第一节 细胞连接
细胞连接( cell junction)是指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之间、细胞与胞外基质之间的连接结构。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。根据行使功能的不同，细胞连接可分为三大类(1)封闭连接( occluding junction)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。紧密连接是这种连接的典型代表。
(2)锚定连接( (anchoring junction)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。根据直接参与细胞连接的细胞骨架纤维类型的不同，锚定连接又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。前者包括桥粒和半桥粒；后者主要有黏着带和黏着斑。
(3)通信连接( communicating junction)介导相邻细胞间的物质转运、化学或电信号的传递，主要包括动物细胞间的间隙连接、神经元之间或神经元与效应细胞之间的化学突触和植物细胞间的胞间连丝通过基因敲除、生化分析及酵母双杂交系统等技术可以研究细胞连接的功能，揭示参与细胞连接的相关蛋白质等。
一、封闭连接
紧密连接( tight junction)是封闭连接的主要类型，一般存在于上皮细胞之间。在光镜下，小肠上皮细胞之间的闭锁堤区域便是紧密连接存在的部位。电镜下，紧密连接处的相邻细胞质膜紧紧地靠在一起，没有间隙。冷冻断裂复型技术显示出它是由围绕在细胞四周的“焊接线”形成。焊接线又称为嵴线，它由成串排列的特殊跨膜蛋白组成。相邻细胞的嵴线相互交联封闭了细胞之间的间隙，其形态结构如图16-1所示。
紧密连接有两个主要功能。一是形成渗透屏障，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。如将电子致密物氢氧化镧加入上皮细胞一侧作为示踪物，电镜观察发现这些示踪物不能够通过细胞间形成的紧密连接进入细胞的另一侧。紧密连接不但在上皮细胞间存在，也存在于血管内皮细胞间，特别是在大脑的血管内皮细胞间更为明显。紧密连接的大脑毛细血管内皮细胞参与形成血脑屏障，阻止离子或水分子等通过血管内皮组织进入脑组织，从而保证大脑内环境的稳定性。但血脑屏障的形成也阻止了多种药物从血管进入中枢神经系统。非常有趣的是，尽管离子或水分子等小分子物质不能通过血脑屏障，但免疫细胞却能够顺利通过内皮细胞间的紧密连接。目前认为这可能是因为免疫细胞分泌了信号分子，从而打开紧密连接这也提示紧密连接形成的渗透屏障是相对的。某些小分子可以通过相邻细胞间的紧密连接，以细胞旁路途径( paracellular pathway)从上皮细胞层一侧转运或“渗漏”到另一侧，如小肠上皮和肾小管组织中存在细胞旁路转运方式。这种转运方式的调节与构成紧密连接的密封蛋白( claudin)组成有关，也与G蛋白-cAMP信号通路的调节有关。一种遗传性低镁血症就涉及 Claudin-16基因的变异，导致镁离子不能借助细胞旁路转运方式通过肾小管进入血液，引起抽搐；因 Claudin-14基因突变引起的遗传性耳聋也与细胞旁路转运异常有关。
紧密连接的第二个功能是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( (apicalfce)或游离面，以及基底面( basolateral face)。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。正是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。因此，紧密连接不仅仅是细胞间的一个机械连接装置，而且还能维持上皮细胞极性，保证细胞正常行使功能。
