2015细胞外基质讲解

细胞外基质细胞外基质（Extracellular Matrix， ECM）是由成纤维细胞、间质细胞、上皮细胞等体内各种组织和细胞合成和分泌的一类分布和聚集在细胞表面和细胞间质的大分子物质所构成的复杂网络结构，故称细胞外基质（间质），是细胞和组织赖以生存、活动和调节的外环境。

主要作用：一方面为细胞和组织提供支持、联结、固定、保水、缓冲等物理性的保护作用，另一方面又是细胞与外环境进行物质交换、信息传递和汇集的中介。

它可通过各种信号传递系统，调节细胞生长、增殖、迁移、分化、粘附、代谢、损伤修复、组织重构等各种生理功能。

被称为是人体细胞和组织内稳态的主要调节者（The Central Regulator of Cell and Tissue Homeostasis）。

细胞外基质的成分十分复杂，除了各型胶原以外，还有各种粘连蛋白（FN）、层连蛋白（LN）、氨基聚糖（GAG）、蛋白聚糖（PG）、弹性蛋白（Elastin）、内动素（Cytotatin）、血栓结合素（Thrombospondin）、整合素（Integrin）、玻连蛋白（Vitronetin VN）、连结蛋白（Connexins）、钙粘素（Cadherins）、选择素（Selectin）、粘附素（细胞粘合素）、细胞粘合素（Cytotatin）等几十个类别。

每一种类别又有几种至十几种亚型。

细胞不同产生和分泌的细胞外基质成分亦不同；组织不同所含的细胞外基质的成分和比例亦不同；即使同一种细胞，同一种组织，在不同的生理、病理和反应条件下，细胞外基质的成分、结构和构型亦不同；结构和构型不同，细胞外基质的功能和作用亦不同。

随着基因和蛋白质组生物学的研究进展，新的细胞外基质分子还在不断诞生，其类型、构型、构像还有更多发现，其功能亦在不断的扩展，构成了一个十分复杂的细胞外基质的网络家族和体系。

细胞外基质虽然来源、成分、分型和功能不同，各司其责，但在结构和功能上，它们又排列有序、疏密相间、相互联结、彼此协同，在细胞间质、组织间隙和器官内，形成各种复杂的相对固定的形式和分层网状结构，形成许多不同的功能结构区域，如在血管，可以形成内膜表面的粘附保护层、内膜下层、基底膜层、内弹力层、外弹力层、血管中层和外层系膜结缔组织等等。

细胞外基质的结构与功能细胞外基质（extracellular matrix，ECM）是由细胞分泌而成的一种具有丰富多样的化学成分和空间结构的生物材料，它对于组织形态、生长、修复等生理过程起到至关重要的作用。

