Chapter 4
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Chapter 4. 细胞环境与互作. 纲 要. 4.1. 细胞表面 4.2 . 细胞外基质 4.3 . 细胞识别与粘着 4.4 . 细胞连接. 细胞与环境的关系. 4.1 细胞表面. ◆ 在结构上,包括: ●细胞被 (cell coat) ● 细胞质膜. ◆ 在功能上: ●保护细胞 , 使细胞有一个相对稳定的内环境; ●参与细胞内外的物质交换和能量交换; ●参与信号的识别和信息的传递; ●参与细胞运动; ●维护细胞的各种形态; ●与免疫、癌变等有十分密切关系。.  细胞被

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细胞环境与互作

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Chapter 4

细胞环境与互作


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纲 要

4.1.细胞表面

4.2. 细胞外基质

4.3. 细胞识别与粘着

4.4. 细胞连接


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细胞与环境的关系


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4.1 细胞表面

◆在结构上,包括:

●细胞被(cell coat)

●细胞质膜


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◆在功能上:

●保护细胞,使细胞有一个相对稳定的内环境;

●参与细胞内外的物质交换和能量交换;

●参与信号的识别和信息的传递;

●参与细胞运动;

●维护细胞的各种形态;

●与免疫、癌变等有十分密切关系。


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细胞被

◆覆盖在细胞质膜表面的保护层,主要成份是糖,又称糖萼Glycocalyx

◆通常含有两种主要的成份: 糖蛋白和蛋白聚糖


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电镜下的细胞表面


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  • ◆细胞被的功能:

  • 为细胞提供保护

  • 介导细胞与细胞、细胞与基底膜之间的相互作用

  • 颗粒向质膜运动的屏障


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植物细胞壁

1 细胞壁的结构组成

◆植物的细胞壁相当于动物细胞的细胞外基质:

●动物细胞的细胞外基质的主要成分是蛋白质分子;

●植物的细胞壁主要是多糖,其中最主要的是纤维素。


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◆纤维素:

●植物细胞壁的骨架,为细胞壁提供强度和硬度。

葡萄糖

纤维素分子(50-60个形成一束)

纤维素微纤维(两两堆积)

大纤维(具有钢管的强度)


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植物细胞壁中的纤维素


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◆半纤维素

●半纤维素是几种类型的糖构成的异质多聚体,有分支。

●半纤维素结合在纤维素微纤维的表面,交联成复杂的网络结构。


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◆果胶 Pectins:

●果胶是半乳糖醛酸及其衍生物形成的多聚体,

带负电荷。

●果胶在细胞壁中的作用主要是连接相邻细胞壁,并且形成细胞外基质,将纤维素包埋在水合胶中。


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◆糖蛋白质:

●其中重要一类伸展蛋白,为植物提供结构支持。

◆木质素(lignin):

●是由聚合的芳香醇构成的一类物质,

●主要位于纤维素纤维之间,它的作用是抵抗压力。


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3 植物细胞壁的分泌合成

◆中间层形成:

主要是果胶。果胶是相邻两细胞壁所共有,并且具有将两个细胞连接在一起的作用。

◆初生壁形成:

是细胞正在生长时形成的。初生壁由纤维素、半纤维素、果胶和糖蛋白等松散组成。

◆次生壁形成:

是在细胞停止生长后分泌形成的。主要是增加细胞壁的厚度和强度。次生壁主要纤维素和木质素组成,在初生壁的内层。


Plant cell walls

PLANT CELL WALLS


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4.2 细胞外基质

◆由细胞合成并分泌到胞外、分布在细胞表面或细胞之间的大分子, 主要是一些多糖和蛋白。

◆主要细胞类群是成纤维细胞(fibroblast)和其他特化组织的细胞。


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细胞外基质的组成和可能的结构


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◆细胞外基质的组成可分为三大类∶

●蛋白聚糖(proteoglycan)

