第十九章细胞连接和细胞外基质：修订间差异

2025年11月20日 (四) 22:50的最新版本

在多细胞生物的细胞之间的所有社会相互作用中，最基本的是将细胞结合在一起的相互作用。细胞可能通过直接的相互作用相连，或者它们可能通过细胞分泌的细胞外基质维持在一起，这是一种复杂的蛋白质和多糖链网络。无论通过何种方式，如果细胞要形成能够抵御和响应试图将其分开的各种外力的有组织的多细胞结构，它们必须凝聚在一起。

细胞黏附机制决定了组织和器官的结构——它们的形状、强度，以及不同细胞类型的排列。细胞之间的连接建立和断裂，以及细胞外基质的建模，影响细胞在生物体内的运动，指导它们在身体生长、发育和自我修复时的行为。与其他细胞及细胞外基质的连接控制着细胞骨架的方向和行为，从而使细胞能够感知并响应其环境机械特征的变化。因此，细胞连接和细胞外基质的设备对于多细胞结构的组织、功能和动态的每个方面都是至关重要的。这些设备的缺陷是各种疾病的根源。细胞连接和细胞外基质的关键特征通过考虑所有动物都存在的两大类组织来最好地说明（图19-1）。结缔组织，如骨或肌腱，是由分散在基质中的细胞产生的细胞外基质形成的。正是基质——而不是细胞——承受着组织所承受的主要机械应力。细胞-基质连接将结缔组织细胞与基质连接，允许细胞在基质中移动并监测其机械特性的变化。在上皮组织，例如肠道内衬或皮肤的表皮覆盖，细胞紧密结合在一起形成称为上皮的薄片。细胞外基质不那么显著，主要由一层称为基底膜的薄层构成，位于上皮底下。在上皮内，细胞通过细胞-细胞连接直接附着在一起，细胞骨架丝在此锚定，传递细胞内部的应力，从而...粘附点到粘附点。上皮细胞的细胞骨架也通过细胞-基质连接与基底膜相连。

图19-2提供了上皮细胞的更详细视图，以说明我们将在本章中讨论的主要类型的细胞-细胞和细胞-基质连接。该图表显示了简单柱状上皮（如脊椎动物小肠内壁）的连接典型排列。在这里，一层高大的细胞坐落在基底膜上，细胞的最上表面或顶表面是自由的，暴露在细胞外介质中。在它们的侧面或侧表面，细胞之间形成连接。两种类型的细胞-细胞连接连接着相邻细胞的细胞骨架：黏附连接与肌动蛋白微丝相连，而桥粒则与中间纤维相连。因为这些连接将细胞牢固地固定在一起，从而帮助了组织承受机械应力，因此有时被称为锚定连接。在细胞的基底表面，有两种额外类型的锚定连接将上皮细胞的细胞骨架与基底膜连接起来：与肌动蛋白相关的细胞基质连接将肌动蛋白丝锚定到基质上，而半.desmosomes将中间丝锚定到基质上。

图19-2展示了另外两种细胞-细胞连接。紧密连接将细胞靠近顶端表面紧密结合，封闭细胞之间的缝隙，从而防止分子在上皮层中泄漏。在细胞基底端附近有形成通道的连接，称为缝隙连接，这些连接创建了连接相邻细胞细胞质的通道。

四种主要锚定连接类型均依赖于跨膜粘附蛋白，这些蛋白跨越细胞膜，一端连接细胞内的细胞骨架，另一端连接细胞外的其他结构（图19-3）。这些与细胞骨架相关的跨膜蛋白可以整齐分为两大超家族，分别对应于两种基本的外部附着类型。钙黏蛋白超家族的蛋白主要介导细胞间的连接（电影19.1）。整合素超家族的蛋白主要介导细胞与基质的连接。在每个家族中存在专业化：一些钙黏蛋白与肌动蛋白连接并形成粘附连接，而另一些与中间丝连接并形成黏附连接；同样，一些整合素与肌动蛋白连接并形成肌动蛋白相关细胞-基质连接，而另一些与中间丝连接并形成半黏附连接（表19-1）。

这些规则有一些例外。例如，一些整合素介导细胞-细胞而不是细胞-基质的附着。此外，还有其他类型的细胞粘附分子，它们可以提供比锚接合更脆弱的瞬时细胞-细胞附着，但在特定情况下足以将细胞粘在一起。

我们以讨论细胞-细胞连接的主要形式开始本章。然后，我们依次考虑动物的细胞外基质、整合素介导的细胞-基质连接的结构和功能，以及最后植物细胞壁，这是一种特殊形式的细胞外基质。

细胞骨架连接

细胞骨架连接有多种形式，可由多种机制调节。最容易理解和最常见的是两种类型的细胞骨架连接，它们利用钙粘蛋白将一个细胞的细胞骨架与其相邻细胞的细胞骨架连接起来。它们的主要功能是抵抗将细胞拉开的外力。例如，皮肤的上皮细胞在被拉伸、挤压或戳刺时必须保持紧密连接。细胞骨架连接还必须是动态的和适应性的，这样当组织被重塑或修复时，或者当作用于它们的力量发生变化时，它们就可以被改变或重新排列。

在本节中，我们主要关注基于钙粘蛋白的锚定连接。然后我们简要描述紧密连接和间隙连接。最后，我们考虑一些血流中的细胞采用的更短暂的细胞粘附机制。

表19-1 锚定连接
连接类型	跨膜蛋白	胞外配体	细胞骨架	胞内适配蛋白
黏附链接	经典钙粘蛋白	经典钙粘蛋白	微丝	α/β/p120-联蛋白，黏着斑蛋白
桥粒	非经典钙粘蛋白	桥粒黏蛋白，桥粒胶蛋白	中间丝	斑珠蛋白,plakophilin,桥粒斑蛋白
半桥粒	α6β4整联素，XVII型胶原	胞外基质蛋白	中间丝	Plectin，BP230
连接肌动蛋白的细胞胞外基质连接	整联素	胞外基质蛋白	微丝	踝蛋白，kindlin，黏着斑蛋白，桩蛋白，黏着斑激酶，还有许多其他的

钙粘蛋白形成一个多样化的粘附分子家族

钙粘蛋白存在于所有多细胞动物中。它们也存在于领鞭毛虫中，领鞭毛虫与动物密切相关，但可以作为自由生活的单细胞生物或多细胞菌落存在。其他真核生物，包括真菌和植物，缺乏钙粘蛋白，细菌和古细菌中也没有钙粘蛋白。因此，钙粘蛋白似乎是动物本质的一部分。

