細(xì)胞外基質(zhì)（extracellular matrix，ECM）是由大分子構(gòu)成的錯(cuò)綜復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。為細(xì)胞的生存及活動(dòng)提供適宜的場(chǎng)所，并通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)影響細(xì)胞的形狀、代謝、功能、遷移、增殖和分化。

細(xì)胞外基質(zhì)的成分

構(gòu)成細(xì)胞外基質(zhì)的大分子種類(lèi)繁多，可大致歸納為四大類(lèi)：膠原、非膠原糖蛋白、氨基聚糖與蛋白聚糖、以及彈性蛋白（圖10-1，2）。

上皮組織、肌組織及腦與脊髓中的ECM含量較少，而結(jié)締組織中ECM含量較高。細(xì)胞外基質(zhì)的組分及組裝形式由所產(chǎn)生的細(xì)胞決定，并與組織的特殊功能需要相適應(yīng)。例如，角膜的細(xì)胞外基質(zhì)為透明柔軟的片層，肌腱的則堅(jiān)韌如繩索。細(xì)胞外基質(zhì)不僅靜態(tài)的發(fā)揮支持、連接、保水、保護(hù)等物理作用，而且動(dòng)態(tài)的對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生全方位影響。

圖10-1 細(xì)胞外基質(zhì)的成分

圖10-2 上皮組織的細(xì)胞外基質(zhì)

一、膠原（collagen）

膠原是動(dòng)物體內(nèi)含量最豐富的蛋白質(zhì)，約占人體蛋白質(zhì)總量的30％以上。它遍布于體內(nèi)各種器官和組織，是細(xì)胞外基質(zhì)中的框架結(jié)構(gòu)，可由成纖維細(xì)胞（圖10-3）、軟骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞及某些上皮細(xì)胞合成并分泌到細(xì)胞外。

圖10-3 成纖維細(xì)胞周?chē)哪z原纖維

目前已發(fā)現(xiàn)的膠原至少有19種（表10-1），由不同的結(jié)構(gòu)基因編碼，具有不同的化學(xué)結(jié)構(gòu)及免疫學(xué)特性。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ及Ⅺ型膠原為有橫紋的纖維形膠原。

各型膠原都是由三條相同或不同的肽鏈形成三股螺旋，含有三種結(jié)構(gòu)：螺旋區(qū)，非螺旋區(qū)及球形結(jié)構(gòu)域。其中Ⅰ型膠原的結(jié)構(gòu)最為典型。

表10-1 膠原的類(lèi)型

圖10-4 膠原的結(jié)構(gòu)（左模式圖，右電鏡照片）

Ⅰ型膠原的原纖維平行排列成較粗大的束，成為光鏡下可見(jiàn)的膠原纖維，抗張強(qiáng)度超過(guò)鋼筋。其三股螺旋由二條α₁（Ⅰ）鏈及一條α₂（Ⅰ）鏈構(gòu)成。每條α鏈約含1050個(gè)氨基酸殘基，由重復(fù)的Gly-X-Y序列構(gòu)成。X常為Pro（脯氨酸），Y常為羥脯氨酸或羥賴(lài)氨酸殘基。重復(fù)的Gly-X-Y序列使α鏈卷曲為左手螺旋，每圈含3個(gè)氨基酸殘基。三股這樣的螺旋再相互盤(pán)繞成右手超螺旋，即原膠原。

原膠原分子間通過(guò)側(cè)向共價(jià)交聯(lián)，相互呈階梯式有序排列聚合成直徑50~200nm、長(zhǎng)150nm至數(shù)微米的原纖維，在電鏡下可見(jiàn)間隔67nm的橫紋。膠原原纖維中的交聯(lián)鍵是由側(cè)向相鄰的賴(lài)氨酸或羥賴(lài)氨酸殘基氧化后所產(chǎn)生的兩個(gè)醛基間進(jìn)行縮合而形成的。

原膠原共價(jià)交聯(lián)后成為具有抗張強(qiáng)度的不溶性膠原。胚胎及新生兒的膠原因缺乏分子間的交聯(lián)而易于抽提。隨年齡增長(zhǎng)，交聯(lián)日益增多，皮膚、血管及各種組織變得僵硬，成為老化的一個(gè)重要特征。

