(adhesion belt):由钙黏蛋白以及微丝参与的细胞锚定连接方式,位于上皮细胞紧密连接的下方,推测其在动物胚胎发育形态建成过程中,能促使上皮细胞层弯曲形成神经管等结构

10.黏着斑(focal adhesion):细胞与胞外基质之间的锚定连接方式,参与的细胞骨架组分是微丝,跨膜粘附性蛋白是整联蛋白,有助于维持细胞在运动过程中的张力以及细胞生长的信号传递。

11.间隙连接(gap junction):动物细胞间的通讯连接方式。相邻细胞质膜上的两个连接子对接形成中空、完整的间隙连接结构,以利于小分子通过,从而实现代谢偶联等细胞通讯作用。

12.胞间连丝(plasmodesma):植物细胞间的通讯连接方式。胞间连丝形成了物质从一个细胞进入另一个细胞的通路,在植物细胞的物质运输和信号传递中起作用。

13. 细胞黏着(celladhesion):通过细胞表面的细胞黏着分子(celladhesion molecule),介导细胞与细胞间的黏着或细胞与细胞外基质间的黏着。细胞黏着有助于胚胎发育及形态建成。

14. 钙黏蛋白(cadherin):一种同亲型结合、Ca2+依赖的、介导与细胞间细胞黏着的跨膜糖蛋白,,对胚胎发育中的细胞识别、迁移和组织分化以及成体组织器官构成具有主要作用。

15. 整联蛋白(integrin):一类跨膜蛋白超家族,通过与细胞内骨架蛋白的相互作用介导细胞与胞外基质的黏着。整联蛋白介导的细胞与胞外基质黏着的典型结构有黏着斑和半桥粒。

16. 黏着斑激酶(focaladhesion kinase):细胞内酪氨酸激酶,被募集到黏着斑部位活化后调节细胞增殖、生长、生存、凋亡等重要生命活动

17.胞外基质(extracellular matrix):分布于细胞外空间、由细胞分泌的蛋白质和多糖所构成的网络结构,不仅为组织的构建提供了支撑框架,还对与其接触的细胞的存活、发育、迁移、增殖、形态以及其它功能产生重要的调控作用。

18.  胶原( collagen):胞外基质中含量丰富的一类糖蛋白分子,赋予胞外基质较强的抗张力作用。

19.弹性蛋白elastin:胞外基质中高度疏水的非糖基化蛋白,赋予胞外基质弹性。

20. 蛋白聚糖(proteoglycan):位于结缔组织和细胞外基质及许多细胞表面,由糖氨聚糖与核心蛋白的丝氨酸残基共价连接形成的大分子,赋予组织抗变形能力,在信号转导以及信号分子活性与分布的调节等方面也发挥重要作用。

21. 基膜(basallaminabasementmembrane):是一种特化的胞外基质结构,通常位于上皮层的基底面,不仅对组织起结构支撑作用,还具有调节分子通透性以及作为细胞运动的选择性通透屏障,对细胞细胞代谢、存活、增殖、分化等也有影响作用

22. 细胞外被(cellcoat):又称糖萼(glycocalyx),指细胞质膜外表面覆盖的一层粘多糖物质,是细胞质膜的正常结构组分,不仅对细胞膜起保护作用,而且在细胞识别中起重要作用。

知识点解析

一、细胞连接

细胞连接(cell junction)是指在细胞质膜的特化区域,通过膜蛋白、细胞骨架蛋白或者胞外基质形成的细胞与细胞之间、细胞与胞外基质之间的连接结构。细胞连接是细胞社会性的结构基础,是多细胞有机体中相邻细胞之间协同作用的重要组织方式,主要存在于上皮细胞间。

根据行使功能的不同, 细胞连接可分为3大类:

1. 封闭连接(occludingjunction) 

将相邻上皮细胞的质膜紧密地连接在一起,阻止溶液中的小分子沿细胞间隙从细胞一侧渗透到另一侧。其典型代表是紧密连接。

紧密连接处的相邻细胞质膜紧紧地靠在一起,没有间隙,由围绕在细胞四周的焊接线嵴线—形成。

紧密连接有两个主要功能:一是形成渗透屏障,阻止可溶性物质从上皮细胞层一侧通过细胞间间隙扩散到另一侧,起封闭作用。紧密连接不但在上皮细胞间存在,也存在于血管内皮细胞间,特别是在大脑的血管内皮细胞间更为明显,以阻止离子或水分子等通过血管内皮组织进入大脑,从而保证大脑内环境的稳定性。