●结构蛋白

如胶原和弹性蛋白,它们赋予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。


4 2 1

4.2.1 细胞外基质的基础物质

蛋白聚糖(Proteoglycan,PG)

◆结构与功能

●蛋白聚糖是由糖胺聚糖(glycosaminoglycans, 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。

●糖胺聚糖是由重复二糖单位构成的无分支长链多糖。

●糖胺聚糖表面带负电荷,可以结合大量阳离子,进而结合大量水分子。可在细胞外创造水合的、胶状的材料,形成了细胞外基质的基质。


Proteoglycan

蛋白聚糖Proteoglycan


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糖胺聚糖

● 糖胺聚糖存在与糖环相连的硫酸盐和羧基基团,具有很高的酸性,

●糖胺聚糖有7类∶

硫酸软骨素、硫酸角质素、肝素、透明质酸等。


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透明质酸(hyaluronic acid)

细胞外基质中发现的大多数糖胺聚糖都是作为蛋白聚糖的一个成分而存在,惟一例外的是透明质酸,它在细胞外基质中也可游离存在。

透明质酸在结缔组织中起强化、弹性和润滑作用,具有抗压能力。


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透明质酸同糖胺聚糖和核心蛋白组成软骨组织的蛋白聚糖复合物,称为透明质酸-蛋白聚糖复合物。在这种复合物中,透明质酸作为一个长轴,将蛋白聚糖连接在一起,形成更大的更复杂的蛋白聚糖,使细胞外基质具有更大的抗压性。


4 2 2

4.2.2 结构蛋白

1 胶原(Collagen)

◆基本特性:

●是纤维糖蛋白家族构成的,只存在于细胞外基质中,不溶性水, 是构成细胞外基质的骨架,给细胞提供抗张力和弹性。

● 具有很高的张力强度

●普遍存于动物界,是人体中最丰富的蛋白质

● 主要由成纤维细胞产生。平滑肌细胞和上皮细胞也产生胶原。脊椎动物中腱、软骨和骨中胶原很丰富。


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◆胶原结构特性

●胶原的基本结构单位是原胶原,原胶原是3条  链组成的纤维状蛋白质,螺旋状。

●一级结构是Gly-X-Y重复单位, Gly 甘氨酸,X 常是脯氨酸, Y常为羟脯氨酸或羟赖氨酸。


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◆ 胶原的组装

胶原原纤维

胶原纤维

原链

前胶原

胶原


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◆胶原的合成、装配与运输

●首先是在粗面内质网的核糖体上合成带有信号肽的原链。

●在内质网中通过分子间交联,3股螺旋胶成前胶原。

●前胶原在高尔基体中修饰加工,分泌到细胞外。

●前胶原在细胞外被切去两端的前肽,形成胶原。

● 胶原聚合成胶原原纤维。

●胶原原纤维再聚合成胶原纤维。


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●在胶原纤维内部,有分子内和分子间的交联。分子内交联是指原胶原的三条链之间的赖氨酸残基间的交联,分子间的交联是指不同原胶原间的赖氨酸交联。

这种分子间的交联,使得在胶原纤维内部形成胶原蛋白分子呈1/4平行交替排列,即一个原胶原的头部与下一个原胶原的尾部有一个小的间隙分隔。


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胶原的合成、装配与运输

原链

前胶原

胶原


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◆胶原的作用

◆胶原是骨、腱和皮肤组织中的主要蛋白,在这些组织的细胞外基质中,胶原起着细胞外基质骨架作用,刚性和抗张力;

◆胶原具有促进细胞生长的作用;

◆在细胞分化中,胶原基质和提纯的胶原底物具有维持并诱导细胞分化的作用。


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胶原酶遗传缺陷

某些人具有胶原酶的遗传缺陷,这样,他们的胶原纤维就不能正确地装配,其结果,皮肤和各种其它的结缔组织就会降低它们的强度变得非常的松弛。

皮肤过度松弛症


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2 弹性蛋白(Elastin)