而ECM的本质就是细胞的外部环境，是细胞与周围世界的接口，在正常生理过程中参与多种细胞的信号传递、分化、凋亡等重要的生物学事件。

所以ECM的结构和功能一直是生命科学领域的热点话题之一。

一、ECM的结构ECM是由一系列物质构成，包括胶原蛋白、弹性蛋白、黏多糖、结构蛋白、肌纤连结蛋白等多种成分。

其中最常见的成分是胶原蛋白，它是一种长链的蛋白质分子，在细胞外形成一条条的纤维。

胶原蛋白质分子有三个螺旋状基本结构，形成三股螺旋线的结构。

这些三角结构通过长链的静电相互吸引和氢键相互作用来支撑整个纤维的结构稳定性。

而弹性蛋白则是由细胞分泌的一种纤维性蛋白质，具有很强的伸缩性和弹性，其中最重要的成分是弹性蛋白肽。

除了胶原蛋白和弹性蛋白外，ECM中还有很多其它的物质如黏多糖、结构蛋白等。

黏多糖即一些长链的糖分子，如透明质酸、硫酸软骨素等，它们通过分子间的交联来形成ECM中的网状结构。

二、ECM的功能ECM不仅提供细胞所需要的物质，还对细胞形态、运动以及信号转导产生影响，从而调控生物体的发育、生长、再生和修复等生理过程。

例如，ECM中的胶原纤维可以为细胞提供支持性的骨架，同时也可以作为一个“信使”来传递机械信号，加速细胞的增殖和代谢。

此外，ECM还可以调控细胞的分化和复杂的细胞行为，如细胞的运动和迁移。

比如，在组织损伤时，ECM可以引导新生细胞在损伤区域进行组织再生和修复。

不仅如此，ECM还是大多数生物体的免疫系统的第一道屏障。

当外来异物在组织间隙内进入动物体内时，它们与宿主的ECM相互作用，这种作用可以调节白细胞的吸附、在组织内移动，产生化学反应，最终保护宿主的健康。

三、ECM的变化与疾病ECM的变化与疾病联系较大。

细胞外基质介绍结缔组织细胞松散地分布在一块很大的基质上，这块基质就是人体的细胞基质，这是结缔组织的与众不同之处。

这块基质占据了细胞外所有空间，因此称为细胞外基质，英文缩写为ECM（Extracellular matrix）。

ECM由细胞分泌物生成，根据黏度不同，呈现出集中不同的形态，包括自由流动液体（如血浆）、柔软半固体（如耳朵或鼻子中的软骨）以及固体（如骨骼）。

如图2.1所示，血管和神经直接分布于ECM中。

因此，拉伸身体时，应注意到包括血管、神经在内的组织均被拉伸了，这些组织在拉伸时也可能发紧、疼痛甚至麻木（第4章将告诉我们如何避免出现这些症状），意识到这一点对于合理拉伸设计是有好处的。

事实上，神经、动脉和静脉都是由特殊的结缔组织形成，这一点使我们更形象地体会到结缔组织就像一张网贯穿分布在人体内。

外部或内部因素作用于ECM时，作为反应，结缔组织可以快速而轻易地改变自身形状。

比如，体液聚集于ECM时，你可能会有肿胀感和疼痛感，而身体脱水时，体液从ECM抽离，身体则会感觉发紧和疲软。

身体形状之所以可以如此快速地变化，与结缔组织的作用是分不开的，结缔组织主要由胶原蛋白、弹性蛋白和水组成。

胶原蛋白是人体和动物体内含量最多的蛋白；同时也是除水之外构成人体最主要的材料。

抗张力强度大是胶原蛋白主要的结构特征；因此，胶原蛋白含量超过弹性蛋白含量的人体组织，比如肌腱，更能承受拉力。

弹性蛋白具备独特的生物化学和生物物理学特征，比胶原蛋白更有弹性。

因此，含弹性蛋白较多的结缔组织，比如韧带，其形状变化空间更大。

这也是运动员在训练时尽量避免拉伸韧带的原因——防止韧带变松而不能很好地支持骨骼。

第三种材料，水，占男性身体重量的60%，占女性身体重量的55%。

奥尔特指出，人体中结缔组织含水量高达60%~70%。

这些水分大多在血液和基质或结缔组织ECM中。

水的表面张力很大，在血管和结缔组织中，水表面就像动力弹性片一样活动。

我们滑倒、摔倒或与其他人相撞却没有产生外伤，原因就在这里。

细胞外基质细胞外基质（extracellular matrix，ECM）是由大分子构成的错综复杂的网络。

为细胞的生存及活动提供适宜的场所，并通过信号转导系统影响细胞的形状、代谢、功能、迁移、增殖和分化。

细胞外基质的成分构成细胞外基质的大分子种类繁多，可大致归纳为四大类：胶原、非胶原糖蛋白、氨基聚糖与蛋白聚糖、以及弹性蛋白（图10-1，2）。

上皮组织、肌组织及脑与脊髓中的ECM含量较少，而结缔组织中ECM含量较高。

细胞外基质的组分及组装形式由所产生的细胞决定，并与组织的特殊功能需要相适应。

例如，角膜的细胞外基质为透明柔软的片层，肌腱的则坚韧如绳索。

细胞外基质不仅静态的发挥支持、连接、保水、保护等物理作用，而且动态的对细胞产生全方位影响。

图10-1 细胞外基质的成分图10-2 上皮组织的细胞外基质一、胶原（collagen）胶原是动物体内含量最丰富的蛋白质，约占人体蛋白质总量的30％以上。

它遍布于体内各种器官和组织，是细胞外基质中的框架结构，可由成纤维细胞（图10-3）、软骨细胞、成骨细胞及某些上皮细胞合成并分泌到细胞外。

图10-3 成纤维细胞周围的胶原纤维目前已发现的胶原至少有19种（表10-1），由不同的结构基因编码，具有不同的化学结构及免疫学特性。

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ及Ⅺ型胶原为有横纹的纤维形胶原。

各型胶原都是由三条相同或不同的肽链形成三股螺旋，含有三种结构：螺旋区，非螺旋区及球形结构域。

其中Ⅰ型胶原的结构最为典型。

表10-1 胶原的类型图10-4 胶原的结构（左模式图，右电镜照片）Ⅰ型胶原的原纤维平行排列成较粗大的束，成为光镜下可见的胶原纤维，抗张强度超过钢筋。

其三股螺旋由二条α1（Ⅰ）链及一条α2（Ⅰ）链构成。

每条α链约含1050个氨基酸残基，由重复的Gly-X-Y序列构成。

X常为Pro（脯氨酸），Y常为羟脯氨酸或羟赖氨酸残基。

重复的Gly-X-Y序列使α链卷曲为左手螺旋，每圈含3个氨基酸残基。