《细胞生物学》邹方东版第十七章：细胞的社会联系

下图为细胞的社会联系相关章节导图笔记，一共三大分支，分别概括：细胞连接、细胞黏着及其分子基础、细胞外基质。

细胞的社会联系

• 细胞连接
  • 概念：细胞连接（cell junction）是多细胞生物组织中，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或细胞与细胞外基质之间的连接结构
  • 功能：细胞连接是细胞间或细胞与胞外基质之间相互联系的结构基础，是多细胞生物中相邻细胞之间协同作用的重要组织方式
  • 分类
    • 封闭连接
      • 紧密连接其中的典型代表
    • 锚定连接
      • 与中间纤维相关的桥粒和半桥粒
      • 与微丝相关的黏着带和黏着斑
    • 通讯连接
      • 动物细胞的间隙连接
      • 神经元之间或神经元与效应细胞之间的化学突触
      • 植物细胞的胞间连丝
  • 细胞连接分类概述
    • 封闭连接
      • 紧密连接主要存在于脊椎动物上皮细胞之间
      • 结构：紧密连接处的相邻细胞质膜紧密连接在一起，没有间隙
      • 主要功能
        • 作为封闭相邻细胞间的接缝，形成渗透屏障
        • 防止膜蛋白与膜脂分子自由扩散，限制了膜蛋白在脂双分子层中的侧向扩散，维持上皮细胞的极性
        • 将上皮细胞侧向连接，形成上皮组织片层结构，并保持这一结构的机械强度
    • 锚定连接
      • 通过黏着蛋白（钙黏蛋白、整联蛋白）、细胞内锚蛋白和细胞骨架体系，将相邻细胞或者细胞与细胞外基质相互作用连接在一起。其中细胞与细胞之间的锚定连接为桥粒和黏着带，细胞与细胞外基质之间的锚定连接为半桥粒和黏着斑
      • 桥粒
        • 存在于承受强拉力的组织中
        • 在质膜的胞质侧有一块盘状致密斑（由细胞内锚蛋白组成），中间纤维直接与其相连，相邻细胞的致密斑由跨膜连接糖蛋白相互连接，形成纽扣式的结构将相邻细胞铆接在一起
        • 参与桥粒连接的2类黏着蛋白均属于钙黏蛋白家族
      • 半桥粒
        • 位于上皮细胞的底面，将上皮细胞与其下方的基膜接在 一起，形态上类似半个桥粒
        • 半桥粒与桥粒连接相比的不同点
          • 参与连接的跨膜蛋白不是钙黏蛋白而是整联蛋白
          • 整联蛋白的胞外结构域与细胞外基质中的层粘连蛋白（laminin）相连，再通过层粘连蛋白与细胞外基质中的胶原蛋白和粘多糖结合，促使上皮细胞粘连于基膜上
          • 半桥粒的细胞内侧的锚蛋白为网蛋白。网蛋白可以与细胞内的中间纤维连接，从而防止机械力造成细胞与基膜相分离
      • 黏着带
        • 位于上皮细胞紧密连接的下方，在相邻细胞间形成一个连续的带状结构，通过细胞内锚蛋白（连环蛋白、纽蛋白、α-辅肌动蛋白等）起到锚定微丝的作用
        • 与黏着带相连的纤维不是中间纤维，而是微丝
      • 黏着斑
        • 微丝与细胞外基质之间的连接方式
        • 与黏着带不同之处
          • 黏着斑是微丝与细胞外基质之间的连接方式（根本区别）
          • 参与黏着带连接的膜整合蛋白是钙黏蛋白，而参与黏着斑连接的是整联蛋白
          • 黏着带实际上是两个相邻细胞膜上钙黏着蛋白与钙黏着蛋白的连接，黏着斑连接是整联蛋白与细胞外基质中的纤连蛋白连接，再通过纤连蛋白与胶原蛋白、粘多糖及其他胞外基质成分结合
        • 黏着斑的细胞内锚蛋白为踝蛋白、α-辅肌动蛋白、细丝蛋白、纽蛋白等
      • 通讯连接
        • 一种特殊的细胞连接方式，位于特化的具有细胞间通讯作用的细胞
        • 功能
          • 机械的细胞连接作用
          • 在细胞间形成电偶联或代谢偶联，以此来传递信息（动物细胞的通讯连接为间隙连接，而植物细胞的通讯连接则是胞间连丝）
        • 动物细胞间隙连接
          • 通过连接子进行的细胞间连接
          • 功能
            • 机械的连接作用
            • 在细胞间形成电偶联代谢偶联
              • 电偶联在神经冲动信息传递过程中起重要作用
              • 代谢偶联可使小分子代谢物和信号分子通过间隙连接形成的水性通道，从一个细胞到另一个细胞
              • 间隙连接参与胚胎早期发育和细胞分化的调节
          • 间隙连接通透性的调节