紧密连接形成的渗透屏障是相对的。某些小分子可以通过相邻细胞间的紧密连结,以细胞旁路途径(paracellularpathway)从上皮细胞层一侧转运或渗漏到另一侧,如小肠上皮和肾小管组织中存在细胞旁路转运方式。这种转运方式的调节与构成紧密连接的claudin蛋白组成有关,也与G蛋白-cAMP信号通路的调节有关。

紧密连接的第二个功能是形成上皮细胞膜蛋白与膜脂分子侧向扩散的屏障,从而维持上皮细胞的极性。小肠上皮细胞是极性细胞,有面向肠腔的顶面(apicalface)或游离面,以及基底面(basolateralface)。正是由于紧密连接限制了膜蛋白和膜脂分子的流动性,使得上皮细胞游离面与基底面的膜蛋白以及膜脂分子只能够在各自的膜区域流动,以行使各自不同的功能。因此,紧密连接不仅仅是细胞间的一个机械连接装置,而且还能维持上皮细胞极性,保证细胞正常功能。

 

2.锚定连接(anchoringjunction) 

单纯的细胞质膜承受机械力的强度很低,但当细胞形成组织后,由于细胞间或者细胞与胞外基质间通过锚定连接分散作用力,从而增强细胞承受机械力的能力。锚定连接在那些需要承受机械力的组织内尤其丰富,通过细胞膜蛋白及细胞骨架系统将相邻细胞,或细胞与胞外基质间黏着起来。

根据直接参与细胞连接的细胞骨架纤维类型的不同,锚定连接又分为与中间丝相关的锚定连接和与肌动蛋白纤维相关的锚定连接。前者包括桥粒和半桥粒;后者主要有黏着带和黏着斑。

1)与中间丝相连的锚定连接:桥粒与半桥粒

桥粒(desmosome)是连接相邻细胞间的锚定连接方式,最明显的形态特征是细胞内锚蛋白形成独特的盘状胞质致密斑,一侧与细胞内的中间丝相连,另一侧与跨膜的粘连蛋白相连,在两个细胞之间形成钮扣样结构,将相邻细胞铆接在一起。胞内锚蛋白包括桥粒斑珠蛋白(plakoglobin)和桥粒斑蛋白(desmoplakin)。跨膜粘连蛋白属于钙黏蛋白家族(cadherinfamily),包括桥粒芯蛋白(desmoglein)和桥粒芯胶黏蛋白(desmocollin)等。细胞内中间丝依据细胞类型不同而种类有异,在上皮细胞主要是角蛋白丝(keratinfilament)。桥粒结构上看,一个细胞内的中间丝与相邻细胞内的中间丝通过桥粒相互作用,从而将相邻细胞连成一体,增强了细胞抵抗外界压力与张力的机械强度。

半桥粒(hemidesmosome)在形态上与桥粒类似,但功能和化学组成不同。半桥粒是细胞与胞外基质间的连接形式,参与的细胞骨架仍然是中间丝,但其细胞膜上的跨膜粘连蛋白是整联蛋白(integrin),与整联蛋白相连的胞外基质是层粘连蛋白。通过半桥粒,上皮细胞可以黏着在基膜上。

(2) 与肌动蛋白纤维相连的锚定连接:黏着带与黏着斑

黏着带(adhesionbelt)位于上皮细胞紧密连接的下方, 相邻细胞间形成一个连续的带状结构,Ca2+依赖的跨膜粘连蛋白(钙黏蛋白)形成胞间横桥相连结,与黏着带相连的骨架纤维是肌动蛋白纤维.