钙粘蛋白因其对Ca2+离子的依赖性而得名：从细胞外介质中去除Ca2+会导致钙粘蛋白介导的粘连分离。最先发现的三种钙粘蛋白是根据它们的主要组织命名的：E-钙粘蛋白存在于多种类型的上皮细胞中；N-钙粘蛋白存在于神经、肌肉和晶状体细胞中；P-钙粘蛋白存在于胎盘和表皮细胞中。所有这些钙粘蛋白也存在于其他组织中。这些钙粘蛋白和其他经典钙粘蛋白在其细胞外和细胞内域的序列上密切相关。

还有大量非经典钙粘蛋白在序列上关系较远，仅在大脑中就有50多种表达。非经典钙粘蛋白包括具有已知粘附功能的蛋白质，例如在脑中发现的多种原钙粘蛋白protocadherins，以及形成桥粒的桥粒芯胶蛋白和桥粒芯糖蛋白desmocollinsanddesmogleins（见表19?）。经典和非经典钙粘蛋白共同构成钙粘蛋白超家族（图19?），在人类中有180多个成员。

钙粘蛋白介导同型粘附

细胞之间的锚定连接通常是对称的：如果连接是连接一侧细胞中的肌动蛋白，那么连接另一侧细胞中的肌动蛋白。事实上，钙粘蛋白之间的结合通常是同型的（同类；图19?）：一个细胞上特定亚型的钙粘蛋白分子与相邻细胞上相同或密切相关亚型的钙粘蛋白分子结合。

锚定连接处细胞膜之间的间距是精确定义的，并且取决于参与的钙粘蛋白分子的结构。根据定义，超家族的成员都有一个由多个细胞外钙粘蛋白(EC)结构域extracellularcadherin(EC)domain重复组成的细胞外部分。同源结合发生在钙粘蛋白分子的N端尖端——距离膜最远的钙粘蛋白结构域。这些末端结构域各自形成一个旋钮和一个附近的口袋，从相对的细胞膜伸出的钙粘蛋白分子通过将一个结构域的旋钮插入另一个结构域的口袋而结合（图19?A）。

每个钙粘蛋白结构域形成一个或多或少刚性的单元，通过铰链连接到下一个钙粘蛋白结构域。Ca2+离子结合到每个铰链附近的位点并防止其弯曲，因此整个钙粘蛋白结构域串表现为刚性且略微弯曲的杆。当Ca2+被移除时，铰链可以弯曲，结构变得松软（图19?B）。同时，N端的构象被认为略有变化，削弱了对相对细胞上匹配的钙粘蛋白分子的结合亲和力。

与可溶性信号分子受体（它们以高亲和力结合其特定配体）不同，钙粘蛋白（和大多数其他细胞粘附蛋白）通常以相对较低的亲和力与其伴侣结合。强附着是由许多这样的弱键平行形成而产生的。当与另一个细胞上方向相反的伴侣结合时，钙粘蛋白分子中的钙粘蛋白分子通常与同一细胞中的许多其他钙粘蛋白分子并排聚集（图19C）。这种连接点的强度远远大于任何单个分子间键的强度，但调节机制可以通过依次分离分子而轻松地拆解连接点，就像两块织物可以用Velcro牢固地连接在一起，但又很容易从侧面剥离一样。类似的“Velcro原理”也适用于由其他类型的跨膜粘附蛋白形成的细胞-细胞-细胞基质粘附。

钙粘蛋白依赖性细胞粘附指导发育组织的组织

钙粘蛋白形成特定的同型附着，解释了为什么有这么多不同的家族成员。钙粘蛋白不像胶水，使细胞表面具有普遍的粘性。相反，它们介导高度选择性的识别，使同类细胞能够粘在一起，并与其他类型的细胞保持隔离。

动物细胞相互结合的方式具有选择性，早在20世纪50年代就已得到证实，当时人们还没有发现钙粘蛋白，当时的实验将两栖动物胚胎分离成单个细胞。然后，这些细胞被混合在一起，并允许它们重新结合。值得注意的是，分离的细胞通常会重新组装成类似于原始胚胎的结构（图19-7）。这些实验与众多最近的实验一起表明，选择性细胞识别系统使相同分化组织的细胞优先粘附在一起。

钙粘蛋白在这些细胞分选过程中起着至关重要的作用。特定钙粘蛋白的出现和消失与胚胎发育中的步骤相关，在胚胎发育过程中，细胞重组并改变其接触以创建新的组织结构。例如，在脊椎动物胚胎中，当神经管形成并从上覆的外胚层分离时，可以看到钙粘蛋白表达的变化：神经管细胞失去E-钙粘蛋白并获得其他钙粘蛋白，包括N-钙粘蛋白，而上覆的外胚层中的细胞继续表达E-钙粘蛋白（图19-A和B）。然后，当神经嵴细胞从神经管迁移时，这些钙粘蛋白变得几乎不可检测，并且出现另一种钙粘蛋白（钙粘蛋白7），帮助将迁移的细胞保持在一起，形成松散关联的细胞群（图19-C）。最后，当一些神经嵴细胞聚集形成神经节时，它们会再次启动N-钙粘蛋白的表达。如果在新生的神经嵴细胞中人为地过度表达N-钙粘蛋白，细胞将无法从神经管中逃逸。

对培养细胞的研究进一步证实了同型钙粘蛋白结合在组织分离中的重要性。例如，在一种称为L细胞的培养成纤维细胞系中，钙粘蛋白不表达，细胞不会相互粘附。当这些细胞被编码E-钙粘蛋白的DNA转染时，一个细胞上的E-钙粘蛋白会与另一个细胞上的E-钙粘蛋白结合，导致细胞粘附。如果将表达不同钙粘蛋白的L细胞混合在一起，它们会分开并分别聚集，表明不同的钙粘蛋白优先与自己的类型结合（图19?A），模拟了表达不同钙粘蛋白的组织来源的细胞混合在一起时发生的情况。如果将表达不同数量的相同钙粘蛋白的L细胞混合在一起，也会出现类似的细胞分离（图19?B）。因此，钙粘蛋白表达的质和量差异似乎在组织组织中都发挥着作用。

强细胞粘附的组装需要肌动蛋白细胞骨架的变化

在成熟形式下，粘附连接是巨大的蛋白质复合物，包含数百至数千个钙粘蛋白分子，这些分子被包装成密集的规则阵列，并通过钙粘蛋白域之间的横向相互作用在细胞外侧连接（见图19-C）。这些连接在大面积表面上的组装不仅仅是在初始附着位点添加更多钙粘蛋白的问题，还需要改变底层肌动蛋白细胞骨架。最重要的是，强粘附需要降低粘附位点的皮质张力。

