细胞生物学第十六章细胞的社会联系

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细胞连接

细胞连接(cell junction): 是指细胞与细胞间或细胞与细胞外基质的联结结构。根据行使功能不同可以分为: 封闭连接、锚定连接、通讯连接。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。

细胞识别(cell recognition): 是指细胞对同种或异种细胞、同源或异源细胞、以及对自己和异己分子的认识。多细胞生物有机体中有三种识别系统:抗原-抗体的识别、酶与底物的识别、细胞间的识别。细胞表面(cell surface): 是以细胞膜为核心的复合结构和功能体系, 包括细胞膜、细胞外被、各种细胞连接结构和一些细胞膜的特化结构等。主要功能是维持细胞相对稳定的微环境, 实现其物质交换、信息传递、细胞识别和免疫反应等功能活动。

封闭连接(occluding junction): 是指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的连接方式。其典型代表为紧密连接。锚定连接(anchoring junction): 是指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的连接方式。根据直接参与细胞连接的细胞骨架纤维类型的不同, 锚定连接可以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。

通讯连接(communicating junction): 是指介导相邻细胞间的物质转运、化学或电信号的传递的连接方式, 主要包括动物细胞间间隙连接、神经元之间化学突触和植物细胞间胞间连丝。通讯连接既使细胞之间彼此结合, 又介导了细胞之间的通讯联系。

封闭连接

紧密连接(tight junction): 是一种上皮细胞之间的特殊封闭连接。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。

紧密连接结构特点:

一般存在于上皮细胞之间, 紧密连接处的相邻细胞质膜紧紧地靠在一起, 没有间隙, 成串排列的特殊跨膜蛋白在相邻细胞间形成嵴线, 嵴线相互交联封闭了细胞之间的间隙。紧密连接主要功能:

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隙扩散到另一侧, 起封闭作用;

紧密连接的大脑毛细血管内皮细胞形成血脑屏障, 阻止离子或水分子等进入大脑, 从而保证了大脑内环境的稳定性。
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, 有面向肠腔的顶面或游离面, 以及基底面。游离面质膜与基底面质膜担负不同的功能, 游离面含有大量吸收葡萄糖分子的协同转运载体, 完成Na+驱动的葡萄糖同向转运;而基底面含有执行被动运输的葡萄糖转运载体, 将葡萄糖转运到细胞外液, 从而完成葡萄糖的吸收和转运功能。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。

锚定连接

锚定连接的蛋白构成:

细胞内锚蛋白(anchor protein): 这类蛋白形成独特的盘状致密斑(胞质斑), 一侧与细胞内的骨架纤维如中间丝或者微丝相连, 另一侧与跨膜黏附性蛋白相连。
跨膜黏附性蛋白质(adhesion protein): 这类蛋白是细胞膜蛋白, 一端与胞内锚蛋白相连, 另一端与胞外基质蛋白或与相邻细胞特异的跨膜黏附性蛋白质相连。

锚定连接的分类:

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。

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在两个细胞之间形成纽扣样结构, 将相邻细胞锚接在一起, 从而增强了细胞抵抗外界压力与张力的机械强度。

桥粒结构组分:

胞内锚蛋白包括桥粒斑珠蛋白和桥粒斑蛋白;
跨膜黏附性蛋白质属于钙黏蛋白家族, 包括桥粒芯蛋白和桥粒芯胶黏蛋白等;
细胞内中间丝依据细胞类型不同而种类有异, 在上皮细胞中主要是角蛋白丝。

半桥粒(hemidesmosome): 是细胞与胞外基质间的连接形式, 是上皮细胞与结缔组织之间的结合装置, 参与的细胞骨架是中间丝。通过半桥粒, 上皮细胞可以黏着在基膜上, 具有加强上皮细胞与结缔组织联结的作用。

与肌动蛋白纤维相连的锚定连接：黏着带与黏着斑

黏着带(adhesion belt): 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, 是连接相邻细胞间的锚定连接方式。在动物胚胎发育形态建成过程中, 黏着带能促使上皮细胞层弯曲形成神经管等结构。

黏着带结构组分:

细胞内锚蛋白包括连环蛋白、纽蛋白及α-辅肌动蛋白等;
跨膜黏附性蛋白是钙黏蛋白;
与黏着带相连的骨架纤维是肌动蛋白纤维。

黏着斑(focal adhesion): 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, 这种连接形式在肌肉与肌腱(主要成分是胶原)很常见。黏着斑的基本功能为细胞连接、附着与支持。体外培养成纤维细胞通过黏着斑贴附在培养皿基质上, 这种结构有助于维持细胞在运动过程中的张力以及影响细胞生长的信号传递。