黏着斑(focaladhesion)是细胞与胞外基质之间的连接方式,参与的细胞骨架组分是微丝,跨膜粘连蛋白是整联蛋白,胞外基质主要是胶原和纤连蛋白,胞内锚蛋白有踝蛋白(talin,α-辅肌动蛋白, filamin和纽蛋白等。

 

3. 通讯连接(communicatingjunction)

   介导相邻细胞间的物质转运、化学或电信号的传递,主要包括动物细胞间的间隙连接、神经元-神经元之间或神经元-效应细胞之间的化学突触和植物细胞间的胞间连丝。

1)间隙连接(gapjunction

在动物组织细胞间分布非常广泛。除骨骼肌细胞及血细胞外,几乎所有的动物组织细胞都利用间隙连接来进行通讯联系。

 

①结构与成分

间隙连接的基本结构单位是连接子(connexon)。每个连接子由6个相同或相似的跨膜连接蛋白(connexin)呈环状排列而成, 中央形成一个直径约1.5nm的亲水性通道。相邻细胞质膜上的两个连接子对接便形成完整的间隙连接结构。间隙连接处相邻细胞质膜间的间隙为23nm,因而间隙连接也称缝隙连接。许多间隙连接单位往往集结在一起形成大小不一的片状结构。

 

②功能:

相邻细胞通过间隙连接可以实现代谢偶联或电偶联,其通道可以允许分子量小于1×103道尔顿的分子,如无机盐离子、糖、氨基酸、核苷酸、维生素、cAMP等通过,而蛋白质、核酸、多糖等生物大分子则不能通过。

间隙连接在代谢耦联中的作用:间隙连接允许通过小分子代谢物和信号分子,以实现细胞间代谢耦联或细胞通讯。如将不能利用胸苷合成DNA的突变细胞与正常细胞共培养后形成间隙连接,发现正常细胞利用胸苷合成三磷酸胸苷(TTP)后作为DNA合成的前体物,通过间隙连接进入突变细胞中参与DNA合成。

间隙连接在神经冲动信息传递中的作用:神经元之间或神经元与效应细胞(如肌细胞)之间通过突触(synapse)完成神经冲动的传导。突触可分为电突触(electronic synapse)和化学突触(chemical synapse)两种基本类型。电突触是一种间隙连接。与化学突触相比,电突触由于不涉及到电信号——化学信号之间的转变,动作电位从一个细胞直接通过间隙连接通道迅速传递到另一个细胞,因此,信号传递速度很快。

间隙连接在胚胎早期发育中的作用:间隙连接出现在动物胚胎发育的早期,当细胞开始分化后, 不同细胞群之间电偶联逐渐消失,说明间隙连接存在于发育与分化的特定阶段的细胞之间。

间隙连接通透性的调节:首先,间隙连接对小分子物质的通透能力具有底物选择性;其次,间隙连接通透性受细胞质Ca2+浓度和pH值调节。降低胞质中的pH值和提高胞质中自由Ca2+的浓度都可以使间隙连接通透性降低。

 

2胞间连丝

由于植物细胞具有坚韧的细胞壁,因此相邻细胞的质膜无法形成像动物细胞间的紧密连接和间隙连接,也不需要形成锚定连接,但植物细胞间仍然需要通讯。除极少数特化的细胞外,高等植物细胞之间通过胞间连丝(plasmodesma)相互连接, 完成细胞间的通讯联络。胞间连丝中央是由光面内质网延伸形成的链样管,在链样管与管状质膜之间是由细胞液构成的环孔。胞间连丝形成了物质从一个细胞进入另一个细胞的通路, 在植物细胞的物质运输和信号传递中起着非常重要的作用。胞间连丝介导的细胞间的物质运输也是有选择性的,并且是可以调节的。

 

二、细胞黏着及其分子基础

 

同类细胞能够相互识别与黏着。在发育过程中,细胞间的识别、黏着、分离以及迁移对胚胎发育及形态建成具有重要作用;在器官形成过程中,同样通过细胞识别与黏着使具有相同表面特性的细胞聚集在一起形成组织和器官。

细胞识别与黏着的分子基础是细胞表面的细胞黏着分子(cell adhesion molecule,CAM)。细胞黏着分子都是整合膜蛋白,介导细胞与细胞间的黏着或细胞与细胞外基质间的黏着。这些分子通过3种方式介导细胞识别与黏着:相邻细胞表面的同种黏着分子间的识别与黏着(同亲型结合);相邻细胞表面的不同黏着分子间的相互识别与黏着(异亲型结合);相邻细胞表面的同种黏着分子借助其他衔接分子的相互识别与黏着(衔接分子依赖性结合)。根据其结构与功能特性,细胞黏着分子分为4大类:

