第三节 细胞外基质
多细胞生物体的组成除细胞之外，还包括由细胞分泌的蛋白质和多糖所构成的细胞外基质( extracellular matrix，ECM)。细胞外基质在结缔组织中含量最为丰富，主要由成纤维细胞( fibroblast)所分泌，占据结缔组织的大部分胞外空间(图16-14)。
胞外基质的分子类型、不同组分的含量和组装形式具有组织器官特异性，并与组织器官的发育阶段及功能状态相适应。各种结缔组织的胞外基质变化多样，如：骨组织胞外基质表现为刚硬，以确保其支撑等作用；软骨具有一定的韧性；角膜中胞外基质是透明而柔软的；肌腱和韧带中的胞外基质组装成绳索状，具有高度抗张强度；在上皮层和结缔组织间的胞外基质特化为基膜。
尽管如此多样，但根据其组成成分的功能进行划分，动物细胞的胞外基质成分主要有三种类型：①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；②蛋白聚糖，由蛋白质和多糖共价形成，具有高度亲水性，从而赋予胞外基质抗压的能力；③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动物组织的构建既是多细胞相互作用的结果，也是细胞与胞外基质相互作用的结果。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。很多编码胞外基质成分的基因或某些胞外基质受体基因突变，或者胞外基质的装配与降解过程紊乱，可导致脏器纤维化等多种疾病甚至肿瘤的发生，因此对胞外基质功能的研究越来越受到关注。
一、胶原
(一)结构与类型
胶原( collagen)是胞外基质最基本的成分之一，也是动物体内含量最丰富的蛋白质，占人体蛋白质总量的25%以上。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( tropocollagen)。原胶原由3条α链多肽盘绕而成三股螺旋结构，长300nm，直径1.5nm。不同的a链由不同的基因编码，目前已发现人基因组中有42个编码基因。α链的氨基酸组成及排列独特，甘氨酸含量占1/3，脯氨酸及羟脯氨酸约占1/4。α链的一级结构具有 Gly-X-Y三肽重复序列，其中Ⅹ常为脯氨酸(Pro)，Y常为羟脯氨酸( Hypro)或羟赖氨酸( Hylys)，其典型结构如图16-15所示。这种三肽重复序列有利于形成三股螺旋胶原分子，也有助于胶原纤维高级结构的形成，因此，其氨基酸残基突变，尤其是Ly残基的突变往往导致三股螺旋形成障碍。
值得一提的是，并非所有类型的胶原都由相同的a链螺旋盘绕形成，如Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅸ型胶原由两种或3种α链螺旋形成，而Ⅱ、Ⅲ、Ⅶ、Ⅻ、XⅦ和XⅧ型胶原仅由一种α链形成。目前已发现的人胶原类型多达27种，几种常见的胶原类型及其组织分布见表16-4。
(二)合成与装配
与大多数分泌蛋白的合成、修饰类似，胶原的合成与组装始于内质网，并在高尔基体中进行修饰，最后在细胞外组装成胶原纤维。每一条胶原肽链以前α链( pro-a chain)的形式在rER膜结合的核糖体上合成。前α链不仅含有内质网信号肽，而且在其N端以及C端还含有前肽( propeptide)序列。N端前肽约150个氨基酸残基，而C端前肽约250个氨基酸残基。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。然后，带有前肽的3条前α链在ER腔内装配形成三股螺旋的前胶原分子( procollagen)，通过高尔基体分泌到细胞外，在两种Zn2依赖性的前胶原N-蛋白酶和前胶原C-蛋白酶作用下，分别切去N端前肽及C端前肽，成为胶原分子( collagen molecule)。切除前肽的胶原分子以14交替平行排列的方式自我装配形成直径10-30m的胶原原纤维( collagen fibril)，胶原原纤维进一步聚合成500~3000mm的胶原纤维(图16-16)。