	连接方式	黏着因子	胞外配体	胞内细胞骨架	胞内结合蛋白
细胞与细胞	黏着带	钙黏蛋白(E-钙黏蛋白)	相邻细胞的钙黏蛋白	微丝	黏着斑蛋白等
细胞与细胞	桥粒	钙黏蛋白(桥粒芯蛋白、桥粒芯胶黏蛋白)	相邻细胞的桥粒芯蛋白	中间丝	桥粒斑蛋白、桥粒斑珠蛋白
细胞与胞外基质	黏着斑	整联蛋白	胞外基质蛋白	微丝	黏着斑蛋白等
细胞与胞外基质	半桥粒	整联蛋白	胞外基质蛋白	中间丝	网蛋白

通讯连接

间隙连接

间隙连接(gap junction): 是动物细胞中通过连接子进行的细胞间连接。除了连接作用外,还能在细胞间形成电偶联和代谢偶联。

结构特点

连接子(connexons): 是一种跨膜蛋白, 间隙连接的基本结构单位, 由6个相同或相似的间隙连接蛋白呈环状排列而成, 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。
所有间隙连接蛋白都具有4个保守的α螺旋跨膜区。
间隙连接的黏着特性: 在大脑发育过程中, 间隙连接蛋白与细胞内的微丝相互作用, 介导了神经元沿放射状纤维的迁移。③间隙连接通透性的调节
间隙连接对小分子物质的通透能力具有底物选择性;
间隙连接通透性受细胞质Ca2＋浓度和pH调节, 降低胞质中的pH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;
间隙连接的通透性还受两侧电压梯度的调控及细胞外化学信号的调控。

间隙连接功能

间隙连接在代谢偶联中的作用
- 间隙连接允许通过小分子代谢物和信号分子, 以实现细胞间代谢偶联或细胞通讯, 而代谢偶联作用在协调细胞群体的生物学功能方面起重要的作用。
间隙连接在神经冲动信息传递中的作用
- 电突触(electronic synapse): 是指细胞间形成间隙连接, 电冲动可直接通过间隙连接从突触前向突触后传导, 电突触的间隙连接让动作电位迅速传递到另一个细胞, 有利于细胞间的快速通讯。
- 间隙连接在协调心肌细胞的收缩, 保证心脏正常跳动, 协调小肠平滑肌的收缩, 控制小肠蠕动等过程中也都能通过电偶联的方式来协调细胞群体行为。
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, 其代谢偶联或电偶联为影响细胞分化的信号物质的传递提供了重要的通路。

胞间连丝

胞间连丝(plasmodesma): 是指植物细胞壁小的开口, 相邻细胞的细胞膜伸入孔中, 彼此相连, 两个细胞的滑面型内质网也彼此相连的结构。胞间连丝不仅使相邻细胞的细胞质膜、细胞质、内质网交融在一起, 而且也是植物细胞间物质运输和信号传递的重要渠道。

胞间连丝的功能:

与动物细胞的间隙连接类似。
通透性可调节。某些植物病毒能制造特殊的蛋白质,使胞间连丝的有效孔径扩大。
某些细胞蛋白和核酸能够通过胞间连丝进入另外一个细胞。

化学突触

化学突触(chemical synapse): 是指存在于可兴奋细胞之间, 通过释放神经递质来传导神经冲动的细胞连接方式。在信息传递中, 有一个将电信号转化为化学信号, 再将化学信号转化为电信号的过程。

细胞黏着及其分子基础

细胞识别与黏着的分子基础: 是细胞表面的细胞黏着分子。

细胞黏着分子(cell adhesion molecule,CAM): 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。

CAM介导细胞识别和黏着的方式有三种:

同亲型结合: 相邻细胞表面的同种黏着分子间的识别与黏着。
异亲型结合: 相邻细胞表面的不同黏着分子间的相互识别与黏着。
衔接分子依赖性结合: 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。

CAM的分类:

钙黏蛋白;
选择素;
整联蛋白;
免疫球蛋白超家族。

钙黏蛋白

钙黏蛋白(cadherin)：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。钙黏蛋白介导高度选择性的细胞识别与黏着。

钙黏蛋白的分类：

典型钙黏蛋白: 如E-钙黏蛋白、N-钙黏蛋白、P-钙黏蛋白等, 具有细胞黏着和信号转导功能, 其胞内或胞外结构域在序列组成上高度相似。
非典型钙黏蛋白: 如大脑的原钙黏蛋白、形成桥粒连接的桥粒芯蛋白和桥粒芯胶黏蛋白, 在序列组成上差异较大, 主要介导细胞黏着。