人α₁（Ⅰ）鏈的基因含51個(gè)外顯子，因而基因轉(zhuǎn)錄后的拼接十分復(fù)雜。翻譯出的肽鏈稱(chēng)為前α鏈，其兩端各具有一段不含Gly-X-Y序列的前肽。三條前α鏈的C端前肽借二硫鍵形成鏈間交聯(lián)，使三條前α鏈“對(duì)齊”排列。然后從C端向N端形成三股螺旋結(jié)構(gòu)。前肽部分則呈非螺旋卷曲。帶有前肽的三股螺旋膠原分子稱(chēng)為前膠原（procollagen）。膠原變性后不能自然復(fù)性重新形成三股螺旋結(jié)構(gòu)，原因是成熟膠原分子的肽鏈不含前肽，故而不能再進(jìn)行“對(duì)齊”排列。

前α鏈在粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成，并在形成三股螺旋之前于脯氨酸及賴(lài)氨酸殘基上進(jìn)行羥基化修飾，脯氨酸殘基的羥化反應(yīng)是在與膜結(jié)合的脯氨酰-4羥化酶及脯氨酰-3羥化酶的催化下進(jìn)行的。維生素C是這兩種酶所必需的輔助因子。維生素C缺乏導(dǎo)致膠原的羥化反應(yīng)不能充分進(jìn)行，不能形成正常的膠原原纖維，結(jié)果非羥化的前α鏈在細(xì)胞內(nèi)被降解。因而，膳食中缺乏維生素C可導(dǎo)致血管、肌腱、皮膚變脆，易出血，稱(chēng)為壞血病。

二、纖粘連蛋白（fibronectin，FN）

FN是一種大型的糖蛋白，存在于所有脊椎動(dòng)物，分子含糖4.5－9.5％，糖鏈結(jié)構(gòu)依組織細(xì)胞來(lái)源及分化狀態(tài)而異。FN可將細(xì)胞連接到細(xì)胞外基質(zhì)上（圖10-5）。

圖10-5 FN將細(xì)胞連接到細(xì)胞外基質(zhì)上

FN以可溶形式存在于血漿（0．3mg/ml）及各種體液中；以不溶形式存在于細(xì)胞外基質(zhì)及細(xì)胞表面。前者總稱(chēng)血漿FN；后者總稱(chēng)細(xì)胞FN。

各種FN均由相似的亞單位（220KD左右）組成。血漿FN（450KD）是由二條相似的肽鏈在C端借二硫鍵聯(lián)成的V字形二聚體（圖15-6）。細(xì)胞FN為多聚體。在人體中目前已鑒定的FN亞單位就有20種以上。它們都是由同一基因編碼的產(chǎn)物。轉(zhuǎn)錄后由于拼接上的不同而形成多種異型分子。

圖15-6 FN的結(jié)構(gòu)模型

每條FN肽鏈約含2450個(gè)氨基酸殘基，整個(gè)肽鏈由三種類(lèi)型（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）的模塊（module）重復(fù)排列構(gòu)成。具有5－7個(gè)有特定功能的結(jié)構(gòu)域，由對(duì)蛋白酶敏感的肽段連接。這些結(jié)構(gòu)域中有些能與其它ECM（如膠原、蛋白聚糖）結(jié)合，使細(xì)胞外基質(zhì)形成網(wǎng)絡(luò)；有些能與細(xì)胞表面的受體結(jié)合，使細(xì)胞附著與ECM上。

FN肽鏈中的一些短肽序列為細(xì)胞表面的各種FN受體識(shí)別與結(jié)合的最小結(jié)構(gòu)單位。例如，在肽鏈中央的與細(xì)胞相結(jié)合的模塊中存在RGD（Arg-Gly-Asp）序列，為與細(xì)胞表面某些整合素受體識(shí)別與結(jié)合的部位?；瘜W(xué)合成的RGD三肽可抑制細(xì)胞在FN基質(zhì)上粘附。