在上述合成、加工与装配过程中，脯氨酸和赖氨酸残基的羟基化有助于羟基间形成氢键，以稳定胶原三股螺旋结构。缺少维生素C(抗坏血酸)时，脯氨酸的羟基化受到影响，从而引起坏血病。这是由于未羟基化的前α链不能形成稳定的三股螺旋结构而很快在细胞中被降解，结果导致胞外基质中胶原的不断丢失而引起血管脆性增加、牙齿松脱以及创伤不能修复。此外，前α链的前肽不仅有助于形成三股螺旋结构，而且阻止了细胞内形成胶原原纤维，因此，前胶原分泌到细胞外后才被切除前肽，这对胶原原纤维的正常组装是必需的。在Ehlers- Danlos综合征中，由于缺乏一种切除前肽的酶导致胶原不能正常组装为高度有序的纤维而出现皮肤和血管脆弱、皮肤弹性过强等症状。
胶原纤维的强度还可通过胶原分子间以及胶原分子內赖氨酸残基之间形成共价键而得到极大增强。在跟腱部位，这种共价键特别丰富，因此跟腱具有极强的抗张能力。
(三)胶原的空间排布形式
同一组织中常含有几种不同类型的胶原，但常以某种类型为主。在不同组织中，胶原组装成不同的纤维形式，以适应特定功能的需要，最显著的是在骨和角膜中，胶原纤维分层排布，同一层的胶原彼此平行，而相邻两层的纤维彼此垂直，形成夹层板样的结构，使组织具有牢固、不易变形的特性。
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，这至少与两方面因素有关：一是细胞分泌的胞外基质中一些纤维结合胶原( fibril-associated collagen)。如Ⅸ型和Ⅻ型胶原，前者结合在Ⅱ型胶原表面，后者结合在I型胶原表面，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。二是分泌胶原的细胞对胶原在胞外基质中排布的影响。如成纤维细胞，通过对分泌的胶原进行“梳理”，从而影响胶原纤维大小、强度以及空间排布形式。
(四)功能
胶原在胞外基质中含量最高，刚性及抗张力强度最大，构成细胞外基质的骨架结构。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。胶原纤维具有很强的抗张能力，特别是Ⅰ型胶原。胶原纤维束构成肌腱，连接肌肉和骨骼。单位横截面的Ⅰ型胶原抗张能力比铁还强。当Ⅰ型胶原发生突变后，常导致成骨不全( osteogenesis imperfecta)，患者很容易发生骨折。
二、弹性蛋白
弹性蛋白( elastin)是弹性纤维的主要成分。弹性纤维主要存在于脉管壁及肺组织，也少量存在于皮肤肌腱及疏松结缔组织中。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。弹性蛋白是高度疏水的非糖基化蛋白，约含750个氨基酸残基。它的氨基酸组成像胶原一样富含甘氨酸和脯氨酸，但很少含羟脯氨酸，不含羟赖氨酸，没有Gly-x-Y序列。弹性蛋白在组成上主要由两种不同类型的区域交替排列而成：疏水区域，赋予分子弹性；富含丙氨酸和赖氨酸的α螺旋区域，有助于相邻分子形成交联。正因为如此，弹性蛋白才具有两个明显的特征：一是构象呈无规则卷曲状态二是通过Lys残基相互交连成网状结构(图16-17)。
胶原和弹性蛋白的重要性在年老个体中表现得更为明显。随着年龄的增长，胶原的交联度越来越大，而韧性却越来越低，弹性蛋白也从皮肤等组织中逐渐丧失。结果，老年人关节灵活性降低，皮肤起皱，弹性降低。
三、糖胺聚糖和蛋白聚糖
(一)糖胺聚糖
糖胺聚糖( glycosaminoglycan，GAG)是由重复的二糖单位构成的不分支的长链多糖，其二糖单位之一是氨基己糖(N乙酰氨基葡糖或N乙酰氨基半乳糖)，故又称氨基聚糖，另一个是糖醛酸。由于其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(图16-18)。根据糖、糖基连接类型和硫酸基团的数量与位置，糖胺聚糖可分为透明质酸( hyaluronan)、硫酸软骨素( chondroitin sulfate)和硫酸皮肤素( dermatan sulfate)、硫酸乙酰肝素( heparan sulfate)以及硫酸角质素( keratan sulfate)4类。