            • 相对分子质量小于 1000 的可以通过
            • 通透性可调节，如受钙离子、pH 调节（Ca2+浓度升高，通透性降低；pH 降低，通透性降低）
        • 植物细胞胞间连丝
          • 胞间连丝通道中有一由膜围成的筒状结构，称为连丝小管。连丝小管由光面内质网特化而成
          • 胞间连丝形成了物质在相邻细胞间运输的通道，可以允许相对分子质量 1000、 半径 0.7～0.8 nm 以下的分子自由通过，也能让离子自由通过
          • 受到钙离子浓度的调节
        • 化学突触
          • 可兴奋细胞之间的细胞连接方式，通过释放神经递质来传递神经冲动
          • 信息传递过程中，当神经冲动传到突触前膜时，突触小泡释放神经递质，为突触后膜的受体（配体门通道）接受，引起突触后膜离子通透性改变，膜去极化或超极化
          • 化学突触是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，因此表现出动作电位在传递中的延迟现象。但因为是单向传递，可保证信号传递的方向性
• 细胞黏着及其分子基础
  • 在胚胎发育过程中，具有相同表面分子特征的细胞通过特异性识别并黏着在一起形成三个不同胚层：内胚层、中胚层和外胚层。在器官形成过程中，具有相同表面分子特征的细胞同样通过细胞识别与黏着聚集在一起形成组织和器官
  • 同种组织类型的细胞的黏着甚至超越种的界限
  • 在细胞识別的基础上，同类细胞发生聚集形成细胞团或组织的过程叫细胞黏着，它对于胚胎发育及成体的正常结构和功能都有重要的作用
  • 细胞识别与细胞黏着的分子基础是细胞表面特定的细胞黏着分子
  • 细胞黏着分子都是都是整合膜蛋白，且在胞外结构域都有与肽共价结合的糖基，多数细胞黏着分子的作用依赖于二价阳离子（如 Ca2+和 Mg2+）
  • 细胞黏着分子的相互作用方式有 3 种模式
    • 同种细胞黏着分子间的相互识别与结合（同亲型结合）
    • 不同种细胞黏着分子间的相互识別与结合 （异亲型结合）
    • 同种细胞黏着分子借助细胞外的连接分子相互识別与结合（衔接分子依赖性结合）
  • 根据其结构、功能及作用方式分为 4 类
    • 钙黏蛋白
      • 属同亲型结合的细胞黏着分子，其作用依赖于 Ca2+
      • 功能
        • 介导细胞连接
        • 参与细胞分化
    • 选择素
      • 属异亲型结合的细胞黏着分子，其作用同样依赖于 Ca2+
    • 免疫球蛋白超家族
      • 同亲型结合，或异亲型结合（如可与整联蛋白结合），非 Ca2+依赖
    • 整联蛋白
      • 大多数为异亲型结 合，依赖于 Ca2+
      • 功能
        • 整联蛋白通过与细胞骨架相互作用介导细胞与细胞外基质的黏着，将细胞外基质同细胞内的骨架网络连成一个整体。整联蛋白识别的主要部位是配体上的 Arg-Gly-Asp（RGD）三肽结构，RGD 也是细胞识别的最小结构单位
        • 整联蛋白参与的信号传递方向有两种方式，一种为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“由内向外”信号转导；另一种为整联蛋白作为受体介导胞外信号转导到细胞内的“由外向内”信号转导。整联蛋白与其他细胞表面信号受体通过多种协同方式刺激细胞产生多种应答。如整联蛋白与生长因子受体共同作用，调节细胞生长、增殖和凋亡等重要生命活动
• 细胞外基质
  • 细胞外基质（ECM）是由动物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，或蛋白聚糖
  • 细胞外基质的组成可分为 3 类
    • 结构蛋白
      • 如胶原和弹性蛋白，赋予细胞外基质一定的强度和韧性
    • 蛋白聚糖
      • 由蛋白和多糖共价形成水性的胶状物，在这种胶状物中包埋有许多其它的基质成分
    • 粘连糖蛋白
      • 包括纤连蛋白和层粘联蛋白，它们促使细胞粘连到胞外基质
  • 细胞外基质通过膜整合蛋白将细胞外与细胞内连成了一个整体
  • 胶原（collagen）
    • 动物体内含量最丰富的蛋白质，是细胞外基质中最主要的水不溶性纤维蛋白
    • 结构与类型
      • 类型
        • 多达 20 多种
        • I～III 型胶原含量最丰富，形成类似的纤维结构；IV 型胶原分子形成二维网格结构，是形成基膜的主要成分及支架
      • 结构
        • 典型的胶原分子呈纤维状，基本结构单位是原胶原