细胞中的皮质张力与水滴的表面张力非常相似。在水中，空气-水界面处水分子之间的结合将表面向内拉，形成球形，从而抵抗不与水分子相互作用的其他表面的破坏（图19-0A）。同样，悬浮状态下未附着的细胞由于皮质张力而呈现球形，皮质张力是由细胞皮质（就在质膜下方）的肌动蛋白束和非肌肉肌球蛋白II产生的收缩活动引起的（图19-0B）。这种皮质张力非常强，以至于当两个细胞最初通过表面钙粘蛋白结合相互作用时，皮质张力会阻止粘附表面的扩散，并且细胞在单个点上相互作用。

因此，大型粘附表面的组装取决于皮质张力的局部降低，这是通过抑制皮质肌动蛋白-肌球蛋白纤维形成来实现的。这些变化部分取决于两种称为Rac和Rho的小GTPase。正如我们在第16章中讨论的那样（见图16-5），这些GTPase产生的信号控制局部肌动蛋白丝行为：Rho通常促进细胞皮层肌动蛋白肌球蛋白应力纤维的形成，而Rac抑制这些纤维的形成，反而促进分支肌动蛋白网络。当两个上皮前体细胞首先在一小簇钙粘蛋白连接处相互作用时，钙粘蛋白会产生促进Rac局部激活和Rho抑制的细胞内信号。结果是肌动蛋白-肌球蛋白纤维解体，局部皮质张力丧失，然后允许进一步招募钙粘蛋白，将粘附扩展到更大的表面积（图19-0C）。Rac激活具有刺激细胞局部肌动蛋白突出的额外好处，这也有助于连接点的扩张。这种机制的含义很明确：强粘附的发展不仅取决于细胞粘附分子本身，还取决于控制肌动蛋白行为的相关调节系统。

最终，在大量钙粘蛋白分子在新生的粘附连接处排列后，Rac受到抑制，Rho被激活，从而促进线性、收缩性肌动蛋白丝束的组装，将粘附连接点连接到肌动蛋白细胞骨架。这些新的连接将连接点向内拉，产生张力，刺激肌动蛋白进一步募集和连接点扩张，正如我们在下一节中描述的。

连环蛋白Catenins将经典钙粘蛋白与肌动蛋白细胞骨架连接起来

钙粘蛋白的细胞外结构域介导粘附连接处的同源结合。典型钙粘蛋白的细胞内结构域（包括所有经典和一些非经典结构域）与细胞骨架的细丝相互作用：粘附连接处的肌动蛋白和桥粒处的中间丝（见表19）。

这些细胞骨架连接对于有效的细胞粘附至关重要，因为缺乏细胞质结构域的钙粘蛋白无法稳定地将细胞结合在一起。

钙粘蛋白与细胞骨架的连接取决于在钙粘蛋白的细胞质尾部组装的衔接蛋白。在黏附连接处，钙粘蛋白尾部结合两种这样的蛋白质，即β-catenin和p120-catenin；第三种蛋白质，称为α-catenin，与β-atenin相互作用并募集其他蛋白质以提供与肌动蛋白丝的动态连接（图19-11）。在桥粒处，钙粘蛋白通过其他衔接蛋白与中间丝相连，包括一种称为斑珠蛋白plakoglobin的β-catenin相关蛋白质，我们将在后面讨论。

黏附连接对组织内部和外部的张力作出反应

介导细胞之间或细胞与细胞外基质之间连接的蛋白质复合物是动态机器，具有感知机械应力和产生导致适当反应的生化信号的非凡能力。我们称之为机械转导mechanotransduction。

正如我们在前面几节中讨论的那样，黏附连接通过连环蛋白连接到收缩性肌动蛋白束和肌球蛋白II。因此，这些连接受到附着的肌动蛋白产生的拉力。拉力对于连接的组装和维护非常重要：例如，抑制肌球蛋白活性会导致许多黏附连接解体。此外，作用于一个细胞中连接的收缩力与相邻细胞连接处的收缩力相平衡，因此没有细胞将其他细胞拉向它。黏附连接感知作用于它们的力量，并修改局部肌动蛋白和肌球蛋白的行为以平衡连接两侧的力量。这些机制的证据来自对通过黏附连接连接的培养哺乳动物细胞对的研究。如果一个细胞的收缩活动通过实验增加，连接两个细胞的黏附连接的尺寸就会增大，而第二个细胞的收缩活动也会增加，以匹配第一个细胞的收缩活动，从而导致连接处的力平衡。这些实验和其他实验表明，黏附连接不仅仅是蛋白质结合的被动位点，而且是张力传感器，可以根据变化的机械条件调节其行为。

细胞连接处的机械传导被认为至少部分依赖于钙粘蛋白复合物中的蛋白质，这些蛋白质在受到张力拉伸时会改变其形状。例如，当连接处的收缩活动增加时，蛋白质a-catenin会从折叠构象拉伸为伸展构象。展开暴露了另一种蛋白质黏着斑蛋白的隐秘结合位点，从而促进更多肌动蛋白向连接处募集（图19?2）。这些变化很可能还会导致控制肌动蛋白和肌球蛋白行为的小GTPases的局部调节。通过这样的机制，拉动连接会改变局部肌动蛋白行为，使连接更强。此外，如上所述，拉动一个细胞中的连接将增加附着细胞中产生的收缩力。

由于上皮中的所有细胞都通过其细胞连接和细胞骨架机械连接，因此机械传导也可以在长距离上起作用。例如，在果蝇正在发育的翅膀中，翅膀铰链处细胞的收缩会导致机械应力扩散到整个翅膀，从而引发c的变化细胞运动和方向对翅膀的形成很重要。整个组织中的张力传感器很可能检测到机械应力的变化并触发分子反应。由于张力迅速通过组织中所有连接的细胞传播，因此它为改变整个组织的细胞行为提供了异常快速和有效的信号。

组织重塑取决于肌动蛋白介导的收缩与细胞粘附的协调

黏附连接是模拟动物体内多细胞结构形状的机制的重要组成部分。通过间接将一个细胞中的肌动蛋白丝与其邻居中的肌动蛋白丝连接起来，它们使组织中的细胞能够以协调的方式使用其肌动蛋白细胞骨架。