由于髙度亲水性的糖胺聚糖带有大量负电荷，因而能够吸引大量的阳离子(如Na)，这些阳离子再结合大量水分子。结果，糖胺聚糖就像海绵一样吸水产生膨压，赋予胞外基质抗压的能力。尽管结缔组织中的糖胺聚糖含量很少，但由于它们能形成多孔的水合胶体，体积增大数倍，糖胺聚糖填充了胞外基质的大部分空间，为组织提供了机械支撑作用。一种严重的硫酸皮肤素合成缺陷遗传病显示，患者身材矮小，外貌早熟，其皮肤、关节、肌肉和骨等都不正常透明质酸是一种重要的糖胺聚糖，是增殖细胞和迁移细胞的胞外基质主要成分，在早期胚胎中含量特别丰富。与其他糖胺聚糖相比，透明质酸不被硫酸化，而且通常不与任何核心蛋白( core protein)共价连接。
与其他糖胺聚糖一样，透明质酸分子表面含有大量亲水的羧基基团，吸引阳离子，结合大量水分子，形成水合胶体。因此在胞外基质中，透明质酸向外产生膨压，赋予结缔组织抗压能力。此外，透明质酸形成的水合空间有利于细胞保持彼此分离，使细胞易于运动迁移和增殖。一旦细胞迁移停止或增殖够数，便由透明质酸酶( hyaluronidase)将其降解。透明质酸还是关节液的一种重要成分，起到润滑关节的作用。透明质酸的许多作用都不是独立完成的，还依赖于与其他蛋白质及蛋白聚糖的相互作用。
(二)蛋白聚糖
蛋白聚糖( proteoglycan)位于结缔组织、细胞外基质及许多细胞表面，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(图16-19)，其含糖量可达90%-95%。一个核心蛋白上可连接数百个不同的糖胺聚糖形成蛋白聚糖。蛋白聚糖的核心蛋白在ER上合成，其与多糖链结合的糖基化过程发生在高尔基复合体中，首先是一个特异的连接四糖( link tetrasaccharide)与核心蛋白的丝氨酸残基共价结合，然后每次由糖基转移酶( glycosyl- transferase)将糖胺聚糖一个个地添加到四糖末端(图16-19)。
在很多组织中，蛋白聚糖以单分子形式存在。但在软骨中，大量蛋白聚糖借助连接蛋白( linker protein)以非共价键的形式与透明质酸结合形成很大的复合体(图16-20)。每个复合体分子量高达数百万，长达几个微米。蛋白聚糖的一个显著特点是多态性，可以含有不同的核心蛋白以及长度和成分不同的多糖链。这些蛋白聚糖赋予软骨凝胶样特性和抗变形能力。此外，蛋白聚糖可与FGF、TGFβ等多种生长因子结合，有利于激素分子与细胞表面受体结合，有效完成信号转导。
并非所有蛋白聚糖都形成巨大的聚合物，如基膜中的蛋白聚糖，由一个20~400kDa的核心蛋白和连接的几个硫酸肝素链构成。这种蛋白聚糖与Ⅳ型胶原结合，构成基膜的结构组分。还有个别蛋白聚糖并不被分泌到细胞外，而是通过自身核心蛋白插入到脂双层中或者通过核心蛋白与糖基化磷脂酰肌醇相连而成为质膜的整合成分，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。
四、纤连蛋白和层粘连蛋白
纤连蛋白与层粘连蛋白具有多个结构域，与胞外基质中其他大分子和细胞表面的黏分子(如整联蛋白)结合，从而帮助细胞粘连在胞外基质上。
(一)纤连蛋白
纤连蛋白( fibronectin，FN)是高分子量糖蛋白，含糖4.5%~9.5%，由两个亚基通过C端形成的二硫键交联形成，每个亚基的分子质量为220~250kDa，整个分子呈V形(图16-21)。