1.钙黏蛋白(cadherin

钙黏蛋白是一种同亲型结合、Ca2+依赖的细胞黏着糖蛋白,对胚胎发育中的细胞识别、迁移和组织分化以及成体组织器官构成具有主要作用。

1)类型:

钙黏蛋白包括典型钙黏蛋白和非典型钙黏蛋白两类。E-钙黏蛋白、N-钙黏蛋白、P-钙黏蛋白等为典型钙黏蛋白。而非典型钙黏蛋白在序列组成上差异较大,包括分布于大脑的原钙黏蛋白(protocadherin)以及形成桥粒连结的桥粒芯蛋白和桥粒芯胶黏蛋白。

2)结构与功能:

典型钙黏蛋白胞外部分形成5个重复结构域(cadherinrepeat),非典型钙黏蛋白胞外部分一般有4-5个重复结构域,个别甚至高达30个重复结构域。每个重复结构域类似一个刚性结构,它们之间是具有一定韧性的铰链区域,铰链区是Ca2+结合位点。当Ca2+结合在重复结构域之间的铰链区域后,赋予了整个钙蛋白胞外部分的刚性,使得一个细胞钙黏蛋白的把手样结构和另一个细胞钙黏蛋白的口袋状结构彼此嵌合在一起,从而实现Ca2+依赖性的细胞黏着。钙黏蛋白胞内结构域为微丝或中间丝提供了锚定位点。

钙黏蛋白介导高度选择性的细胞识别与黏着。通过调控钙黏蛋白的种类与数量能影响细胞间的黏着与迁移,从而影响组织分化。此外,在上皮细胞转型为间质细胞或间质细胞转型为上皮细胞的过程中,涉及E-钙黏蛋白的表达与否。表达E-钙黏蛋白后,分散的间质细胞会聚集在一起形成上皮组织;不表达E-钙黏蛋白的上皮细胞则改变其命运,从上皮组织迁移出来形成游离的间质细胞。癌细胞演进与EMT有关。

 

2.选择素(selectin

选择素是一类异亲型结合、Ca2+依赖的细胞黏着分子,能与特异糖基识别并结合。除了L-选择素外,还有位于血小板和内皮细胞上的P-选择素以及位于内皮细胞上的E-选择素。选择素是跨膜蛋白,其胞外部分具有高度保守并能识别其它细胞表面特异性寡糖链的凝集素(lectin)结构域。选择素主要参与白细胞与血管内皮细胞之间的识别与黏着,帮助白细胞经血流进入炎症部位。

3.免疫球蛋白超家族(IgSF

IgSF指分子结构中具有与免疫球蛋白类似结构域的细胞黏着分子超家族。其中有的介导同亲型细胞黏着,有的介导异亲型细胞黏着,但免疫球蛋白超家族成员介导的黏着都不依赖于Ca2+大多数IgSF细胞黏着分子介导淋巴细胞和免疫应答所需要的细胞(如巨噬细胞,淋巴细胞和靶细胞)之间的黏着。

4. 整联蛋白(integrin

整联蛋白普遍存在于脊椎动物细胞表面,属于异亲型结合、Ca2+Mg2+依赖性的细胞黏着分子,主要介导细胞与胞外基质间的黏着。

1)分子结构

整联蛋白由αβ两个亚基形成跨膜异二聚体,整联蛋白是由αβ两个亚基形成跨膜异二聚体。αβ两个亚基均具有较大的胞外配体结合区、单跨膜区和较小的可结合细胞骨架及信号分子的胞内区,其中含β1亚基的各种整联蛋白是多种胞外基质成分的受体。

2)功能

①介导细胞与胞外基质的黏着:

大多数整联蛋白β亚基的胞内部分通过踝蛋白等相互作用,而胞外部分则通过自身结构域与纤连蛋白、层粘连蛋白等含有Arg-Gly-AspRGD)三肽序列的胞外基质成分结合,介导细胞与胞外基质的黏着,典型结构有黏合斑和半桥粒。如果细胞在含有RGD序列的合成肽的培养基中培养,因合成肽的RGD序列与纤连蛋白中的RGD序列竞争性地结合在细胞表面的整联蛋白上,导致细胞不能贴壁、生长。利用这一原理,临床上已成功开发出防止血栓形成的药物。