紧密连接通过相邻细胞膜上的跨膜蛋白形成嵴线而相互作用，从而将两个细胞的质膜紧密地连接在一起目前从紧密连接的嵴线中至少确定了两类蛋白：一类称为闭合蛋白( occludin)，是分子质量为60kDa的4次跨膜蛋白；另一类称为密封蛋白，也是4次跨膜的蛋白家族(现已鉴定20种以上)。闭合蛋白和密封蛋白形成嵴线的相互作用还依赖于其他蛋白质，如细胞膜的外周蛋白Z，将嵴线锚定在微丝上。近年发现， claudin-1和闭合蛋白还是丙型肝炎病毒( hepatitis C virus，HCV)入侵细胞所必需的受体，意味着紧密连接很有可能和HCV入侵细胞的过程相关。
二、锚定连接
单纯的细胞质膜并不能有效地将机械压力从一个细胞传递到另一个细胞或者胞外基质，因此其承受机械力的强度很低。但当细胞形成组织后，由于细胞间或者细胞与胞外基质间通过锚定连接分散作用力，从而增强细胞承受机械力的能力。锚定连接在机体组织内广泛分布，在那些需要承受机械力的组织内尤其丰富，如心脏、肌肉及上皮组织等。锚定连接由两类蛋白质构成。第一类统称细胞内锚蛋白( (anchor protein)，这类蛋白质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，另一侧与跨膜黏着蛋白质相连。第二类统称跨膜黏着蛋白质( adhesion protein)，这类蛋白质是细胞膜蛋白，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着蛋白质相连。
(一)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形成特的盘状致密斑 侧与细胞内的中间丝相连，另一侧与跨膜黏着蛋白质相连，在两个细胞之间形成纽扣样结构，将相邻细胞铆接在一起(图16-2)。胞内锚蛋白包括桥粒斑珠蛋白( plakoglobin)和桥粒斑蛋白( desmoplakin)。跨膜黏着蛋白质属于钙黏蛋白家族 (cadherin family)，包括桥粒芯蛋白( desmoglein)和桥粒芯胶黏蛋白( ( desmocollin)等。细胞内中间丝依据细胞类型不同而种类有异，在上皮细胞主要是角蛋白丝 (keratin filament)。
从桥粒结构上看，一个细胞内的中间丝与相邻细胞内的中间丝通过桥粒相互作用，从而将相邻细胞连成体，增强了细胞抵抗外界压力与张力的机械强度。临床上有一种自身免疫缺陷病天疱疮( pemphigus)，其病因是患者自身抗体结合桥粒跨膜黏着蛋白质，从而破坏桥粒结构，导致上皮细胞间锚定连接丧失，体液渗漏而产生严重的皮肤水疱病。
半桥粒( hemidesmosome)在形态上与桥粒类似，但功能和化学组成不同。半桥粒是细胞与胞外基质间的连接形式，参与的细胞骨架仍然是中间丝，但其细胞膜上的跨膜黏着蛋白质是整联蛋白( (integrin)，与整联蛋白相连的胞外基质是层粘连蛋白。通过半桥粒，上皮细胞可以黏着在基膜上(图16-3)
(二)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(图164)。黏着带处的相邻细胞间隙约30m，其间由Ca2依赖的跨膜黏着蛋白质(钙黏蛋白)形成胞间横桥相连。细胞内的锚蛋白有联蛋白( (catenin)、黏着斑蛋白 (vinculin)及α-辅肌动蛋白(a- actinin)等。与黏着带相连的骨架纤维是肌动蛋白纤维。联蛋白介导钙黏蛋白与微丝的连接。由于平行排列的微丝及其结合的肌球蛋白能够产生相对运动，导致微丝收缩，因此推测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，跨膜黏着蛋白质是整联蛋白，胞外基质主要是胶原和纤连蛋白，胞内锚蛋白有踝蛋白( talin)、a-辅肌动蛋白、细丝蛋白和纽蛋白等。这种连接形式在肌肉与肌腱(主要成分是胶原)很常见。体外培养的成纤维细胞通过黏着斑贴附在培养皿基质上，微丝终止于黏着斑处，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(图16-5)。
三、通信连接
（一）间隙连接
间隙连接( gap junction)在动物组织细胞间分布非常广泛。除骨骼肌细胞及血细胞外，几乎所有的动物组织细胞都利用间隙连接来进行通信联系。
1.结构与成分
间隙连接的基本结构单位是连接子( (connexon)。