纤连蛋白一般由两个相似的亚基组成，每个亚基都是同一基因的表达产物，只是转录后差别剪接而产生不同的mRNA。用低浓度蛋白酶从纤连蛋白各个结构域间的特异位点切断后，就可确定每个结构域的结合活性分析发现，纤连蛋白的每个亚基有数个结构域。这些结构域有的能识别并结合胞外基质组分，如能结合I、Ⅱ及Ⅳ型胶原、肝素及凝血蛋白—血纤维蛋白( fibrin)，有的能识别并结合细胞表面受体(图16-21)。这些与细胞表面受体结合的结构域中含有RGD三肽序列。如果将人工合成的含有RGD三肽序列的短肽偶联在固体物表面，则细胞很容易附着上去纤连蛋白的细胞表面受体是整联蛋白家族成员，体的胞外功能域有与RGD三肽序列高亲和性的结合部位，因此纤连蛋白具有介导细胞黏着的功能。纯化的纤连蛋白可增强细胞间黏着及细胞与胞外基质的黏着。
纤连蛋白有助于维持细胞形态。纤连蛋白能结合细胞表面受体和胶原等胞外基质，因此纤连蛋白就像个分子“桥”，将细胞锚定在胞外基质上。这种锚定作用可以通过实验加以说明，如将细胞培养在有纤连蛋白的表面上，细胞很容易就贴壁生长，形态变得扁平，而且细胞内的肌动蛋白纤维的排列形式与胞外纤连蛋白的排列形式类似，由此认为肌动蛋白纤维的定向与组织形式对细胞形态及其维持具有明显的决定作用。研究还发现，很多种癌细胞不能合成纤连蛋白，不但丧失了正常的细胞形态，还脱离胞外基质。如果为这些癌细胞提供纤连蛋白，则细胞形态和结合胞外基质的能力都可以恢复到正常水平。这说明纤连蛋白可能涉及细胞癌变与迁移过程。
纤连蛋白还促进细胞迁移。一个典型的例子是两栖类胚胎发生早期神经嵴细胞的迁移。在神经管形成时，神经嵴细胞从神经管的背侧迁移到胚胎各个区域，分化成神经节、色素细胞等不同类型的细胞。显微注射抗纤连蛋白受体的抗体或含RGD序列的短肽，可以阻断细胞与纤连蛋白的结合，从而阻止细胞的迁移，形成异常胚胎。
此外，纤连蛋白还有助于血液凝固和创伤修复。血浆纤连蛋白( plasma fibronectin)是在血液中存在的一种可溶性的纤连蛋白。在血凝块形成过程中，血浆纤连蛋白能结合血纤维蛋白，并促进血小板附着于血纤维蛋白上。纤连蛋白还指引巨噬细胞和其他免疫细胞迁移到受损部位，促进创伤修复。
(二)层粘连蛋白
层粘连蛋白( laminin，LN)是另外一种粘连蛋白，不像纤连蛋白那样分布广泛，层粘连蛋白主要分布于各种动物胚胎及成体组织的基膜。层粘连蛋白是高分子量糖蛋白(820kDa)，不仅含糖量很高(占25%~30%)，而且糖链结构也最为复杂，层粘连蛋白通过二硫键将一条a链(400kDa)、一条β链(20kDa)及γ链(210kDa)连在一起，分子外形似“十”字形状，3条短臂各由3条肽链的N端序列构成(图16-22)。如纤连蛋白一样，层粘连蛋白也有多个不同的结构域，可与Ⅳ型胶原、肝素等胞外基质组分结合，还可通过自身的RGD三肽序列与细胞质膜上的整联蛋白结合。因此，层粘连蛋白也是分子“桥”，将细胞锚定在基膜上。
五、基膜与细胞外被
(一)基膜
基膜( basal lamina， basement membrane)是一种特化的胞外基质结构，通常位于上皮层的基底面，厚40~120mm，将上皮细胞与结缔组织分开。此外，在肌细胞和脂肪细胞表面、血管内皮细胞下面、施万细胞( Schwann cell))的表面也有基膜(图16-23)。
基膜主要成分为Ⅳ型胶原、层粘连蛋白、巢蛋白 nidogen)以及基膜蛋白聚糖等。层粘连蛋白在基膜中发挥了重要作用，因为层粘连蛋白具有多个不同的功能结构域，既能与Ⅳ型胶原结合，也能与细胞表面受体结合，从而将细胞与基膜紧密结合在一起。
基膜不仅对组织起结构支撑作用，同时还具有调节分子通透性以及作为细胞运动的选择性通透屏障。如在肾中，基膜参与构成一种过滤装置，可允许小分子从血液进入尿液，而阻止血液中蛋白质进入尿液。在表皮细胞层下的基膜可阻止结缔组织中的细胞进入表皮，而允许参与免疫作用的白细胞进入。此外，基膜还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。二)细胞外被细胞外被( (cell coat)又称糖萼( glycocalyx)，指细胞质膜外表面覆盖的一层黏多糖物质(图16-24A)。几乎所有的整合膜蛋白及某些膜脂分子都与糖链分子共价相连形成糖蛋白和糖脂，这些突出于细胞表面的糖链分子就形成了糖萼(图16-24B)。所以，细胞外被是细胞质膜的正常结构组分，它与胞外基质在空间分布、成分及功能等方面都不一样。细胞外被不仅对细胞膜起保护作用，而且在细胞识别中起重要作用。