◆是弹性纤维(elastic fibers)的主要成分。

◆功能:能够赋予细胞外基质弹性,主要位于韧带和脉管壁。

◆弹性蛋白也富含甘氨酸和脯氨酸。与同胶原不同的是,弹性蛋白的脯氨酸没有羟基化,没有羟脯氨酸的存在。


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弹性蛋白的结构


4 2 3

4.2.3 粘着蛋白

粘着蛋白(adhesive protein)是细胞外基中质的第三类成分,之所以将这些蛋白称为粘着蛋白,主要是这些蛋白起着将细胞外基质与细胞联系起来的桥梁作用。


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纤连蛋白(Fibronectin,FN)

◆存在:

●高分子量的糖蛋白, 广泛存在于动物界;

●血浆纤连蛋白,可溶,存于脊椎动物血浆和其它体液中;

●细胞纤连蛋白,不溶,存于细胞外基质、细胞之间和某些细胞的表面。


Fibronectin

Fibronectin

胶原结合结构域

肝素结合结构域


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◆结构特点:

●纤连蛋白有两个亚单位组成,不同的亚单位是同一基因的表达产物,只是在转录后剪接和翻译修饰上有差异

●两亚基通过C端二硫键连接,每个亚基上都有几个结构域组成,有与胶原、细胞表面受体、血纤蛋白和硫酸蛋白多糖高亲和结合的位点。


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◆RGD序列

●纤连蛋白与细胞结合的结构域中Arg-Gly-Asp三肽序列,它负责同细胞表面的结合。

●Arg-Gly-Asp序列(又称RGD序列)同样存在于细胞外基质和血液的其它类型的粘着蛋白序列中。


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◆功能:

◆FN最主要的功能是介导细胞的粘着,介导细胞外基质和细胞结合,介导细胞迁移。

◆由于FN具有同时与细胞外基质各类成分相结合的特点,并可促进细胞外基质的其它成分的沉积,故认为FN是细胞外基质的组织者。


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层粘连蛋白(laminin, LN)

◆层粘连蛋白是胞外糖蛋白的一个家族,由3个多肽链通过二硫键连接在一起,形似十字架,3个短臂,1个长臂。臂上有球形结构域,可以和细胞表面、肝素、IV型胶原等结合

◆层粘连蛋白 主要存在于基膜(basal lamina)结构中,是基膜的主要结构成分。


Laminin

Laminin


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◆层粘连蛋白的功能

■首先作为基膜的主要结构成分对基膜的组装起关键作用。它可作为粘着因子介导细胞粘着于胶原,使之发生铺展。

■层粘连蛋白对细胞迁移、生长和分化的潜能具有重要影响


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4.2.4 细胞外基质与细胞的相互作用

基膜(Basement membrane )

■一层连续的厚度约为50-200nm的膜

■ 常位于上皮和内皮的基底面。


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◆基膜的组成

■层粘连蛋白

是基膜的主要成分,也是基膜的组织者;

■Ⅳ型胶原 基膜的网状钢架

■巢蛋白(entactin)

■硫酸肝素糖蛋白。

Ⅳ型胶原是基膜的核心分子,排列成网状;层粘连蛋白同Ⅳ型胶原结合,覆盖在细胞表层。


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基膜的结构组成

巢蛋白

基底膜蛋白

层粘连蛋白

Ⅳ型胶原


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◆基膜的功能

●为粘着细胞提供机械支持

●作为细胞迁移的基础;

●在器官内分隔相邻组织;

●防止大分子物质通过的屏障,防止某些游动癌细胞的入侵。


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整联蛋白(integrin)