上皮-间质转型(epithelial-mesenchymal transition, EMT): 是指上皮细胞与间质细胞间相互转化的受控的可逆的过程, 其分子机制涉及E-钙黏蛋白的表达。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转化为游离的间质细胞。

选择素

选择素(selectin): 是指一类异亲型结合、Ca2＋依赖性的细胞黏着分子, 其胞外部分具有高度保守并能识别其他细胞表面特异性寡糖链的凝集素(lectin)结构域。主要有L-选择素、P-选择素及E-选择素等。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。

凝集素(lectin): 是动物细胞和植物细胞都能够合成和分泌的、能与糖结合的蛋白质,在细胞识别和粘着反应中起重要作用,主要是促进细胞间的粘着。凝集素具有一个以上同糖结合的位点, 因此能够参与细胞的识别和粘着,将不同的细胞联系起来。

免疫球蛋白超家族

免疫球蛋白超家族(IgSF): 是指一种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, 介导不依赖于Ca2＋的同亲型细胞黏着或者异亲型细胞黏着。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之间的黏着;一些IgSF成员介导非免疫细胞的黏着, 在神经系统发育中有重要作用。

整联蛋白

整联蛋白(integrin): 整联蛋白由α、β两个亚基形成跨膜异二聚体, 是指普遍存在于脊椎动物细胞表面, 属于异亲型结合、Ca2＋或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。

整联蛋白通过与胞内骨架蛋白的相互作用介导细胞与细胞外基质之间的黏着;
整联蛋白与传统的信号受体通过多种协同方式刺激细胞产生广泛的应答, 调节细胞增殖、生长、生存、凋亡等重要生命活动。

与整联蛋白相连结构:

整联蛋白β亚基的胞内部分通过踝蛋白、α-辅肌动蛋白、细丝蛋白、纽蛋白等与细胞内的肌动蛋白纤维相互作用;
胞外部分通过自身结构域与纤连蛋白、层粘连蛋白等含有Arg-Gly-Asp(RGD)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。

介导黏着的结构:

整联蛋白介导细胞与胞外基质黏着的典型结构有黏着斑和半桥粒。

整联蛋白信号传递方向:

由内向外
- 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的方式。
由外向内
- 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。这种通路依赖细胞内酪氨酸激酶——黏着斑激酶(FAK)。

细胞外基质

细胞外基质(extracellular matrix, ECM): 是指分布于细胞外空间, 由细胞分泌的蛋白质和多糖所构成的复杂网络结构, 在结缔组织中含量最为丰富。细胞外基质成分主要包括三类: 结构蛋白、蛋白聚糖、粘连糖蛋白。胞外基质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、形态以及其他功能产生重要的调控作用。

细胞外基质成分:

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。
蛋白聚糖, 由蛋白质和多糖共价形成, 具有高度亲水性, 赋予胞外基质抗压的能力。
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。

胶原

胶原(collagen): 是动物体内含量最丰富的蛋白质, 典型的胶原分子呈纤维状, 胶原纤维的基本结构单位是原胶原。

胶原的功能

胶原的刚性及抗张力强度最大, 构成细胞外基质的骨架结构。

胶原的合成与装配

每一条胶原肽链以前α链的形式在rER膜结合的核糖体上合成;
前α链进入rER腔后信号肽被切除, 其脯氨酸、赖氨酸被羟基化形成羟脯氨酸和羟赖氨酸, 有些羟赖氨酸还被糖基化;
带有前肽的3条前α链在ER腔内装配形成3股螺旋的前胶原分子, 通过高尔基体分泌到细胞外, 切除相关前肽, 成为胶原分子;
胶原分子以1/4交替平行排列的方式自我装配形成直径10～30nm的胶原原纤维, 然后进一步聚合成500～3000nm的胶原纤维。

胶原纤维的大小和空间排布形式在不同结缔组织中存在巨大差异, 造成差异的因素有

细胞分泌的胞外基质中一些纤维结合胶原, 介导胶原分子间或者胶原与其他胞外基质大分子间的相互作用, 从而影响胶原的排布形式;
分泌胶原的细胞对胶原在胞外基质中的排布有影响。