細(xì)胞表面及細(xì)胞外基質(zhì)中的FN分子間通過(guò)二硫鍵相互交聯(lián)，組裝成纖維。與膠原不同，FN不能自發(fā)組裝成纖維，而是通過(guò)細(xì)胞表面受體指導(dǎo)下進(jìn)行的，只存在于某些細(xì)胞（如成纖維細(xì)胞）表面。轉(zhuǎn)化細(xì)胞及腫瘤細(xì)胞表面的FN纖維減少或缺失系因細(xì)胞表面的FN受體異常所致。

三、層粘連蛋白（laminin，LN）

LN也是一種大型的糖蛋白，與Ⅳ型膠原一起構(gòu)成基膜，是胚胎發(fā)育中出現(xiàn)最早的細(xì)胞外基質(zhì)成分。

LN分子由一條重鏈（α）和二條輕鏈（β、γ）借二硫鍵交聯(lián)而成，外形呈十字形，三條短臂各由三條肽鏈的N端序列構(gòu)成。每一短臂包括二個(gè)球區(qū)及二個(gè)短桿區(qū)，長(zhǎng)臂也由桿區(qū)及球區(qū)構(gòu)成（圖10-7）。

圖10-7 LN的結(jié)構(gòu)模型

LN分子中至少存在8個(gè)與細(xì)胞結(jié)合的位點(diǎn)。例如，在長(zhǎng)臂靠近球區(qū)的。鏈上有IKVAV五肽序列可與神經(jīng)細(xì)胞結(jié)合，并促進(jìn)神經(jīng)生長(zhǎng)。鼠LNα1鏈上的RGD序列，可與αvβ3整合素結(jié)合。

現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)7種LN分子，8種亞單位（α1,α2,α3,β1,β2,β3,γ1,γ2），與FN不同的是，這8種亞單位分別由8個(gè)結(jié)構(gòu)基因編碼。

LN是含糖量很高（占15-28％）的糖蛋白，具有50條左右N連接的糖鏈，是迄今所知糖鏈結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的糖蛋白。而且LN的多種受體是識(shí)別與結(jié)合其糖鏈結(jié)構(gòu)的。

基膜是上皮細(xì)胞下方一層柔軟的特化的細(xì)胞外基質(zhì)，也存在于肌肉、脂肪和許旺細(xì)胞（schwann cell）周?chē)Ｋ粌H僅起保護(hù)和過(guò)濾作用，還決定細(xì)胞的極性，影響細(xì)胞的代謝、存活、遷移、增殖和分化。

基膜中除LN和Ⅳ型膠原外，還具有entactin、perlecan、decorin等多種蛋白，其中LN與entactin (also called nidogen)形成1:1緊密結(jié)合的復(fù)合物，通過(guò)nidogen與Ⅳ型膠原結(jié)合（圖10-8）。

圖10-8 基膜的結(jié)構(gòu)

四、氨基聚糖與蛋白聚糖

1．氨基聚糖（glycosaminoglycan，GAG）

GAG是由重復(fù)二糖單位構(gòu)成的無(wú)分枝長(zhǎng)鏈多糖（圖10-9）。其二糖單位通常由氨基已糖（氨基葡萄糖或氨基半乳糖）和糖醛酸組成（表11-1），但硫酸角質(zhì)素中糖醛酸由半乳糖代替。氨基聚糖依組成糖基、連接方式、硫酸化程度及位置的不同可分為六種，即：透明質(zhì)酸、硫酸軟骨素、硫酸皮膚素、硫酸乙酰肝素、肝素、硫酸角質(zhì)素。

表10-2 氨基聚糖的分子特性及組織分布

透明質(zhì)酸（hyaluronic acid,HA）是唯一不發(fā)生硫酸化的氨基聚糖，其糖鏈特別長(zhǎng)。氨基聚糖一般由不到300個(gè)單糖基組成，而HA可含10萬(wàn)個(gè)糖基。在溶液中HA分子呈無(wú)規(guī)則卷曲狀態(tài)。如果強(qiáng)行伸長(zhǎng)，其分子長(zhǎng)度可達(dá)20μm。HA整個(gè)分子全部由葡萄糖醛酸及乙酰氨基葡萄糖二糖單位重復(fù)排列構(gòu)成。由于HA分子表面有大量帶負(fù)電荷的親水性基團(tuán)，可結(jié)合大量水分子，因而即使?jié)舛群艿鸵材苄纬烧吵淼哪z體，占據(jù)很大的空間，產(chǎn)生膨壓。

