第十章 细胞外基质 EXTRACELLULAR MATRIX ECM
细胞外基质(extracellular matriⅸ，ECM)是由大分子构成的错综复杂的网络。为细胞的 生存及活动提供适宜的场所，并通过信号转导系统影响细胞的形状、代谢、功能、迁移、增殖 和分化。 第一节细胞外基质的成分 构成细胞外基质的大分子种类繁多，可大致归纳为四大类：胶原、非胶原糖蛋白、氨基 聚糖与蛋白聚糖、以及弹性蛋白（图10-1,2）。 上皮组织、肌组织及脑与脊髓中的ECM含量较少，而结缔组织中ECM含量较高。细胞 外基质的组分及组装形式由所产生的细胞决定，并与组织的特殊功能需要相适应。例如，角膜 的细胞外基质为透明柔软的片层，肌腱的则坚韧如绳索。细胞外基质不仅静态的发挥支持、连 接、保水、保护等物理作用，而且动态的对细胞产生全方位影响。 Collagen Fibronectin Laminin Proteoglycan D 图10-1细胞外基质的成分
细胞外基质（extracellular matrix，ECM）是由大分子构成的错综复杂的网络。为细胞的 生存及活动提供适宜的场所，并通过信号转导系统影响细胞的形状、代谢、功能、迁移、增殖 和分化。 第一节 细胞外基质的成分 构成细胞外基质的大分子种类繁多，可大致归纳为四大类：胶原、非胶原糖蛋白、氨基 聚糖与蛋白聚糖、以及弹性蛋白（图 10-1，2）。 上皮组织、肌组织及脑与脊髓中的 ECM 含量较少，而结缔组织中 ECM 含量较高。细胞 外基质的组分及组装形式由所产生的细胞决定，并与组织的特殊功能需要相适应。例如，角膜 的细胞外基质为透明柔软的片层，肌腱的则坚韧如绳索。细胞外基质不仅静态的发挥支持、连 接、保水、保护等物理作用，而且动态的对细胞产生全方位影响。 图 10-1 细胞外基质的成分
Dead Specialized cornified cell-cell contact cells Epidermis Specialized cell-substratum contact Basement membrane Dividing cells Reticular fiber Basement membrane Collagen fiber Dermis Fibroblast Elastic fiber 图10-2上皮组织的细胞外基质 一、胶原(collagen) 胶原是动物体内含量最丰富的蛋白质，约占人体蛋白质总量的30%以上。它遍布于体内 各种器官和组织，是细胞外基质中的框架结构，可由成纤维细胞（图10-3）、软骨细胞、成 骨细胞及某些上皮细胞合成并分泌到细胞外。 图10-3成纤维细胞周围的胶原纤维 目前已发现的胶原至少有19种（表10-1），由不同的结构基因编码，具有不同的化学结 构及免疫学特性。〡、‖、川、V及X型胶原为有横纹的纤维形胶原
图 10-2 上皮组织的细胞外基质 一、胶原（collagen） 胶原是动物体内含量最丰富的蛋白质，约占人体蛋白质总量的 30％以上。它遍布于体内 各种器官和组织，是细胞外基质中的框架结构，可由成纤维细胞（图 10-3）、软骨细胞、成 骨细胞及某些上皮细胞合成并分泌到细胞外。 图 10-3 成纤维细胞周围的胶原纤维 目前已发现的胶原至少有 19 种（表 10-1），由不同的结构基因编码，具有不同的化学结 构及免疫学特性。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ及Ⅺ型胶原为有横纹的纤维形胶原
各型胶原都是由三条相同或不同的肽链形成三股螺旋，含有三种结构：螺旋区，非螺旋 区及球形结构域。其中！型胶原的结构最为典型。 表10-1胶原的类型 Approximate Type Fiber Length Occurence 1 300nm Skin,teeth,bones,tendoms,cornea 0 300nm cartilage,invertebral discs,notochord 10 300nm skin tendons,blood vessel/uterine walls IV 390nm basal laminae,kidney glomerulus, eye lens capsule V 300nm cornea,interstitial tissues VI 105nm cartilagenous/noncartilagenous connective tissues VI 450nm skin's basal lamine,tongue,cornea, sclera,amnion VII 150nm minor constituent of cartilage,sclera 200nm minor constituent of cartilage X 150nm minor constituent of cartilage,in cartilagenous regions undergoing transition to bone Ⅻ Unknown minor constituent of cartilage 11 Unknown minor constituent of tendons X11 Unknown endothelial tissues XIV Unknown fetal skin and tendon 图10-4胶原的结构（左模式图，右电镜照片）