六、植物细胞壁
动物细胞具有不同组织形式的胞外基质，而对植物、真菌、藻类和原核细胞而言，其胞外基质不但与动物细胞胞外基质在成分上不同，而且组织形式也不样。植物、真菌、藻类和原核细胞的胞外基质形成不同类型的细胞壁( (cell wall))。植物细胞坚韧的细胞壁赋予细胞强度，保护细胞免受机械损伤以及病原体感染。此外，细胞壁还发挥渗透屏障作用，小分子物质，如水离子、单糖、氨基酸等都能顺利通过细胞壁，而分子质量高于20kDa的蛋白质则很难通过细胞壁。正因为细胞壁对物质通透的渗透屏障性，在植物细胞间起信号作用的激素的分子量都小于1000。
(一)细胞壁的化学组成与结构
植物细胞壁与动物细胞胞外基质的来源一样，也是由细胞分泌的。植物细胞壁由大分子构成，主要成分是多糖，包括纤维素、半纤维素、果胶质等。
1.纤维素
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。纤维素分子集聚成束，形成长的微原纤维( microfibre)，微原纤维的走向受细胞质中微管网架的影响。纤维素分子为细胞壁提供了抗张强度。
2.半纤维素
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。半纤维素的分支有助于将微原纤维彼此连接或介导微原纤维与其他基质成分(例如果胶质)连接。果胶质像透明质酸一样，含有大量携带负电荷的糖基，如半乳糖醛酸等。果胶质结合诸如Ca2等阳离子，被高度水化，可形成凝胶，常用于食品加工。果胶质与半纤维素横向连接，参与细胞壁复杂网架的形成。
3.伸展蛋白
伸展蛋白( extensin)是由大约300个氨基酸残基组成的糖蛋白，在植物细胞壁中含量可高达15%。伸展蛋白含有大量羟脯氨酸残基，其肽链长度的一半是Ser-Hyp-Hyp-Hyp四肽序列的重复。大多羟脯氨酸含有3~4个阿拉伯糖残基的寡糖链，丝氨酸连接有半乳糖，糖的总量约占65%。
4.木质素
木质素( (lignin)是由酚残基形成的水不溶性多聚体。次生细胞壁形成时，木质素开始合成，并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。
(二)初生细胞壁与次生细胞壁植物细胞有两种细胞壁，即初生细胞壁( prmary cell wall))和次生细胞壁( secondary cell wall)(图1625)。二者是在不同阶段由细胞分泌而成。
植物细胞壁最先形成的是中间层( middle lamella)(图16-25)，主要成分为果胶(ecin)。果胶是相邻细胞壁所共有的，起到将相邻细胞壁粘连在一起的作用。
分泌合成的第二个区域是初生细胞壁。初生细胞壁是在细胞生长时期合成的，由纤维素、半纤维素、果胶和糖蛋白等组成。初生细胞壁可看成为凝胶样基质，纤维素埋于其中。
当细胞停止生长后，多数细胞会分泌合成次生细胞壁。次生细胞壁与初生细胞壁相比，往往还含有木质素，但基本不含有果胶。这使得次生细胞壁非常坚硬。
细胞壁中某些寡糖成分可作为信号物质，当外界病原体入侵时，真菌或植物细胞壁中的多糖水解产生特定的寡糖组分，它们可诱导编码植保素合成酶的基因表达，产生植保素( phytoalexin)杀死病原体。有证据显示，细胞壁多糖中的某些寡糖片段可以作为细胞生长和发育的信号物质。在植物细胞壁中，也发现类似动物细胞的蛋白聚糖，如阿拉伯半乳聚糖蛋白( arabinogalactan protein)，其分布广泛且含量丰富，它们与植物组织发育、细胞增殖及胚胎发生中所涉及的细胞间信号转导和细胞与胞外基质的相互作用相关。