个连接子由6个相同或相似的连接子蛋白( (connexin)呈环状排列而成，中央形成一个直径约1.5mm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(图16-6)。间隙连接处相邻细胞质膜间的间隙为2~3mm，因而间隙连接也称缝隙连接。许多间隙连接单位往往集结在一起形成大小不一的片状结构(图16-6A)，最大直径可达0.3μm，因此通过密度梯度离心技术可将质膜上的间隙连接区域的膜片分离出来。目前已从不同动物或不同组织中分离出20余种构成连接子的蛋白质，它们属于同一类蛋白质家族，其分子质量从26kDa至60kDa不等。这类蛋白质较一般蛋白质更能抗去垢剂抽提和蛋白酶的消化，所以比较容易纯化。尽管连接子蛋白的分子质量差异较大，但所有连接子蛋白都具有4个保守的α螺旋跨膜区(图16-6C)连接子蛋白的一级结构比较保守，其氨基酸序列具有相似的亲水性与疏水性分布。然而不同类型细胞表达不同的连接子蛋白，多数细胞表达一种或几种，它们所组装的间隙连接的孔径与调控机制也有所不同。
2.功能
相邻细胞通过间隙连接可以实现代谢偶联或电偶联。通过向细胞内注射不同分子量的染料，证明间隙连接的通道可以允许分子量小于1000的分子通过，这表明细胞内的小分子，如无机盐离子、糖、氨基酸、核苷酸、维生素、cAMP和IP3等小分子物质能从一个细胞通过间隙连接的通道进入另一个细胞，而蛋白质、核酸、多糖等生物大分子则不能通过。
(1)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信。代谢偶联现象在体外培养细胞中已得到实验证实，缺乏胸苷激酶的突变细胞株，不能利用胸苷合成DNA。将突变细胞与含有胸苷激酶的正常细胞共培养，两种细胞相互接触并形成间隙连接，此时向培养液中加入放射性标记的胸苷，结果显示放射性标记的胸苷不仅可掺入到正常细胞的DNA中，也可掺入到突变细胞的DNA中，表明放射性标记的胸苷进入正常细胞后在胸苷激酶的作用下形成三磷酸胸苷(TP)，然后作为DNA合成的前体物，通过间隙连接进入突变细胞中参与DNA合成。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，如当促细胞分泌的激素促胰液素( (secretin)作用于胰腺腺泡细胞，其基底面质膜上的受体与激素分子结合，激发细胞内作为第二信使的cAMP和Ca2浓度增高，促使贮存在分泌泡中的胰蛋白酶向胞外释放。cAMP和Ca2都可通过间隙连接从一个细胞进入相邻的细胞中。因此，只要有部分细胞接受信号分子的作用后，便可使所有腺泡细胞同时向外分泌消化酶。
(2)间隙连接在神经冲动信息传递中的作用神经元之间或神经元与效应细胞(如肌细胞)之间通过突触( synapse)完成神经冲动的传导。突触可分为电突触( electronic synapse)和化学突触( (chemical synapse)两种基本类型。电突触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(图167)。与化学突触传递信号不同，电突触的间隙连接有利于细胞间的快速通信，让动作电位(离子流)从一个细胞直接通过间隙连接通道迅速传递到另一个细胞。而化学突触传递信号时，神经冲动传递到轴突末端，引起神经递质小泡释放神经递质，然后神经递质作用于突触后细胞，引起新的神经冲动。这种信号传递涉及将电信号转变为化学信号，再将化学信号转变为电信号的过程。而电突触传递信号时是通过间隙连接直接将电信号从一个细胞传递到另一个细胞，相对来讲，信号传递速度快了很多。这对于某些无脊椎动物和鱼类快速准确地逃避反射十分重要，如龙虾在外界刺激后的15ms内即可作出反应。
此外，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。
(3)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，如在小鼠胚胎八细胞阶段，细胞之间普遍建立了电偶联。但是当细胞开始分化后，不同细胞群之间电偶联逐渐消失，说明间隙连接存在于发育与分化的特定阶段的细胞之间。若将抗连接子蛋白的抗体注射到八细胞蛙胚的某个细胞中，则细胞间的电偶联被选择性阻断，注射的染料只存留在被注射细胞及其子细胞中，并且使胚胎发育出现明显的缺陷。很可能胚胎发育中细胞间的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。