    • 合成与装配
      • 起始于内质网，并在高尔基体中修饰，最后在细胞外组装成胶原纤维
      • 过程
        • 前 α 链→前胶原分子→原胶原分子
        • 胶原分子以 1/4 交替平行排列的方式自我装配形成胶原原纤维，胶原原纤维进一步聚合成胶原纤维
    • 胶原的空间排布形式
      • 同一组织含有几种不同类型的胶原，但以某一种为主
      • 不同组织中胶原组装成不同形式
      • 胶原纤维的空间排布在不同结缔组织中差异巨大
    • 功能
      • 在细胞外基质中含量最高，刚性及抗张力强度最大，是构成细胞外基质骨架结构的主要成分。胞外基质中的其他组分通过与胶原结合形成结构与功能的复合体
      • 在不同组织中，胶原纤维装配成不同形式，细胞外基质中的其他组分通过与胶原结合形成结构与功能的复合体以适应特定功能的需要
      • 成束的胶原纤维形成肌腱、韧带等结构，其抗张力强度非常强大，连接肌肉和骨骼
  • 弹性蛋白（elastin）
    • 是弹性纤维的主要成分，是高度疏水的非糖基化蛋白，富含甘氨酸，很少含羟脯氨酸，不含羟赖氨酸
    • 构象呈无规则卷曲状态，通过 Lys 残基相互交联成网状结构
    • 有些器官和组织需要很强的弹性，在受到外力牵拉后可随即恢复原有状态，它们的结缔组织中弹性纤维特别丰富，故称为弹性结缔组织
    • 弹性纤维常与胶原纤维共存于细胞外基质中，分别赋予组织以弹性和抗张能力
  • 糖胺聚糖和蛋白聚糖
    • 糖胺聚糖（glycosaminoglycan，GAG）
      • 由重复的二糖单位构成的长链多糖，不分支
      • 糖胺聚糖的多糖链不能弯曲，呈充分展开构象，具有高度亲水性
      • 糖基通常带有硫酸基团或羧基，因此糖胺聚糖带有大量负电荷，可吸引大量阳离子，这些阳离子再结合大量水分子，因而糖胺聚糖就像海绵一样吸水产生膨压，从而赋予胞外基质抗压的能力
    • 蛋白聚糖（proteoglycan，PG）
      • 核心蛋白丝氨酸残基共价连接糖胺聚糖（透明质酸除外）形成的大分子
  • 纤连蛋白和层粘连蛋白
    • 纤连蛋白（fibronectin，FN）
      • 一种糖蛋白，动物体内广泛分布，并有多种异构型
      • 纤连蛋白的 RGD 三肽序列可被整联蛋白识别并结合
      • 细胞纤连蛋白以不溶性的纤维存在于细胞外基质、细胞之间及某些细胞表面，介导细胞与细胞外基质的黏着，并可促进细胞外基质其他成分的沉积，被认为是细胞外基质的组织者
      • 血浆纤连蛋白以可溶性分子形式存在 于血浆和各种体液中，具有增强血凝、参与伤口愈合和吞噬作用的功能
    • 层粘连蛋白（laminin，LN）
      • 胚胎发育中最早的细胞外基质成分，主要分布于动物的胚胎及成体组织的基膜中，是基膜的主要成分之一
      • 层粘连蛋白至少存在两个不同的受体结合位点：一个是与Ⅳ型胶原结合的结构域；另一个是通过自身的 RGD 序列与细胞膜上的整联蛋白结合。层粘连蛋白通过结合位点与胶原和整联蛋白结合，介导细胞与基膜不同成分的结合，形成网络结构，并将细胞锚定在基膜上
  • 基膜和细胞外被
    • 基膜（basement membrane, basal lamina）
      • 又称基底膜，是一种位于上皮细胞层基底面的特化的细胞外基质结构
      • 基膜的主要成分包括Ⅳ型胶原、层粘连蛋白、巢蛋白（nidogen）和基膜蛋白聚糖
      • 基膜的功能：对组织起结构支撑作用；具有调节分子、细胞通透性的作用，是细胞的选择性通透屏障（如肾脏中，基膜允许小分子从血液进入尿液，阻止蛋白质进入尿液；表皮细胞层下的基膜阻止结缔组织细胞进入表皮，而允许白细胞进入）；决定细胞极性；影响细胞代谢，促进细胞存活、增殖、分化、迁移；在组织再生中也发挥重要作用
    • 细胞外被（cell coat）
      • 又称糖萼，是由构成质膜的糖蛋白和糖脂伸出的寡糖链组成的，实际上是质膜结构的一部分
      • 细胞外被的基本功能：对细胞质膜起保护作用；参与细胞识别等
  • 植物细胞壁（cell wall）
    • 化学组成与结构
      • 纤维素、半纤维素、果胶、蛋白质和木质素
      • 由外向内分为中胶层、初生壁和次生壁（叶肉细胞缺少次生壁）
      • 中胶层是相邻细胞初生壁的中间区域，是最早分泌合成的区域，主要成分是果胶。中胶层将相邻细胞彼此黏着在一起
    • 初生壁与次生壁
      • 初生壁位于中胶层内层
      • 次生壁主要是增加细胞壁的厚度和强度，纤维素和木质素是其主要成分，基本不含果胶