黏附连接以各种形式出现。在许多非上皮组织中，它们表现为小的点状或线性附着物，连接两个相互作用细胞的质膜下的皮质肌动蛋白丝。在心肌中，它们锚定收缩装置的肌动蛋白束，并与桥粒并行作用，将收缩细胞端到端连接起来。但是，黏附连接的典型例子出现在上皮中，它们通常形成一条连续的黏附带（或黏附小带），环绕每个细胞位于上皮细胞顶端表面下方（图19-3）。在每个细胞内，一束收缩的肌动蛋白丝和肌球蛋白II位于粘附带附近，平行于质膜，并通过钙粘蛋白及其相关的细胞内衔接蛋白与其相连。因此，肌动蛋白和肌球蛋白束通过钙粘蛋白连接成一个广泛的跨细胞网络。该网络的协调收缩为动物形态发生的基本过程提供了运动力——上皮细胞片折叠成管状、球状和相关结构（图19-4）。

在某些形式的组织重塑中，肌动蛋白-肌球蛋白的收缩性与局部细胞粘附模式的重大变化相协调。果蝇（Drosophilamelanogaster）发育早期发生的细胞重排就是一个例子。在原肠胚形成后不久，胚胎表皮通过称为生殖带延伸的过程拉长，在此过程中，细胞沿背侧中心轴向内汇聚并沿前后轴延伸。沿背中部细胞边界的肌动蛋白依赖性收缩伴随着特定黏附连接的丧失，从而使细胞能够插入其他细胞之间（这一过程称为插入），从而导致上皮细胞变长变窄（图19-5）。我们并不完全了解背中部细胞边界黏附连接分解的潜在机制，但一种可能性是，肌动蛋白为基础的收缩力足以拉动细胞黏附的边缘，从而将其剥离，特别是如果收缩与削弱黏附的其他调节机制相结合。例如，有证据表明，在发育过程中，这些和其他黏附的重塑取决于通过网格蛋白介导的内吞作用从细胞表面去除钙粘蛋白。

桥粒赋予上皮细胞机械强度

桥粒的结构类似于黏附连接，但含有特殊的钙粘蛋白，可连接到中间丝而不是肌动蛋白丝。它们的主要功能是提供机械强度。桥粒在脊椎动物中很重要，但在果蝇等动物中却没有发现。它们存在于大多数成熟的脊椎动物上皮细胞中，在承受高水平机械应力的组织中尤其丰富，例如心肌和表皮，即形成皮肤外层的上皮。

图19-6A显示了桥粒的一般结构，图19-6B显示了形成桥粒的一些蛋白质。桥粒通常呈纽扣状粘附点，将细胞铆接在一起（图19-6C）。在细胞内部，固定在桥粒上的绳状中间丝束形成具有高抗拉强度的结构框架（图19-6D），并与相邻细胞中的类似束相连，形成一个延伸到整个组织的网络（图19-7）。附着在桥粒上的中间丝的具体类型取决于细胞类型：例如，在大多数上皮细胞中，它们是角蛋白丝，而在心肌细胞中，它们是结蛋白丝。

桥粒的重要性由某些形式的可能致命的皮肤病天疱疮证明。受影响的个体会产生针对其自身桥粒钙粘蛋白之一的抗体。这些抗体与桥粒结合并破坏将其表皮细胞（角质形成细胞）结合在一起的桥粒。这会导致皮肤严重起泡，体液渗入松弛的上皮。

紧密连接在细胞之间形成密封，在质膜不同区域之间形成“栅栏”

上皮细胞片包裹并分隔动物体，覆盖其所有表面和腔体，并形成发生特殊过程的内部隔室。上皮片似乎是动物进化起源的发明之一，它以多种方式多样化，但保留了基于一组保守的分子机制的组织。

基本上所有上皮细胞都固定在其他组织上，上皮细胞的一侧（基底侧）附着，而另一侧（顶端）没有这种附着。基底膜位于与下层组织的界面处，介导附着，而上皮细胞的顶端表面通常浸泡在细胞外液中。因此，如第16章所述，所有上皮细胞在结构上都是极化的，它们的单个细胞也是如此：细胞的基底端附着在下面的基底膜上，与暴露在上面的介质中的顶端不同。相应地，所有上皮细胞至少有一个共同的功能：它们充当选择性渗透屏障，将基底侧渗透组织的液体与顶端侧具有不同化学成分的液体隔开。这种屏障功能要求相邻细胞通过紧密连接密封在一起，以便分子不能自由泄漏穿过细胞片。小肠上皮很好地说明了紧密连接的结构和功能（见图19）。这种上皮具有简单的柱状结构；也就是说，它由一层高（柱状）细胞组成。这些细胞有几种不同的类型，但大多数是吸收细胞，专门从肠道内腔或管腔吸收营养。

吸收细胞必须将选定的营养物质从管腔运输到上皮细胞的另一侧的细胞外液中。从那里，这些营养物质扩散到小血管中，为生物体提供营养。这种跨细胞运输依赖于吸收细胞质膜中的两组运输蛋白。一组局限于细胞的顶端表面（面向管腔），并主动将选定的分子从肠道运输到细胞中。另一组被限制在细胞的基底外侧（基底和外侧）表面，它允许相同的分子通过被动运输离开细胞，进入上皮另一侧的细胞外液。为了使这种运输活动有效，上皮细胞之间的空间必须紧密密封，以便运输的分子不会通过这些空间泄漏回肠腔（图19-8）。此外，运输蛋白必须正确分布在质膜中：顶端转运蛋白必须被运送到顶端膜，并且不能让其漂移到基底外侧膜，并且基底外侧转运蛋白必须被运送到基底外侧膜并留在其中。紧密连接除了密封细胞之间的间隙外，还起到“屏障”的作用，有助于防止顶端或基底外侧蛋白扩散到错误的区域。

紧密连接的密封功能很容易通过实验证明：在外延的一侧添加低分子量示踪剂通常不会越过紧密连接（图19-9）。但是，这种密封并不是绝对的。虽然所有紧密连接都不能透过大分子，但它们对离子和其他小分子的渗透性各不相同。例如，小肠内壁上皮中的紧密连接对无机离子（如Na+）的渗透性比膀胱内壁上皮中的紧密连接高10,000倍。上皮细胞之间的离子和其他分子的移动称为旁细胞转运，组织特异性的转运速率差异通常是由形成紧密连接的蛋白质的差异引起的。