各型胶原都是由三条相同或不同的肽链形成三股螺旋，含有三种结构：螺旋区，非螺旋 区及球形结构域。其中Ⅰ型胶原的结构最为典型。 表 10-1 胶原的类型 图 10-4 胶原的结构（左模式图，右电镜照片）
丨型胶原的原纤维平行排列成较粗大的束，成为光镜下可见的胶原纤维，抗张强度超过 钢筋。其三股螺旋由二条a1（1）链及一条a2（I）链构成。每条α链约含1050个氨基酸残 基，由重复的Gy-X-Y序列构成。X常为Pr0(脯氨酸)，Y常为羟脯氨酸或羟赖氨酸残基。 重复的G引y-X-Y序列使α链卷曲为左手螺旋，每圈含3个氨基酸残基。三股这样的螺旋再相互 盘绕成右手超螺旋，即原胶原。 原胶原分子间通过侧向共价交联，相互呈阶梯式有序排列聚合成直径50~200m、长 150nm至数微米的原纤维，在电镜下可见间隔67nm的横纹。胶原原纤维中的交联键是由侧 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。 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，皮肤、血管及各种组织变得僵硬，成为老化 的一个重要特征。 人α1(1)链的基因含51个外显子，因而基因转录后的拼接十分复杂。翻译出的肽链称 为前α链，其两端各具有一段不含G引y-X-Y序列的前肽。三条前α链的C端前肽借二硫键形 成链间交联，使三条前α链“对齐”排列。然后从C端向N端形成三股螺旋结构。前肽部分则呈 非螺旋卷曲。带有前肽的三股螺旋胶原分子称为前胶原(procollagen)。胶原变性后不能自 然复性重新形成三股螺旋结构，原因是成熟胶原分子的肽链不含前肽，故而不能再进行“对齐” 排列。 前α链在粗面内质网上合成，并在形成三股螺旋之前于脯氨酸及赖氨酸残基上进行羟基 化修饰，脯氨酸残基的羟化反应是在与膜结合的脯氨酰-4羟化酶及脯氨酰-3羟化酶的催化下 进行的。维生素C是这两种酶所必需的辅助因子。维生素C缺乏导致胶原的羟化反应不能充 分进行，不能形成正常的胶原原纤维，结果非羟化的前α链在细胞内被降解。因而，膳食中缺 乏维生素C可导致血管、肌腱、皮肤变脆，易出血，称为坏血病。 二、纤粘连蛋白(fibronectin,FN) FN是一种大型的糖蛋白，存在于所有脊椎动物，分子含糖4.5-9.5%，糖链结构依组织 细胞来源及分化状态而异。FN可将细胞连接到细胞外基质上（图10-5）
Ⅰ型胶原的原纤维平行排列成较粗大的束，成为光镜下可见的胶原纤维，抗张强度超过 钢筋。其三股螺旋由二条 α1（Ⅰ）链及一条 α2（Ⅰ）链构成。每条 α 链约含 1050 个氨基酸残 基，由重复的 Gly-X-Y 序列构成。X 常为 Pro（脯氨酸），Y 常为羟脯氨酸或羟赖氨酸残基。 重复的 Gly-X-Y 序列使 α 链卷曲为左手螺旋，每圈含 3 个氨基酸残基。三股这样的螺旋再相互 盘绕成右手超螺旋，即原胶原。 原胶原分子间通过侧向共价交联，相互呈阶梯式有序排列聚合成直径 50~200nm、长 150nm 至数微米的原纤维，在电镜下可见间隔 67nm 的横纹。胶原原纤维中的交联键是由侧 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。 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，皮肤、血管及各种组织变得僵硬，成为老化 的一个重要特征。 人 α1（Ⅰ）链的基因含 51 个外显子，因而基因转录后的拼接十分复杂。翻译出的肽链称 为前 α 链，其两端各具有一段不含 Gly-X-Y 序列的前肽。三条前 α 链的 C 端前肽借二硫键形 成链间交联，使三条前 α 链“对齐”排列。然后从 C 端向 N 端形成三股螺旋结构。前肽部分则呈 非螺旋卷曲。带有前肽的三股螺旋胶原分子称为前胶原（procollagen）。胶原变性后不能自 然复性重新形成三股螺旋结构，原因是成熟胶原分子的肽链不含前肽，故而不能再进行“对齐” 排列。 前 α 链在粗面内质网上合成，并在形成三股螺旋之前于脯氨酸及赖氨酸残基上进行羟基 化修饰，脯氨酸残基的羟化反应是在与膜结合的脯氨酰-4 羟化酶及脯氨酰-3 羟化酶的催化下 进行的。维生素 C 是这两种酶所必需的辅助因子。维生素 C 缺乏导致胶原的羟化反应不能充 分进行，不能形成正常的胶原原纤维，结果非羟化的前 α 链在细胞内被降解。因而，膳食中缺 乏维生素 C 可导致血管、肌腱、皮肤变脆，易出血，称为坏血病。 二、纤粘连蛋白（fibronectin，FN） FN 是一种大型的糖蛋白，存在于所有脊椎动物，分子含糖 4.5－9.5％，糖链结构依组织 细胞来源及分化状态而异。FN 可将细胞连接到细胞外基质上（图 10-5）