②介导信号传递:

     整联蛋白参与的信号传递方向有由内向外inside out)及由外向内outside in)两种形式。由细胞内部信号传递的启动而调节细胞表面整联蛋白活性,称为由内向外的信号转导。例如,血液凝固过程中,血小板结合于受损血管或被其它可溶性信号分子作用后引起细胞内信号的传递,诱导血小板膜上的αIIbβ3整联蛋白构象发生改变而被激活。活化的整联蛋白与血液凝固蛋白——纤维蛋白原结合后导致血小板彼此粘连在一起形成血凝块。

整联蛋白作为受体介导信号从细胞外环境到细胞内的转导,这种方式称为由外向内的信号转导。整联蛋白介导的由外向内的典型信号转导通路依赖细胞内酪氨酸激酶黏合斑激酶(focaladhesion kinase, FAK)。与配体结合后整联蛋白与肌动蛋白产生联系,并聚集在一起形成黏合斑。此时,FAK借助踝蛋白等结构蛋白被募集到黏合斑部位,并使彼此特异的酪氨酸带上磷酸基团,为细胞内酪氨酸激酶Src家族成员提供停泊位点,最终将信号向胞内传递引起细胞级联反应。

 

三、细胞外基质

多细胞生物体的组成除细胞之外,还包括由细胞分泌的蛋白质和多糖所构成的细胞外基质(extracellular matrixECM)。细胞外基质在结缔组织中含量最为丰富,主要由成纤维细胞(fibroblast)所分泌形成复杂的网络结构,占据结缔组织的大部分胞外空间。胞外基质变化多样,有的异常坚硬,如骨,有的却透明而柔软,如角膜中的胞外基质。

根据其组成成份的功能进行划分,动物细胞的胞外基质成份主要有3种类型:(1)结构蛋白,包括胶原和弹性蛋白,分别赋予胞外基质强度和韧性;(2)蛋白聚糖,由蛋白和多糖共价形成,具有高度亲水性,从而赋予胞外基质抗压的能力;(3)粘连糖蛋白,包括纤连蛋白和层粘连蛋白,有助于细胞粘连到胞外基质上。

(一)胶原collagen

1. 结构与类型

胶原是胞外基质最基本的成份之一,也是动物体内含量最丰富的蛋白, 约占人体蛋白质总量的25%以上。典型的胶原分子呈纤维状,基本结构单位是原胶原(tropocollagen)。原胶原由3α链多肽盘绕而成三股螺旋结构。因α链的一级结构具有Gly-X-Y三肽重复序列,因此α链易于形成三股螺旋胶原分子,也有助于胶原纤维高级结构的形成。

并非所有类型的胶原都由相同的α链螺旋盘绕形成,如IIVVIX型胶原由两种或三种α链螺旋形成。

2.合成与装配

与大多数分泌蛋白的合成、修饰类似,胶原的合成与组装始于内质网, 并在高尔基体中进行修饰,最后在细胞外组装成胶原纤维。

α链在rER膜结合的核糖体上合成,含有内质网信号肽,N-端及C-端含有前肽;前α链进入rER腔后信号肽被切除。然后,带有前肽的3条前α链在ER腔内装配形成三股螺旋的前胶原分子(procollagen),并通过高尔基体分泌到细胞外,在两种Zn2+依赖性的前胶原N-蛋白酶和前胶原C-蛋白酶作用下,分别切去N-端前肽及C-端前肽,成为胶原分子(collagen molecule)。胶原分子以1/4交替平行排列的方式自我装配形成胶原原纤维(collagen fibril),胶原原纤维进一步聚合成胶原纤维。

在胶原合成装配过程中,脯氨酸和赖氨酸残基的羟基化有助于羟基间形成氢键,以稳定胶原三股螺旋结构。缺少抗坏血酸(维他命C)时,脯氨酸的羟基化受到影响,从而引起坏血病,原因就在于未羟基化的前α链不能形成稳定的三股螺旋结构而很快在细胞中被降解,结果导致胞外基质中胶原的不断丢失而引起血管脆性增加。若缺乏切除前肽的酶, 将导致胶原不能正常组装为高度有序的纤维而出现皮肤和血管脆弱,皮肤弹性过强等症状

