CHAPTER4

InteractionsBetweenCellsandTheirEnvironmentOUTLINE4.1CELLSURFACE4.2CELLENVIRONMENT4.3CELLRECOGNIZATION4.4CELLJUNCTION

4.1CellSurface◆在結構上，包括：●細胞被(cellcoat)●細胞質膜●表層胞質溶膠(corticolcytosol)◆在功能上：●保護細胞,使細胞有一個相對穩定的內環境；●參與細胞內外的物質交換和能量交換；●參與信號的識別和信息的傳遞；●參與細胞運動；●維護細胞的各種形態；●與免疫、癌變等有十分密切關系。表層胞質溶膠(cytosol)：

其中含有高濃度的蛋白質,其厚度在哺乳類細胞為0.1-0.2μm,其中沒有核糖體和線粒體,但是有較多的微絲和微管,它們對于維持細胞的形態和運動具有重要作用。細胞被◆Glycocalyx)●組成：

由細胞表面的碳水化合物形成的質膜保護層，又稱為多糖包被。●功能：Theglycocalyxisthoughttomediatecell-cellandcell-substratuminteractions,providemechanicalprotectiontocells,andserveasabarriertoparticlesmovingtowardtheplasmamembrane.4.1.2PLANTCELLWALLS

植物細胞壁的作用◆提供機械強度◆保護細胞免遭滲透及機械損傷◆植物細胞壁是一個動態結構，能夠進行很多活動:●與細胞壁有關的酶能夠吸收細胞外的營養，生成能夠通過細胞膜進入細胞的小分子化合物。●細胞壁也可以作為物質通透的障礙，在代謝和分泌過程中起重要作用。細胞壁的結構組成◆植物的細胞壁相當于動物細胞的細胞

外基質(!!!)：●動物細胞的細胞外基質的主要成分是蛋白質分子；●植物的細胞壁主要是多糖，其中最主要的是纖維素。◆植物細胞壁的骨架：纖維素◆植物細胞壁的骨架：纖維素●Cellulosemoleculesareorganizedintomicrofibrilsthatconferrigiditytothecellwallandprovideresistancetotensile(pulling)forces.

?●Eachmicrofibrilis5-10nmindiameterandiscomposedofbundlesof30to60cellulosemoleculesorientedparalleltooneanotherandheldtogetherbyhydrogenbonds.?◆Thematrixoftheplantcellwalls■Hemicellulose

●Hemicellulosesarebranchedpolysaccharideswhosebackboneconsistsofonesugar,suchasglucose,andsidechainsofothersugars,suchasxylose.

●Hemicellulosemoleculesbindtothesurfacesofcellulosemicrofibrils,cross-linkingthemintoacomplexstructuralnetwork.■Pectins：

●Pectinsareaheterogeneousclassofnegativelychargedpolysaccharidescontaininggalacturonicacid（半乳糖醛酸）；●Liketheglycosaminoglycansofanimalcellmatrices,pectinsholdwaterandthusformanextensivehydratedgel（水合膠）thatfillsinthespacesbetweenthefibrouselements；●Whenaplantisattackedbypathogens,fragmentsofpectinsreleasedfromthewalltriggeradefensiveresponsebytheplantcell；●Purifiedpectinisusedcommerciallytoprovidethegel-likeconsistencyofjamsandjellies.■StructureProteins:

StructureProteinfunctionsarenotwellunderstood.Oneclass,theextensins,providestructuralsupportandmayformabarriertoinvadingmicroorganisms.植物細胞壁的分泌合成◆中間層形成：

主要是果膠。果膠是相鄰兩細胞壁所共有，并且具有將兩個細胞連接在一起的作用。◆初生壁形成：是細胞正在生長時形成的。初生壁的厚度為100-200nm,與動物細胞的基膜相當。初生壁由纖維素、半纖維素、果膠和糖蛋白等松散組成。◆次生壁形成：

是在細胞停止生長后分泌形成的。主要是增加細胞壁的厚度和強度。次生壁主要在初生壁的內層。144.2Extracellularmatrix◆Manytypesofanimalcellsaresurroundedbyanextracellularmatrix(ECM)--anorganizednetworkofextracellularmaterialsthatispresentbeyondtheimmediatevicinityoftheplasmamembrane.◆TheECMismorethananinertpackingmaterial,itoftenplaysakeyregulatoryroleindeterminingtheshapeandactivitiesofthecell.◆能夠分泌和形成細胞外基質的主要細胞類群是成纖維細胞(fibroblast)和其他特化組織的細胞。15

Forexample:●EnzymaticdigestionoftheECMthatsurroundsculturedcartilage(軟骨）cellsormammaryglandepithelialcellscausesamarkeddecreaseinthesyntheticandsecretoryactivitiesofthecells.●Additionofextracellularmatrixmaterialsbacktotheculturedishrestoresthedifferentiatedstateofthecellsandtheirabilitytoproducetheirusualcellproducts.