紧密连接包含跨膜粘附蛋白链

当通过冷冻断裂电子显微镜观察紧密连接时，它们被视为完全环绕上皮片中每个细胞顶端的密封链sealingstrands的分支网络（图19?0A和B）。在常规电子显微照片中，两个相互作用的质膜的外叶紧密贴合，密封链存在（图19-0C）。每个密封链由一排长跨膜同亲型粘附蛋白组成，这些蛋白嵌入两个相互作用的质膜中。这些蛋白质的细胞外结构域直接粘附在一起，以封闭细胞间隙（图19-1）。

形成这些链的主要跨膜蛋白是claudins，它对于紧密连接的形成和功能至关重要。例如，缺乏claudin-1基因的小鼠无法在皮肤表皮层的细胞之间形成紧密连接；因此，幼鼠会通过皮肤蒸发迅速失水，并在出生后一天内死亡。相反，如果非上皮细胞（如成纤维细胞）被人工诱导表达claudin基因，它们将彼此形成紧密连接。正常的紧密连接还含有第二种主要的跨膜蛋白，称为occludin，它对于紧密连接的组装或结构不是必需的，但对于限制连接通透性很重要。第三种跨膜蛋白tricellulin,需要将细胞膜密封在一起，并防止三个细胞相遇处的跨上皮渗漏。

claudin蛋白家族有许多成员（人类有24个），它们以不同的组合在不同的上皮细胞中表达，从而赋予上皮片特殊的通透性。它们被认为形成旁细胞孔——选择性通道，允许特定离子穿过紧密连接屏障，从一个细胞外空间进入另一个细胞外空间。例如，在肾上皮细胞中发现的一种特定紧密连接蛋白需要让Mg2+在肾小管细胞之间通过，以便该离子可以从尿液中重新吸收到血液中。编码该紧密连接蛋白的基因发生突变会导致尿液中Mg2+过度流失。

支架蛋白组织连接蛋白复合物

与黏附连接的钙粘蛋白分子一样，紧密连接的claudins和occludins在其细胞外侧相互作用以促进连接组装。与黏附连接一样，紧密连接中粘附蛋白的组织取决于结合粘附蛋白胞质侧的其他蛋白质。紧密连接的关键组织蛋白是zonulaoccludens(ZO)蛋白。ZO家族的三个主要成员——ZO-1、ZO-2和ZO-3——是大型支架蛋白，为紧密连接提供结构支撑。这些细胞内分子由一系列蛋白质结合域组成，通常包括几个PDZ结构域，它们可以识别和结合特定伴侣蛋白的C末端尾部（图19-2）。这些支架蛋白的一个结构域可以附着于一个claudin蛋白，而其他结构域可以附着在occludin或肌动蛋白细胞骨架上。此外，一个支架蛋白分子可以与另一个支架蛋白结合。通过这种方式，细胞组装出一个细胞内蛋白质网状结构，组织和定位紧密连接的密封链。

紧密连接的密封链网络通常位于粘附连接和桥粒连接的顶端，这些连接将细胞机械地结合在一起；整个组合体称为连接复合体junctionalcomplex（见图19-2）。该连接复合体的各个部分相互依赖以形成。例如，阻断粘附连接形成的抗钙粘蛋白抗体也会抑制紧密连接的形成。

间隙连接以电和代谢方式耦合细胞

紧密连接阻断上皮细胞间隙之间的通道，防止细胞外分子从上皮的一侧泄漏到另一侧。另一种连接结构具有完全不同的功能：它连接相邻细胞之间的间隙，从而创建从一个细胞质到另一个细胞质的直接通道。这些通道称为间隙连接。间隙连接存在于大多数动物组织中，包括结缔组织以及上皮和心肌。每个间隙连接在常规电子显微照片中都显示为一个斑块，其中两个相邻细胞的膜被约2-4nm的均匀窄间隙隔开（图19?3）。间隙是由通道形成蛋白跨越，其中有两个不同的家族，称为connexinsandtheinnexins。connexin是脊椎动物中的主要间隙连接蛋白，在人类中有21种同工型。innexin存在于无脊椎动物的间隙连接中。

间隙连接的孔径约为1.4nm，可交换无机离子和其他小的水溶性分子，但不能交换蛋白质或核酸等大分子（图19-4）。通过微电极注入一个细胞的电流会由于携带电荷的离子通过间隙连接的流动而引起相邻细胞的电干扰。这种通过间隙连接的电耦合在含有电可兴奋细胞的组织中起着明显的作用：动作电位可以在细胞之间迅速传播，而不会像化学突触那样出现延迟。例如，在脊椎动物中，通过间隙连接的电耦合使心肌细胞的收缩以及负责肠道蠕动的平滑肌细胞的收缩同步。间隙连接也出现在许多细胞不可电兴奋的组织中。原则上，小代谢物和离子的共享提供了一种机制，用于协调此类组织中单个细胞的活动，并平滑不同细胞中小分子浓度的随机波动。

间隙连接连接子由六个跨膜连接蛋白亚基组成

connexin是四次跨膜蛋白，六个组装形成半通道或连接子。当两个接触细胞的质膜中的连接子对齐时，它们会形成一个连续的水通道，连接两个细胞内部（图19-5）。间隙连接由许多这样的连接子对组成，形成一种分子筛。这种筛子不仅提供了细胞之间的通讯通道，而且还提供了一种细胞粘附形式，可以补充我们之前讨论过的钙粘蛋白和紧密连接蛋白介导的粘附。

不同组织中的间隙连接可能具有不同的特性，因为它们是由连接蛋白的不同组合，形成了具有不同通透性和调节性的通道。大多数细胞类型表达不止一种类型的连接蛋白，两种不同的连接蛋白可以组装成异源连接子，具有其自身独特的特性。此外，表达不同连接蛋白的相邻细胞可以形成细胞间通道，其中两个对齐的半通道不同（见图19-5B）。与常规离子通道（第11章讨论）一样，单个间隙连接通道并非始终保持开放；相反，它们在开放和关闭状态之间切换。这些变化由各种刺激触发，包括两个连接细胞之间的电压差、每个细胞的膜电位以及细胞质的各种化学性质，包括pH值和游离Ca2+浓度。一些间隙连接亚型也可以受细胞外信号（如神经递质）的调节。我们才刚刚开始了解这些不同门控机制的生理功能和结构基础。

每个间隙连接斑块都是一个动态结构，可以很容易地组装、拆卸或重塑，并且可以包含几个到数千个连接子的簇（见图19-3B）。对活细胞中荧光标记的连接蛋白的研究表明，新的连接子不断添加到现有连接斑块的周围，而旧的连接子则从中间移除并被破坏（图19-6）。这种周转非常迅速：连接蛋白分子的半衰期只有几个小时。