細(xì)胞表面的HA受體為CD44及其同源分子，屬于hyaladherin族。所有能結(jié)合HA的分子都具相似的結(jié)構(gòu)域。

HA雖不與蛋白質(zhì)共價(jià)結(jié)合，但可與許多種蛋白聚糖的核心蛋白質(zhì)及連接蛋白質(zhì)借非共價(jià)鍵結(jié)合而參加蛋白聚糖多聚體的構(gòu)成，在軟骨基質(zhì)中尤其如此。

除HA及肝素外，其他幾種氨基聚糖均不游離存在，而與核心蛋白質(zhì)共價(jià)結(jié)合構(gòu)成蛋白聚糖。

圖10-9左，蛋白聚糖；中蛋白聚糖多聚體；右，氨基聚糖

2．蛋白聚糖（proteoglycan）

蛋白聚糖是氨基聚糖（除透明質(zhì)酸外）與核心蛋白質(zhì)（coreprotein）的共價(jià)結(jié)合物。核心蛋白質(zhì)的絲氨酸殘基（常有Ser-Gly-X-Gly序列）可在高爾基復(fù)合體中裝配上氨基聚糖（GAG）鏈。其糖基化過(guò)程為通過(guò)逐個(gè)轉(zhuǎn)移糖基首先合成由四糖組成的連接橋（Xyl-Gal-Gal-GlcUA），然后再延長(zhǎng)糖鏈，并對(duì)所合成的重復(fù)二糖單位進(jìn)行硫酸化及差向異構(gòu)化修飾。一個(gè)核心蛋白質(zhì)分子上可以連接1至100個(gè)以上GAG鏈。與一個(gè)核心蛋白質(zhì)分子相連的GAG鏈可以是同種或不同種的。

許多蛋白聚糖單體常以非共價(jià)鍵與透明質(zhì)酸形成多聚體。核心蛋白質(zhì)的N端序列與CD44分子結(jié)合透明質(zhì)酸的結(jié)構(gòu)域具有同源性，故亦屬hyaladherin族。

蛋白聚糖多聚體（圖18-9）的分子量可達(dá)10⁸KD以上。其體積可超過(guò)細(xì)菌。如構(gòu)成軟骨的Aggrecan，其GAG主要是硫酸軟骨素（chondroitin sulfate，CS），但還有硫酸角質(zhì)素（keratan sulfate，KS）。其含量不足或代謝障礙可引起長(zhǎng)骨發(fā)育不良，四肢短小。

五、彈性蛋白（elastin）

彈性蛋白纖維網(wǎng)絡(luò)賦予組織以彈性，彈性纖維的伸展性比同樣橫截面積的橡皮條至少大5倍。

彈性蛋白由二種類(lèi)型短肽段交替排列構(gòu)成。一種是疏水短肽賦予分子以彈性；另一種短肽為富丙氨酸及賴(lài)氨酸殘基的α螺旋，負(fù)責(zé)在相鄰分子間形成交聯(lián)。彈性蛋白的氨基酸組成似膠原，也富于甘氨酸及脯氨酸，但很少含羥脯氨酸，不含羥賴(lài)氨酸，沒(méi)有膠原特有的Gly-X-Y序列，故不形成規(guī)則的三股螺旋結(jié)構(gòu)。彈性蛋白分子間的交聯(lián)比膠原更復(fù)雜。通過(guò)賴(lài)氨酸殘基參與的交聯(lián)形成富于彈性的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（圖10-10）。

圖10-10 彈性蛋白結(jié)構(gòu)模型

在彈性蛋白的外圍包繞著一層由微原纖維構(gòu)成的殼。微原纖維是由一些糖蛋白構(gòu)成的。其中一種較大的糖蛋白是fibrillin，為保持彈性纖維的完整性所必需。在發(fā)育中的彈性組織內(nèi)，糖蛋白微原纖維常先于彈性蛋白出現(xiàn)，似乎是彈性蛋白附著的框架，對(duì)于彈性蛋白分子組裝成彈性纖維具有組織作用。老年組織中彈性蛋白的生成減少，降解增強(qiáng)，以致組織失去彈性。