16◆細胞外基質的組成可分為三大類∶●蛋白聚糖(proteoglycan)●結構蛋白如膠原和彈性蛋白，它們賦予基質一定的強度和韌性。●黏著蛋白(adhesiveproteins)如纖連蛋白和層粘蛋白，它們促使細胞同基質結合。174.2.1細胞外基質的基礎物質蛋白聚糖(Proteoglycan,PG)◆結構與功能

●Protein-polysaccharidecomplexiscalledaproteoglycan

●Aproteoglycanconsistsofacoreproteinmoleculetowhichchainsofglycosaminoglycans(GAGs,糖胺聚糖)arecovalentlyattached.●BecauseofthenegativechargesborneonthesulfatedGAGs,proteoglycansbindhugenumbersofcations,whichinturnbindlargenumbersofwatermolecules.Asaresult,proteoglycansformaporous,hydratedgelthatfillstheextracellularspacelikepackingmaterialandresistscrushing(compression)forces.

18◆Glycosaminoglycans

●Eachglycosaminoglycanchainiscomposedofarepeatingdisaccharide;thatis,ithasthestructure-A-B-A-B-A-,whereAandBrepresenttwodifferentsugars.●GAGsarehighlyacidicduetothepresenceofbothsulfateandcarboxylgroupsattachedtothesugarrings.

●糖胺聚糖的二糖單位之一是氨基己糖(氨基葡萄糖或氨基半乳糖),故稱為糖胺聚糖。●糖胺聚糖包括∶硫酸軟骨素(chondroitinsulfate)透明質酸(hyaluronicacid)等。19構成糖胺聚糖的二糖20◆透明質酸(hyaluronicacid)

細胞外基質中發現的大多數糖胺聚糖都是作為蛋白聚糖的一個成分而存在，惟一例外的是透明質酸，它在細胞外

基質中也可游離存在。

透明質酸在結締組織中起強化、彈性和潤滑作用,具有抗壓能力。21

4.2.2結構蛋白膠原(Collagen)◆基本特性：●Collagenisafamilyoffibrousglycoproteinsthatarepresentonlyinextracellularmatrices.●Collagenisthesinglemostabundantproteininthehumanbody(constitutingmorethan25percentofallprotein),●Collagensarefoundthroughouttheanimalkingdomandarenotedfortheirhightensilestrength,thatis,theirresistancetopullingforces.Itisestimatedthatacollagenfiber1mmindiameteriscapableofsuspendingaweightof10kgwithoutbreaking.●Collagenisproducedprimarilybyfibroblasts,thecellsfoundinvarioustypesofconnectivetissues,andalsobysmoothmusclecellsandepithelialcells.

22◆膠原的類型●Nineteendistincttypesofcollagenhavebeenidentified.

●Eachcollagentypeisrestrictedtoparticularlocationswithinthebody,buttwoormoredifferenttypesareoftenpresenttogetherinthesameECM.23◆Structuralfeatures

●Allcollagenmoleculesaretrimersconsistingofthreepolypeptidechains,calledchains.●Alongatleastpartoftheirlength,thethreepolypeptidechainsofacollagenmoleculearewoundaroundeachothertoformaunique,rod-liketriplehelix24●在膠原纖維內部,有分子內和分子間的交聯。分子內交聯是指原膠原的三條鏈之間的賴氨酸殘基間的交聯,分子間的交聯是指不同原膠原間的賴氨酸交聯。

這種分子間的交聯,使得在膠原纖維內部形成膠原蛋白分子呈1/4平行交替排列,即一個原膠原的頭部與下一個原膠原的尾部有一個小的間隙分隔。25◆膠原的合成、裝配與運輸●哺乳動物具有大約20種不同的膠原基因，編碼各種不同組織所需要的膠原。●首先是在粗面內質網上合成帶有信號肽的前原膠原(preprocollagan)。●膠原纖維的加工組裝始于內質網、在高爾基體中繼續進行,最后完成于細胞外。26◆膠原的作用

◆膠原是骨、腱和皮膚組織中的主要蛋白，在這些組織的細胞外基質中,膠原起著細胞外基質骨架作用;

◆膠原具有促進細胞生長的作用;

◆在細胞分化中，膠原基質和提純的膠原底物具有維持并誘導細胞分化的作用。27

膠原酶遺傳缺陷

某些人具有膠原酶的遺傳缺陷，這樣,他們的膠原纖維就不能正確地裝配，其結果，皮膚和各種其它的結綈組織就會降低它們的強度變得非常的松弛。28彈性蛋白(Elastin)◆是彈性纖維(elasticfibers)的主要成分。◆功能：能夠賦予細胞外基質彈性。◆彈性蛋白也是富含甘氨酸和脯氨酸的蛋白質。與同膠原不同的是，彈性蛋白的脯氨酸沒有羥基化，所以沒有羥脯氨酸的存在。294.2.3黏著蛋白