从斑块中间去除旧连接子的机制尚不清楚，但将新连接子传递到其外围的途径似乎很清楚：它们像其他整合膜蛋白一样通过胞吐插入质膜，然后在膜平面上扩散，直到它们撞到连接子斑块的外围并被捕获。这有一个推论：远离间隙连接的质膜应该包含尚未与另一个细胞上的对应物配对的连接子半通道。人们认为这些未配对的半通道通常保持闭合构象，防止细胞通过它们泄漏而丢失小分子。但也有证据表明，在某些情况下，它们可以打开并充当释放小信号分子的通道。

在植物中，胞间连丝发挥许多与间隙连接相同的功能

植物组织的组织原理与动物不同。植物细胞被囚禁在坚韧的细胞壁内，细胞壁由富含纤维素和其他多糖的细胞外基质组成，我们将在后面讨论。相邻细胞的细胞壁牢固地粘合在一起，从而消除了锚定连接来将细胞固定到位的需要。但仍然需要直接的细胞间通讯。因此，植物细胞只有一类细胞间连接，即胞间连丝。与间隙连接一样，它们直接连接相邻细胞的细胞质。

在植物中，一对典型的相邻细胞之间的细胞壁至少有0.1微米厚，因此需要一种与间隙连接非常不同的结构来介导跨细胞通讯。胞间连丝解决了这个问题。除了少数特殊的例外，高等植物中的每个细胞都通过这些结构与其邻居相连，这些结构通过中间的细胞壁形成精细的细胞质通道。如图19-7A所示，一个细胞的质膜与其相邻细胞的质膜在每个胞间连丝处连续，胞间连丝通过直径为20-0nm的大致圆柱形通道连接两个细胞的细胞质。在大多数胞间连丝中，穿过通道中心的是一个较窄的圆柱形结构，即连丝小管，它与每个连接细胞中的光滑内质网(ER)元素连续（图19-7B、C和D）。在连丝小管的外侧和由质膜形成的圆柱形通道的内表面之间是胞质溶胶环，小分子可以通过它从一个细胞传递到另一个细胞。随着每个新细胞壁在细胞分裂的胞质分裂阶段组装，胞间连丝-胞质在其内产生。它们形成于光滑内质网元件周围，这些元件被困在发育中的细胞板上（第17章中讨论）。它们也可以从头插入预先存在的细胞壁，在那里它们通常以密集的簇（称为凹坑场）的形式存在。当不再需要时，可以去除胞间连丝。尽管胞间连丝和间隙连接在结构上存在根本差异，但它们似乎以非常相似的方式发挥作用。通过注射不同大小的示踪分子获得的证据表明，胞间连丝允许质量小于约800道尔顿的分子通过，这与间隙连接的尺寸截止值相似。与间隙连接一样，通过胞间连丝的运输受到调节。例如，染料注射实验表明，在某些细胞或细胞群之间（这些细胞或细胞群通过看似正常的胞间连丝连接），即使是低分子量分子的移动也会受到阻碍；在这些情况下，限制通讯的机制尚不明确。

选凝素介导血流中的瞬时细胞粘附

现在我们通过简要描述一些组织中使用的更专业的粘附机制来完成对细胞连接和粘附的概述。除了我们已经讨论过的那些，至少还有三个其他细胞粘附蛋白超家族很重要：整合素、选凝素和粘附性免疫球蛋白(Ig)超家族成员。我们稍后将更详细地讨论整合素：它们的主要功能是细胞基质粘附，但其中一些在特殊情况下介导细胞粘附。Ca2+依赖性提供了一种简单的方法来通过实验区分这些粘附蛋白类别。选凝素Selectins，就像钙粘蛋白cadherins和整合素integrins，需要Ca2+才能发挥粘附功能；而Ig超家族成员则不需要。

选凝素属于细胞表面糖结合蛋白(凝集素)，可介导血流中各种瞬时细胞粘附相互作用。至少在脊椎动物中，它们的主要作用是控制白细胞进入淋巴器官和发炎组织的交通。白细胞过着游牧生活，在血流和组织之间流动，这需要特殊的粘附行为。选凝素控制白细胞与血管内皮细胞的结合，从而使血细胞能够从血流迁移到组织中。

每个选凝素都是跨膜蛋白，具有保守的凝集素结构域，可与另一个细胞上的特定寡糖结合（图19-8A）。至少有三种类型：白细胞上的L-选凝素、血小板和因炎症反应而局部激活的内皮细胞上的P-选凝素，以及炎症反应后期内皮细胞上的E-选凝素。在淋巴器官（如淋巴结或脾脏）中，内皮细胞表达的寡糖可被淋巴细胞上的L-选凝素识别，导致淋巴细胞徘徊并被困。在炎症部位，角色则相反：内皮细胞启动选凝素的表达，选凝素可识别白细胞和血小板上的寡糖，标记这些细胞以帮助处理局部紧急情况。然而，选凝素并不是单独起作用的；它们与整合素协同作用，从而加强血细胞与内皮的结合。由选凝素和整合素介导的细胞粘附是异嗜性的；也就是说，结合的是不同类型的分子。选凝素与糖蛋白和糖脂上的特定寡糖结合，而整合素与特定的免疫球蛋白家族蛋白结合。

选凝素和整合素依次起作用，使白细胞离开血流并进入组织（图19-8B）。选凝素介导弱粘附，因为选凝素的凝集素结构域与其碳水化合物配体的结合亲和力较低。这使得白细胞能够微弱地、可逆地粘附在内皮上，在血流的推动下，沿着血管表面滚动。滚动持续到血细胞激活其整合素。正如我们稍后讨论的那样，这些跨膜分子可以转换为粘附构象，使它们能够附着在细胞外部的特定大分子上——在本例中，是内皮细胞表面的蛋白质。一旦以这种方式附着，白细胞就会从血流中逃逸到组织中，通过在相邻的内皮细胞之间爬出血管。

免疫球蛋白超家族成员介导Ca2+依赖性细胞粘附

白细胞整合素识别的主要内皮细胞蛋白称为ICAM（细胞间细胞粘附分子）或VCAM（血管细胞粘附分子）。它们是另一个庞大而古老的细胞表面分子家族——免疫球蛋白(Ig)超家族的成员。它们包含一个或多个细胞外Ig样结构域，这些结构域是抗体分子的特征。它们在免疫系统之外具有许多与免疫防御无关的功能。