細(xì)胞外基質(zhì)的生物學(xué)作用

細(xì)胞外基質(zhì)不只具有連接、支持、保水、抗壓及保護(hù)等物理學(xué)作用，而且對(duì)細(xì)胞的基本生命活動(dòng)發(fā)揮全方位的生物學(xué)作用。

1．影響細(xì)胞的存活、生長(zhǎng)與死亡

正常真核細(xì)胞，除成熟血細(xì)胞外，大多須粘附于特定的細(xì)胞外基質(zhì)上才能抑制凋亡而存活，稱(chēng)為定著依賴(lài)性（anchorage dependence）。例如，上皮細(xì)胞及內(nèi)皮細(xì)胞一旦脫離了細(xì)胞外基質(zhì)則會(huì)發(fā)生程序性死亡。此現(xiàn)象稱(chēng)為凋亡（anoikis，a Greek word meaning “homelessness”）。

不同的細(xì)胞外基質(zhì)對(duì)細(xì)胞增殖的影響不同。例如，成纖維細(xì)胞在纖粘連蛋白基質(zhì)上增殖加快，在層粘連蛋白基質(zhì)上增殖減慢；而上皮細(xì)胞對(duì)纖粘連蛋白及層粘連蛋白的增殖反應(yīng)則相反。腫瘤細(xì)胞的增殖喪失了定著依賴(lài)性，可在半懸浮狀態(tài)增殖。

2．決定細(xì)胞的形狀

體外實(shí)驗(yàn)證明，各種細(xì)胞脫離了細(xì)胞外基質(zhì)呈單個(gè)游離狀態(tài)時(shí)多呈球形。同一種細(xì)胞在不同的細(xì)胞外基質(zhì)上粘附時(shí)可表現(xiàn)出完全不同的形狀。上皮細(xì)胞粘附于基膜上才能顯現(xiàn)出其極性。細(xì)胞外基質(zhì)決定細(xì)胞的形狀這一作用是通過(guò)其受體影響細(xì)胞骨架的組裝而實(shí)現(xiàn)的。不同細(xì)胞具有不同的細(xì)胞外基質(zhì)，介導(dǎo)的細(xì)胞骨架組裝的狀況不同，從而表現(xiàn)出不同的形狀。

3．控制細(xì)胞的分化

細(xì)胞通過(guò)與特定的細(xì)胞外基質(zhì)成分作用而發(fā)生分化。例如，成肌細(xì)胞在纖粘連蛋白上增殖并保持未分化的表型；而在層粘連蛋白上則停止增殖，進(jìn)行分化，融合為肌管。

4．參與細(xì)胞的遷移

細(xì)胞外基質(zhì)可以控制細(xì)胞遷移的速度與方向，并為細(xì)胞遷移提供“腳手架”。例如，纖粘連蛋白可促進(jìn)成纖維細(xì)胞及角膜上皮細(xì)胞的遷移；層粘連蛋白可促進(jìn)多種腫瘤細(xì)胞的遷移。細(xì)胞的趨化性與趨觸性遷移皆依賴(lài)于細(xì)胞外基質(zhì)。這在胚胎發(fā)育及創(chuàng)傷愈合中具有重要意義。細(xì)胞的遷移依賴(lài)于細(xì)胞的粘附與細(xì)胞骨架的組裝。細(xì)胞粘附于一定的細(xì)胞外基質(zhì)時(shí)誘導(dǎo)粘著斑的形成，粘著斑是聯(lián)系細(xì)胞外基質(zhì)與細(xì)胞骨架“鉚釘”。

由于細(xì)胞外基質(zhì)對(duì)細(xì)胞的形狀、結(jié)構(gòu)、功能、存活、增殖、分化、遷移等一切生命現(xiàn)象具有全面的影響，因而無(wú)論在胚胎發(fā)育的形態(tài)發(fā)生、器官形成過(guò)程中，或在維持成體結(jié)構(gòu)與功能完善（包括免疫應(yīng)答及創(chuàng)傷修復(fù)等）的一切生理活動(dòng)中均具有不可忽視的重要作用。

（來(lái)源 細(xì)胞生物學(xué)在線(xiàn) 2004-6-3）