整合膜蛋白家族, 是细胞外基质受体蛋白。广泛存在于脊椎动物几乎所有种类细胞的表面。


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◆整联蛋白结构

●异二聚体,有两个跨膜的多肽链,链和链,非共价连接。

●两个亚基排列成一个球形的胞外头部,通过一对刚性的柄部与膜相连。

● 两个亚基都有一个跨膜的螺旋和一个小的胞质结构域。

●  链的N末端有7个重复的模块,各约有60个氨基酸组成,折叠成平面环状结构,称为七叶螺旋桨。在5、6、7叶上各有一个钙离子。

●两个亚基的胞外部分都能与胞外蛋白结合


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整联蛋白


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◆整联蛋白类别

●目前已经鉴定的整联蛋白约有20种,但只鉴定到18种不同的α亚基和8种β亚基。

●整联蛋白同细胞外基质中粘着蛋白的识别与结合分为两种类型∶一类是同RGD区域结合,另一类则不需要RGD区域。


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◆整联蛋白的活性

整联蛋白主要涉及两种活性

■ 介导细胞与基质或其他细胞粘着

■ 介导细胞外环境到细胞内的信号转导

●整联蛋白胞外域与配体结合,导致整联蛋白胞质域构象改变

● 胞质端的变化也会改变整联蛋白与附近的胞质蛋白如粘着斑激酶 (FAK) 的互作方式。


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整联蛋白与细胞外受体相连


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细胞与细胞外基质


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4.3 细胞识别与粘着

细胞的识别系统

◆抗原-抗体的识别

◆酶与底物的识别

◆细胞间的识别

4.3.1 细胞识别及识别反应

特异性


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细胞识别的结构

细胞识别的过程多数是指在细胞表面进行的活动。

◆微生物

鞭毛、纤毛、夹膜、以及细胞壁的成分: 脂多糖、

胞壁酸、糖脂等都参与细胞识别;

◆动物

细胞表面的细胞外基质在细胞识别中起重要作用。

◆植物

细胞壁内储存着许多专一性很强的信号物质--寡糖素。


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凝集素介导的识别作用

嗜中性白细胞

特异的寡聚糖

凝集素

内皮细胞

感染位点


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细胞识别的选择性

◆海绵细胞的识别

黄色与红色海绵的识别

◆两栖类胚性细胞识别:

分别用蛋白酶将外胚层和中胚层水解成单细胞,并分别标记上不同的颜色,然后将这两种细胞混合;

◆拣出(sorting out)。


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识别的选择作用


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细胞识别的机理

1970年, Rosemem提出酶-底物假说解释细胞表面糖蛋白参与的细胞间相互识别的原理:


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细胞识别的酶受体假说


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识别反应

细胞识别引起的细胞反应, 大致有三种类型:

◆内吞 脾脏吞噬衰老的红细胞

◆细胞粘着

◆信号反应 识别后发生信号转导


4 3 2

4.3.2 细胞粘着

细胞黏着概述

◆概念:

在细胞识别的基础上, 同类细胞发生聚集形成细胞团或组织的过程。

◆在细胞识别过程中,细胞的糖被起重要作用,而引起细胞黏着的主要是膜蛋白。


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◆细胞黏着的方式

同种分子

互补的分子

中介分子


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凝集素在细胞黏着中的作用


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参与细胞黏着的膜蛋白(细胞粘着分子)

①钙黏着蛋白(Cadherins) ;

②选择蛋白(Selectins);

③整联蛋白家族Integrins;

④免疫球蛋白超家族 IgSF。

其中①、 ② 、 ③是钙依赖性的, ④介导同嗜性的细胞黏着为钙非依赖性的,介导异嗜性的细胞黏着为钙依赖性的。


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钙黏着蛋白(cadherins)

◆钙黏着蛋白是一个家族,至少有12个相关的成员,它们介导Ca2+依赖性的细胞黏着。

◆钙黏着蛋白能够通过它们所在的细胞类型进行区别:

●E-钙黏着蛋白(表皮)

●N-钙黏着蛋白(神经)

●P-钙黏着蛋白(胎盘)