虽然内皮细胞上的ICAM和VCAM都介导与整合素的异嗜性结合，但许多其他Ig超家族成员似乎介导同嗜性结合。一个例子是神经细胞粘附分子(NCAM)，它由各种细胞类型表达，包括大多数神经细胞（图19-9）。

NCAM可以采取不同的形式，由单个基因产生的RNA转录本的替代剪接产生。某些形式的NCAM携带异常大量的唾液酸（链中含有数百个重复的唾液酸单元）。由于带负电荷，长聚唾液酸链可以干扰细胞粘附（因为同种电荷相互排斥）；因此，这些形式的NCAM可以起到抑制粘附而不是引起粘附的作用。

另一组Ig超家族成员，nectins，与钙粘蛋白协作，帮助在许多组织中建立和加强粘附连接。nectins家族成员含有三个Ig样结构域（见图19-9），并与其他nectins相互作用，有时与同一家族成员（同嗜性）相互作用，有时与不同的家族成员（异嗜性）相互作用。它们短的细胞内尾巴与衔接蛋白结合，该衔接蛋白将nectins与肌动蛋白细胞骨架连接起来，并与粘附连接处的钙粘蛋白连接起来。nectins有助于在胚胎发育过程中建立细胞间相互作用。例如，在听觉和嗅觉上皮中，感觉细胞作为单个细胞分布在较大的支持细胞场中。这些细胞类型在上皮中的分布取决于感觉细胞和支持细胞表面上的nectin家族成员之间的特定的相互作用。当nectin表达通过实验减少时，这些上皮的形成就会有缺陷。

给定类型的细胞通常使用各种不同的粘附蛋白与其他细胞相互作用，就像每个细胞使用各种不同的受体来响应其环境中的许多可溶性细胞外信号分子一样。尽管钙粘蛋白和免疫球蛋白超家族成员经常在同一细胞上表达，但钙粘蛋白介导的粘附作用要强得多，它们主要负责将细胞结合在一起、将细胞集合分离成离散组织以及维持组织完整性。免疫球蛋白超家族成员似乎在发育和再生过程中对这些粘附相互作用的微调做出了更大的贡献，在各种特殊的粘附现象中发挥作用，例如在血细胞和特殊上皮细胞中讨论的现象。因此，虽然缺乏N-钙粘蛋白的突变小鼠在发育早期死亡，但缺乏免疫球蛋白超家族成员的小鼠发育相对正常，但表现出中度异常在某些组织的发育过程中。

摘要

在上皮细胞以及某些其他组织中，细胞通过强大的细胞粘附直接相互连接，这种粘附由跨膜蛋白（称为钙粘蛋白）介导，钙粘蛋白在细胞内锚定在细胞骨架上。钙粘蛋白通常以同种方式相互结合：一个钙粘蛋白分子的头部与对侧细胞上类似钙粘蛋白的头部结合。这种选择性使不同类型的混合细胞群能够根据它们表达的特定钙粘蛋白相互分类，并有助于控制发育过程中的细胞重排。

粘附连接处的“经典”钙粘蛋白通过细胞内衔接蛋白（称为连环蛋白）与肌动蛋白细胞骨架相连。它们在钙粘蛋白分子的细胞内尾部形成锚定复合物，不仅参与物理锚定，还参与检测和响应连接处的张力和其他调节信号。紧密连接密封上皮细胞之间的间隙，为分子在细胞片上的扩散形成屏障，还有助于分离上皮细胞顶端和基底外侧质膜域中的蛋白质群。紧密连接蛋白是形成紧密连接的主要跨膜蛋白。细胞内支架蛋白将紧密连接蛋白和其他连接蛋白组织成与肌动蛋白细胞骨架相连的复杂蛋白质网络。许多动物组织的细胞通过间隙连接连接在一起，间隙连接的形式为簇状连接子斑块，通常允许小于约1000道尔顿的分子直接从一个细胞内部传递到下一个细胞内部。通过间隙连接连接的细胞共享许多无机离子和其他小分子，因此在化学和电学上耦合。另外三类跨膜粘附蛋白介导更短暂的细胞粘附：选凝素、免疫球蛋白(Ig)超家族成员和整合素。选凝素在白细胞、血小板和内皮细胞上表达；它们与细胞表面的碳水化合物基团异嗜性结合，有助于介导这些细胞之间的粘附相互作用。Ig超家族蛋白也参与这些相互作用以及许多其他粘附过程；其中一些是同嗜性结合，一些是异嗜性结合。整合素虽然主要起着将细胞附着在细胞外基质上的作用，但也可以通过与特定的免疫球蛋白超家族蛋白结合来介导细胞粘附。

动物的细胞外基质

组织不仅仅是由细胞组成的。它们还包含构成细胞外基质的极其复杂和错综复杂的大分子网络。该基质由许多不同的蛋白质和多糖组成，这些蛋白质和多糖在局部分泌并组装成有组织的网状结构，与产生它们的细胞的表面紧密相关。

不同动物组织中构成细胞外基质的大分子类别大致相似，但这些不同类别分子的相对数量和组织方式的差异导致了材料的惊人多样性。基质可以钙化形成坚硬如石的骨骼或牙齿结构，也可以形成透明的角膜物质，还可以形成绳状组织，使肌腱具有巨大的抗拉强度。它形成水母中的果冻。它覆盖在甲虫或龙虾的身体上，形成坚硬的甲壳。此外，细胞外基质不仅仅是提供物理支持的被动支架。它在调节接触、栖息或爬过其网状结构的细胞的行为方面发挥着积极而复杂的作用，影响它们的生存、发育、迁移、增殖、形状和功能。在本节中，我们将描述动物组织中细胞外基质的主要特征，重点介绍脊椎动物。我们首先概述基质中的主要大分子类别，然后介绍基底膜的结构和功能，基底膜是位于所有上皮细胞下方的一层特殊的细胞外基质薄层。在下一节中，我们将描述将细胞连接到基质的各种连接类型。

细胞外基质由其中的细胞制造和定向

构成细胞外基质的大分子主要由基质中的细胞局部产生。这些细胞还有助于组织基质：定向细胞内细胞骨架的离子可以控制外部产生的基质的方向。在大多数结缔组织中，基质大分子由称为成纤维细胞的细胞分泌（图19-0）。然而，在某些特殊类型的结缔组织中，例如软骨和骨，它们是由成纤维细胞家族的细胞分泌的，这些细胞有更具体的名称：例如，软骨细胞形成软骨，成骨细胞形成骨骼。