有趣的是，除了依赖亲水性通道发挥通信功能外，最近发现，间隙连接还有黏着特性。在大脑发育过程中，神经元与放射状纤维形成间隙连接而黏着在一起，通过连接子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
间隙连接允许分子量小于1000的无机离子及小分子物质通过，但间隙连接的通透性也是可变的，表现在以下两个方面：
(1)间隙连接对小分子物质的通透能力具有底物选择性如豚鼠耳蜗支持细胞间的间隙连接对阳离子通透性明显比阴离子大。同样，耳蜗感觉上皮细胞的间隙连接(连接子蛋白主要为Cx26)也表现出对带正电荷的分子通透性大。
(2)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。在某些组织中，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。这些现象表明，间隙连接通道是一种动态结构，其构象可发生可逆性变化。电压和pH对间隙连接通透性调节的意义尚不清楚。Ca2浓度的升高关闭了间隙连接的通道，至少可阻止细胞高浓度的Ca2进入相邻细胞而影响其正常细胞代谢活动。
间隙连接通透性还受胞外化学信号的调节，有助于细胞间的代谢偶联。例如，当胰高血糖素作用于肝细胞时，使肝细胞内cAMP水平增高，cAMP激活了依赖于cAMP的蛋白激酶，蛋白激酶又使间隙连接蛋白磷酸化，导致其构象发生改变，从而使间隙连接通透性增加，这样cAMP就可以迅速从一个细胞扩散到周围的肝细胞，最终使肝细胞共同对胰高血糖素的刺激作出应答反应。
(二)胞间连丝
植物细胞具有坚韧的细胞壁，因此相邻细胞的质膜无法形成像动物细胞间的紧密连接和间隙连接，也不需要形成锚定连接，但植物细胞间仍然需要通信。除极少数特化的细胞外，高等植物细胞之间通过胞间连丝( plasmodesma)相互连接，完成细胞间的通信联络。胞间连丝穿越细胞壁，由相邻细胞的细胞质膜共同组成直径为20~40m的管状结构，中央是由光面内质网延伸形成的链样管( desmotubule)。在链样管与管状质膜之间是由细胞液构成的环孔(图16-8)。环孔两端狭窄可能用以调节细胞间的物质交换。胞间连丝可在植物细胞胞质分裂中细胞板形成后期产生，也可在非姐妹细胞之间形成，而且还可以通过修饰改变它的结构和运输功能。
胞间连丝形成了物质从一个细胞进入另一个细胞的通路，所以在植物细胞的物质运输和信号传递中起着非常重要的作用。例如，在分泌旺盛的细胞中，胞间连丝的数目可达15个/um2，而一般细胞中约为1个/m2同间隙连接一样，可用荧光染料扩散实验和脉冲电流传导实验来研究胞间连丝的通信功能。向一个细胞中注入荧光染料则染料迅速扩散到相邻的细胞内，同样，向某个细胞加上一定大小的脉冲电流，在相邻细胞中则可检测到脉冲电流的存在，检测到的脉冲电流强度减小的程度与细胞间的胞间连丝数量有关。
胞间连丝介导的细胞间的物质运输也是有选择性的，并且是可以调节的。显微注射荧光染料标记的多肽实验表明，正常情况下，胞间连丝可以允许分子量小于1000的分子自由通过。但是，在有些组织的细胞之间，即使是很小的分子也不能通过胞间连丝，其调节机制至今并不十分清楚。很多植物病毒编码一种特殊的运动蛋白，分子质量大多在30kDa左右，可以使胞间连丝的通透性增大，进而使病毒蛋白和核酸通过胞间连丝感染相邻的细胞。例如烟草花叶病毒可通过其自身的p30运动蛋白调节胞间连丝孔径，使病毒粒子从一个细胞进入另一个细胞。p30蛋白缺陷突变株不能完成对植株的感染，而在有p30蛋白少量表达的转基因植株中，突变株病毒又可以恢复感染。实验表明，某些细胞蛋白与核酸等生物大分子均可通过胞间连丝进入相邻细胞，因此植物细胞胞间连丝在协调其基因表达与生理功能中起着重要作用。绿色荧光蛋白标记技术发现，在烟草叶肉组织的发育过程中，早期细胞间的胞间连丝可允许50kDa的蛋白质通过，而在成熟细胞中，胞间连丝呈分枝状，只能允许通过分子量为400的物质，显示在发育过程中，胞间连丝结构的改变可以调节植物细胞间的物质运输。
(三)化学突触
化学突触是存在于可兴奋细胞之间的细胞连接方式，它通过释放神经递质来传导神经冲动并因此而得名。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，因此表现出动作电位在传递中的延迟现象。化学突触是相对电突触而言的，相关知识参见生理学有关内容。