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钙黏着蛋白


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◆钙黏着蛋白的结构

●细胞外片段含有5个串联的结构域,有一个跨膜区和一个小的细胞质结构域。

●自我黏着

钙黏着蛋白介导类似细胞间的相互黏着,主要是将在细胞表面都有钙黏着蛋白的细胞黏着起来。

钙黏着蛋白介导的同类细胞的黏着能力能够很好地解释为什么同类细胞具有挑选功能。


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选择蛋白与细胞黏着


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选择蛋白Selectins

◆是膜整合糖蛋白的一个家族,能够识别另一个细胞表面伸展的特异的糖基团,与之特异性结合

◆包括一个小的细胞质结构域,一个单次跨膜的结构域,一个大的细胞外片段,这个片段分成几个结构域,最外面是有凝集素作用的结构域

◆有三类选择蛋白

●E-选择蛋白, 存在于内皮细胞;

●P-选择蛋白, 存在于血小板和内皮细胞;

●L-选择蛋白, 存在于各类白细胞.


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整联蛋白

◆大多数整联蛋白有助于细胞粘附到基质上;

◆少数整联蛋白通过结合其他细胞上的蛋白介导细胞与细胞粘附

例如:

白细胞表面的整联蛋白α4β1与微管细胞黏着分子结合, 微管细胞黏着分子是血管内皮细胞上的免疫球蛋白


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免疫球蛋白超家族


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免疫球蛋白超家族,IgSF

◆多数免疫球蛋白是膜整合蛋白,存于淋巴细胞的表面,介导淋巴细胞和需要进行免疫反应的细胞之间的粘着

◆但有一些 IgSF分子介导的细胞与细胞之间的粘着


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4.4 细胞连接

动物细胞有三种类型的细胞连接∶

◆紧密连接(tight junction):封闭

◆斑块连接(plaque-bearing junction):黏着

◆间隙连接(gap junction):通讯


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细胞连接

紧密连接

桥粒

间隙连接

半桥粒

黏着斑

黏着带

斑块连接


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4.4.1 紧密连接(tight junction)

紧密连接的存在部位和结构特点

◆又叫不通透连接(impermeable junction), 它不仅连接相邻的细胞, 而且封闭细胞间隙, 使大多数分子难以在细胞间通透。

◆这种连接方式普遍存在于腔道上皮细胞靠近管腔端的相邻细胞膜间。

◆从结构上看, 通过连接蛋白形成焊接线,封闭相邻细胞间的空隙。P157


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紧密连接


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紧密连接的功能

◆连接作用

防止物质双向渗漏,并限制膜蛋白在脂分子层的流动.

◆维持细胞的极性


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紧密连接与细胞极性


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4.4.2 斑块连接(plaque-bearing junction)

◆又称锚定连接(anchoring junction);

◆主要靠黏着蛋白、整联蛋白和细胞骨架体系将相邻两细胞或细胞与细胞外基质连接在一起。

◆斑块连接分为:

●黏着连接

●桥粒


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黏着连接(adherens junctions)

细胞间的连接作用与细胞骨架系统的肌动蛋白相关称为黏着连接。

●黏着带

●黏着斑


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黏着连接

肌动蛋白


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◆黏着带 (adhesion belts)

●是细胞-细胞间黏着的一种方式;

●位于上皮细胞紧密连接的下方;

●靠钙黏着蛋白同肌动蛋白相互作用;

●黏着带处相邻细胞质膜的间隙为20~25nm, 介于紧密连接和桥粒之间。


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■参与黏着连接的组分∶

●钙黏着蛋白(cadherin)∶

一种跨膜连接糖蛋白,属Ca2+依赖的细胞-细胞黏着分子,它有三个结构域:

●细胞质斑(cytoplasmic plaque)∶

含黏着斑蛋白(vinculin),介导肌动蛋白与黏着蛋白相连;

●肌动蛋白∶


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粘着带

肌动蛋白

钙黏着蛋白

细胞质斑


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◆黏着斑 (adhesion plaqua,focal adhesion)