弹性蛋白

弹性蛋白(elastin): 是弹性纤维的主要成分, 为高度疏水的非糖基化蛋白, 构象呈无规则卷曲状态, 通过Lys残基相互交连成网状结构。

弹性蛋白的功能

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。

糖胺聚糖和蛋白聚糖

糖胺聚糖(glycosaminoglycan, GAG): 是指由重复的二糖单位构成的不分支的长链多糖, 其二糖单位是氨基己糖和糖醛酸。

糖胺聚糖的功能

糖胺聚糖带有大量负电荷, 能形成多孔的水合胶体, 赋予胞外基质抗压的能力, 为组织提供了机械支撑作用。

糖胺聚糖分类

透明质酸, 是增殖细胞和迁移细胞的胞外基质主要成分;
硫酸软骨素和硫酸皮肤素;
硫酸乙酰肝素;
硫酸角质素。

蛋白聚糖(proteoglycan): 是指由糖胺聚糖(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, 位于结缔组织、细胞外基质及许多细胞表面。其显著特点是多态性, 可以含有不同的核心蛋白以及长度和成分不同的多糖链。

蛋白聚糖功能: 蛋白聚糖赋予软骨凝胶样特性和抗变形能力;蛋白聚糖可与多种生长因子结合, 有利于激素分子与细胞表面受体结合, 有效完成信号转导;蛋白聚糖充当其他受体的辅助受体, 在信号转导以及信号分子活性与分布的调节等方面发挥重要作用。

纤连蛋白和层粘连蛋白

纤连蛋白(fibronectin, FN): 是指细胞外基质中一种高相对分子质量糖蛋白, 由两个相似亚基通过C端形成的二硫键交联形成, 整个分子呈V形。

层粘连蛋白(laminin, LN): 是指一种主要分布于各种动物胚胎及成体组织的基膜的粘连糖蛋白。

纤连蛋白的功能

纤连蛋白具有介导细胞黏着的功能, 有助于维持细胞形态;
纤连蛋白促进细胞迁移;
纤连蛋白有助于血液凝固和创伤修复。

纤连蛋白的特点

纤连蛋白的每个亚基有数个结构域, 能识别并结合胞外基质组分;
纤连蛋白的细胞表面受体是整联蛋白家族成员, 与细胞表面受体结合的结构域中含有RGD三肽序列。

层粘连蛋白功能

层粘连蛋白可在细胞表面形成网络结构并将细胞固定在基膜上, 在胚胎发育及组织分化中具有重要作用。

层粘连蛋白特点

含糖量很高(占25%~30%);
结构复杂, 通过二硫键将一条α链、一条β链及γ链连在一起, 分子外形似”十”字形状, 3条短臂分别由3条肽链的N端序列构成;
通过RGD三肽序列与细胞质膜上的整联蛋白结合。

基膜与细胞外被

基膜(basal lamina, basement membrane): 是指一种特化的细胞外基质结构, 通常位于上皮层的基底面, 将上皮细胞与结缔组织分开。

基膜功能

基膜对组织起结构支撑作用;
调节分子通透性以及作为细胞运动的选择性通透屏障;
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。

基膜主要成分

基膜的主要成分包括IV型胶原、层粘连蛋白、巢蛋白和基膜蛋白聚糖。

细胞外被(cell coat): 又称糖萼, 是指细胞质膜外表面覆盖的一层黏多糖物质, 是细胞质膜的正常结构组分。

细胞外被功能

对细胞膜起保护作用;
在细胞识别中起重要作用

植物细胞壁

细胞壁的化学组成与结构

纤维素（cellulose）：是由葡萄糖分子以 β（1→4）糖苷键连接起来的线性多聚体分子，为细胞壁提供了抗张强度。
半纤维素（hemicellulose）：是由木糖、半乳糖和葡萄糖等组成的高度分支的多糖，通过氢键与纤维素微原纤维连接，半纤维素与果胶质（基质成分）横向连接，参与细胞壁复杂网架的形成。
伸展蛋白（extensin）：是由约 300 个氨基酸残基组成的糖蛋白，含大量羟脯氨酸残基。
木质素（lignin）：是由酚残基形成的水不溶性多聚体。木质素以共价键与细胞壁多糖交联，大大增加了细胞壁的强度与抗降解力。

初生细胞壁与次生细胞壁

初生细胞壁（primary cell wall）：在细胞生长时期合成，由纤维素、半纤维素、果胶和糖蛋白等组成。
次生细胞壁（secondary cell wall）：当细胞停止生长后，多数细胞会分泌合成次生细胞壁。与初生细胞壁相比，次生细胞壁往往还含有木质素，基本不含有果胶，非常坚硬。