黏著蛋白(adhesiveprotein)是細胞外基中質的第三類成分，之所以將這些蛋白稱為黏著蛋白，主要是這些些蛋白起著將細胞外基質與細胞聯系起來的橋梁作用。30纖粘連蛋白(Fibronectin,FN)◆存在：●Fibronectinareafamilyofcloselyrelatedadhesiveglycoproteinsthatwidelydistributedthroughouttheanimalkingdom;●Fibronectinoccursinasolubleforminthebloodandotherbodyfluids；●Asinsolublefibrilsintheextracellularmatrix。31◆結構特點：■Fibronectinpolypeptideisconstructedfromasequenceofapproximately30independentlyfoldingFndomains■Eachofthetwopolypeptidechainsthatmakeupafibronectinmoleculecontains：●BindingsitesforothercomponentsoftheECM,suchascollagensandproteoglycans.Thesebindingsitesfacilitateinteractionsthatlinkthesediversemoleculesintoastable,interconnectednetwork.●Bindingsitesforreceptorsonthecellsurface，thesebindingsitesholdthecellinastableattachmenttotheECM.32◆RGD序列●用蛋白酶消化纖粘連蛋白與細胞結合區,發現這一結構域中Arg-Gly-Asp三肽序列負責同細胞表面的結合,●Arg-Gly-Asp序列(又稱RGD序列)同樣存在于細胞外基質和血液的其它類型的黏著蛋白序列中。33◆功能：◆FN最主要的功能是介導細胞的黏著。◆由于FN具有同時與細胞外基質各類成分相結合的特點,并可促進細胞外基質的其它成分的沉積,故認為FN是細胞外基質的組織者。34層粘連蛋白(laminin,LN)◆Lamininsareafamilyofextracellularglycoproteinsthatconsistofthreedifferentpolypeptidechainslinkedbydisulfidebondsandorganizedintoamoleculeresemblingacrosswiththreeshortarmsandonelongarm？◆層粘連蛋白主要存在于基膜(basallamina)結構中，是基膜的主要結構成分。35◆層粘連蛋白的功能■首先作為基膜的主要結構成分對基膜的組裝起關鍵作用。它可作為黏著因子介導細胞黏著于膠原,使之發生鋪展。■Extracellularlamininscangreatlyinfluenceacell'spotentialformigration,growth,anddifferentiation.

364.2.4細胞外基質與細胞的相互作用基膜(Basementmembrane)◆Basementmembrane(orbasallamina)isacontinuoussheet50to200nmthick:■Surroundsmuscleandfatcells;■Underliesthebasalsurfaceofepithelialtissues,suchastheepidermisoftheskin,ortheliningofthedigestiveandrespiratorytracts,■Underliestheinnerendothelialliningofbloodvessels.37◆基膜的組成■層粘連蛋白是基膜的主要成分，也是基膜的組織者；■巢蛋白(entactin)■Ⅳ型膠原■硫酸肝素糖蛋白。

Ⅳ型膠原是基膜的核心分子，排列成網狀；層粘連蛋白同Ⅳ型膠原結合，覆蓋在細胞表層。38◆基膜的功能●Basementmembranesprovidemechanicalsupportfortheattachedcells;●Serveasasubstratumforcellmigration;●Separateadjacenttissueswithinanorgan;●Basementmembranesalsoserveasabarriertotheinvasionoftissuesbyerrantcancercells.39Matrixmetalloproteinases(MMPs)◆ThedegradationofECMmaterialsisplishedlargelybyafamilyofzinc-containingenzymescalledmatrixmetallopro-teinasesthatareeithersecretedintotheextra-cellularspaceorboundtotheexternalsurfaceoftheplasmamembrane.◆TheexcessiveorinappropriateactivityofMMPsislikelytocausedisease.Infact,MMPshavebeenimplicatedinanumberofpathologicalconditions,includingarthritis,multiplesclerosis,atherosclerosis,toothdecay,andtumorprogression.40整聯蛋白(integrin)◆Integrinsareafamilyofintegralmembraneproteinsthoughttobepresentonthesurfacesofvirtuallyalltypesofvertebratecells.41◆整聯蛋白結構:●Integrinsarecomposedoftwomembrane-spanningpolypeptidechains,anchainandachain,thatarenoncovalentlylinked.

●Twosubunitsarearrangedsoastoformaglobularextracellularheadconnectedtothemembranebyapairofrigidstalks.●Bothsubunitshaveasingletransmembranehelixandasmallcytoplasmicdomain.●N-terminalextracellularportionofthesubunitconsistedofsevenrepeatingmodules,eachcomprisedofapproximately