主要特点是:肌动蛋白纤维通过整联蛋白同细胞外基质,如纤连蛋白,而不是与另一个细胞的表面相连。


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粘着斑

肌动蛋白纤维

整联蛋白

纤连蛋白


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桥粒(desmosomes)

◆细胞是通过中间纤维锚定到细胞骨架上,这种黏着连接方式称为桥粒。

◆分为:

●桥粒

●半桥粒。


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桥粒连接

钙黏着蛋白

两个皮肤细胞桥粒连接

电子照片

中间纤维


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◆半桥粒 (Hemidesmosomes)

半桥粒与桥粒连接有两点差别∶

●半桥粒参与连接的跨膜蛋白不是钙黏着蛋白而是整联蛋白;

●整联蛋白的细胞外结构域不是与相邻细胞的整联蛋白相连,而是同细胞外基质相连。


Hemidesmosomes

Hemidesmosomes

中间纤维

整联蛋白


Hemidesmosomes1

Hemidesmosomes


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细胞黏着小结

共有六种不同的方式的细胞表面作用:

●四种细胞间黏着

●两种细胞与细胞外基质的互作


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通过细胞表面发生的六种作用方式


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细胞骨架在黏着连接的作用

  • 细胞骨架的参与,使同一组织的细胞能够紧密的结合在一起。


4 4 3

4.4.3 通讯连接

◆一种特殊的细胞连接, 位于特化的具有细胞间通讯作用的细胞

◆具机械的细胞连接作用

◆在细胞间形成电偶联或代谢偶联, 以此来传递信号

◆通讯连接的方式:

●间隙连接 动物细胞

●胞间连丝 植物细胞


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间隙连接


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间隙连接(gap junction)

◆连接子

●一种跨膜蛋白

●每个连接子由6个相同或相似连接蛋白(connexin)亚单位环绕中央形成孔径为1.5-2nm的水性通道;

●相邻两细胞分别用各自的连接子相互对接形成分子间的通道,允许分子量在1200道尔顿以下的分子通过。


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◆间隙连接的主要功能:

●机械连接作用;

●电偶联:

电偶联在神经冲动信息传递过程中起重要作用;

●代谢偶联

代谢偶联可允许小分子代谢物和信号分子通过间隙连接,从一个细胞转移到另一个细胞。如cAMP和Ca2+能通过间隙连接从一个细胞进入到相邻细胞, 因此,只要有部分细胞接受信号分子的作用,可使整个细胞群发生反应。


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细胞连接的不同方式


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胞间连丝(plasmodesma)

◆胞间连丝的结构∶

●是相邻植物细胞壁上的一个狭窄细胞壁通道

●有管状的内质网通过。因此,通过胞间连丝,使得相邻细胞的细胞质膜、细胞质、内质网交融在一起,物质运输和传递信息的重要渠道。

●胞间连丝直径约30-60nm,允许1000道尔顿以下的分子渗透。孔可以扩张,可以允许蛋白质和RNA通过。


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胞间连丝


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本章重点

  • 细胞通过表面发生的作用包括细胞识别、细胞粘着、细胞连接、细胞通讯等。了解细胞表面的概念、结构特点、与质膜的关系等。

  • 学习细胞外基质,重点是学习构成细胞外基质的三大类成份的组成、相互间以及与细胞质膜的关系。

  • 细胞识别在先,细胞粘着在后,识别是粘着的基础。重点要掌握各种粘着蛋白的结构和功能。

  • 细胞在识别和粘着的基础上进行细胞连接。细胞连接有三种方式: 紧密连接、斑块连接、通讯连接。比较复杂的是斑块连接,它又可分为四种连接方式:粘着带、粘着斑、桥粒、半桥粒。对它们的区别主要是根据连接蛋白与细胞骨架的关系, 以及是否是细胞与细胞的连接, 还是细胞与细胞外基质的连接,这是本章的学习重点,也是难点。


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