3.功能

胶原在胞外基质中含量最高, 刚性及抗张力强度最大,构成细胞外基质的骨架结构。细胞外基质中的其它组分通过与胶原结合形成结构与功能的复合体。若型胶原发生突变后,常导致成骨缺陷病,患者很容易发生骨折。

 

(二)弹性蛋白(elastin

弹性蛋白主要存在于脉管壁及肺组织,也少量存在于皮肤、肌腱及疏松结缔组织中。弹性纤维与胶原纤维共同存在, 分别赋予组织弹性及抗张性。弹性蛋白之所以富有弹性,与其组成有关。在组成上,弹性蛋白主要由两种不同类型的区域交替排列而成:疏水区域,赋予分子弹性;富含丙氨酸和赖氨酸的α 螺旋区域,有助于相邻分子形成交联。因此,弹性蛋白构象呈无规则卷曲状态且通过Lys残基相互交连成网状结构。

(三)糖氨聚糖和蛋白聚糖

1.糖氨聚糖(glycosaminoglycanGAG)

糖氨聚糖是由重复的二糖单位构成的不分支的长链多糖。由于其糖基通常带有硫酸基团或羧基,因此糖氨聚糖带有大量负电荷,因而能够吸引大量的阳离子。这些阳离子再结合大量水分子,结果,糖氨聚糖就像海绵一样吸水产生膨胀压,赋予胞外基质抗压的能力。

2. 蛋白聚糖(proteoglycan

     蛋白聚糖位于结缔组织和细胞外基质及许多细胞表面, 由糖氨聚糖(除透明质酸外)与核心蛋白的丝氨酸残基共价连接形成的大分子。在软骨中,大量蛋白聚糖借助连接蛋白以非共价键的形式与透明质酸结合形成很大的复合体。这些蛋白聚糖赋予软骨凝胶样特性和抗变形能力。

(四)纤连蛋白和层粘连蛋白

这两种蛋白质提供了胞外基质中其他大分子和细胞表面受体结合的特异性位点,从而帮助细胞粘连在胞外基质上,犹如“分子桥”一样,衔接了胞外基质大分子和细胞表面受体的结合。

1. 纤连蛋白(fibronectin

纤连蛋白由两个亚基通过C末端形成的二硫键交联形成,整个分子呈V形。纤连蛋白的每个亚基有数个结构域,这些结构域有的能识别并结合胞外基质组分,有的能识别并结合细胞表面受体。

纤连蛋白与细胞表面受体结合的结构域中含有RGD三肽序列,因此纤连蛋白具有介导细胞黏着的功能。纤连蛋白还促进细胞迁移,还有助于血液凝固和创伤修复。

2.层粘连蛋白(laminin)

层粘连蛋白主要分布于各种动物胚胎及成体组织的基膜,分子外形似字形状,可通过自身的RGD三肽序列与细胞质膜上的整联蛋白结合,从而有助于细胞锚定在基膜上。

(五)基膜与细胞外被

1.基膜(basallaminabasementmembrane

基膜是一种特化的胞外基质结构,通常位于上皮层的基底面,厚约40-120nm,将上皮细胞与结缔组织分开,主要成分为IV型胶原、层粘连蛋白、巢蛋白(nidogen)以及基膜蛋白聚糖等。层粘连蛋白在基膜中发挥了重要作用。

基膜不仅对组织起结构支撑作用,同时具有调节分子通透性以及作为细胞运动的选择性通透屏障,还能决定细胞的形态与极性,影响细胞代谢、促进细胞存活、增殖、分化甚至迁移,在组织再生中也发挥了重要作用。

2.细胞外被(cellcoat)

细胞外被又称糖萼,指细胞质膜外表面覆盖的一层粘多糖物质。这些多糖物质其实是与整合膜蛋白及某些膜脂分子共价相连的糖链分子。因此,细胞外被是细胞质膜的正常结构组分。细胞外被对细胞膜起保护作用,在细胞识别中也发挥了重要作用。

六、植物细胞壁

植物细胞的胞外基质形成细胞壁(cell wall),主要成分是多糖,包括纤维素、半纤维素、果胶质等,赋予植物细胞强度、保护细胞免受机械损伤以及病原体感染。此外,细胞壁还发挥渗透屏障作用。