细胞外基质由三大类大分子构成：（1）糖胺聚糖（GAG），它们是大而带电的多糖，通常以蛋白聚糖的形式与蛋白质共价连接；（2）纤维蛋白，主要属于胶原蛋白家族；（3）一大类非胶原糖蛋白，它们携带传统的天冬酰胺链接寡糖（第12章中介绍）。这三类大分子都有许多成员，形状和大小也多种多样（图19-1）。哺乳动物被认为有近300种基质蛋白，包括约36种蛋白聚糖、约40种胶原蛋白和200多种糖蛋白，这些糖蛋白通常包含多个子域并自缔合形成多聚体。此外，还有大量的基质相关蛋白和酶，它们可以通过交联、降解或其他机制改变基质行为，人们开始发现基质是一种几乎无限可变的材料。每种组织都含有自己独特的基质成分混合物，从而形成专门满足该组织需求的细胞外基质。

结缔组织中的蛋白多糖分子通常形成高度水合的凝胶状“ground substance”，其中嵌入胶原蛋白和糖蛋白。多糖凝胶可抵抗基质上的压缩力，同时允许营养物质、代谢物和激素在血液和组织细胞之间快速扩散。胶原纤维可增强并帮助组织基质，而其他纤维蛋白质，例如橡胶状的弹性蛋白，赋予它弹性。最后，许多基质糖蛋白帮助细胞在适当的位置迁移、定居和分化。

糖胺聚糖(GAG)链占据大量空间并形成水合凝胶

糖胺聚糖(GAG)是由重复的二糖单元组成的无支链多糖链。重复二糖中的两种糖之一始终是氨基糖（N-乙酰葡萄糖胺或N-乙酰半乳糖胺），在大多数情况下是硫酸化的。第二种糖通常是糖醛酸（葡萄糖醛酸或艾杜糖醛酸）。由于大多数糖上都有硫酸盐或羧基，因此GAG带负电荷较多（图19-2）。事实上，它们是动物细胞产生的阴离子最多的分子。根据糖类、糖类之间的连接类型以及硫酸基团的数量和位置，GAG可分为四大类：

(1)透明质酸，

(2)硫酸软骨素和硫酸皮肤素，

(3)肝素和硫酸乙酰肝素，

(4)硫酸角质素。

多糖链太硬，无法折叠成紧凑的球状结构，而且它们具有很强的亲水性。因此，GAG倾向于采用高度延伸的构象，相对于其质量而言，占据巨大的体积（图19-3），即使在非常低的浓度下，它们也会形成水合凝胶。结缔组织中GAG的重量通常不到蛋白质重量的10%，但GAG链填充了大部分细胞外空间。它们的高密度负电荷会吸引大量阳离子，尤其是渗透活性的Na+，从而导致大量水分被吸入基质。这会产生膨胀压力或膨压，使基质能够承受压缩力（与抵抗拉伸力的胶原纤维相反）。例如，衬在膝关节上的软骨基质可以通过这种方式支撑数百个大气压的压力。

GAG的生产缺陷会影响许多不同的身体系统。例如，在一种罕见的人类遗传病中，皮肤素硫酸盐二糖的合成存在严重缺陷。受影响的个体身材矮小，外表过早衰老，皮肤、关节、肌肉和骨骼普遍存在缺陷。

透明质酸在组织形态形成和修复过程中充当空间填充物

透明质酸（也称为透明质酸或透明质酸盐）是最简单的GAG（图19-4）。它由多达25,000个二糖单元的规则重复序列组成，在成年动物的所有组织和体液中含量不等，在早期胚胎中尤其丰富。透明质酸不是典型的GAG，因为它不含硫酸化糖，所有二糖单元都是相同的，链长巨大，并且通常不与任何核心蛋白共价连接。此外，其他GAG在细胞内合成并通过胞吐释放，而透明质酸则由嵌入质膜的酶复合物直接从细胞表面旋转出来。

透明质酸被认为在抵抗组织和关节中的压缩力方面发挥着作用。它在胚胎发育过程中作为空间填充物也很重要，因为它可以用来迫使结构形状发生变化，因为少量的透明质酸会随着水的膨胀而占据很大的体积。从上皮基底侧局部合成的透明质酸可使上皮变形，在其下方形成无细胞空间，随后细胞迁移到该空间中。例如，在发育中的心脏中，透明质酸合成有助于形成分隔心腔的瓣膜和隔膜。其他几个器官中也发生类似的过程。当细胞迁移结束时，过量的透明质酸通常会被透明质酸酶降解。透明质酸在伤口愈合过程中也会大量产生，它还是关节液的重要组成部分，在关节液中起润滑剂的作用。

蛋白聚糖由共价连接到核心蛋白的GAG链组成

除透明质酸外，所有GAG都以蛋白聚糖的形式共价连接到蛋白质上，大多数动物细胞都会产生蛋白聚糖。膜结合核糖体形成蛋白聚糖的多肽链或核心蛋白，然后将其穿入内质网腔内。多糖链主要是在高尔基体中组装在这种核心蛋白上，然后通过胞吐作用输送到细胞外部。首先，将一种特殊的连接四糖附着在核心蛋白上的丝氨酸侧链上，作为多糖生长的引物；然后，通过特定的糖基转移酶一次添加一种糖（图19-5）。当仍在高尔基体中时，许多聚糖会通过一系列连续且协调的反应进行共价修饰。这些修饰包括硫酸化（增加负电荷）和差向异构化，改变糖分子中单个碳原子周围取代基的构型。

蛋白聚糖与其他糖蛋白的区别在于其糖侧链的性质、数量和排列。根据定义，蛋白聚糖的糖侧链中至少有一个必须是GAG。糖蛋白通常含有相对较短的支链寡糖链，这些链仅占其质量的一小部分，而蛋白聚糖可含有高达95%的碳水化合物（按质量计算），其中大部分是长而无支链的GAG链，每条链通常长约80个糖。

原则上，蛋白聚糖具有几乎无限的异质性潜力。即使是单一类型的核心蛋白也可以携带数量和类型高度可变的附着GAG链。此外，每个GAG中二糖的底层重复序列可以通过复杂的硫酸盐基团模式进行修改。核心蛋白也是多种多样的，尽管其中许多属于结构相关的家族，这些家族具有与GAG或其他蛋白质结合的特定域。

蛋白聚糖可能非常大。例如，作为软骨主要成分的蛋白聚糖聚集蛋白聚糖的质量约为3×10^6道尔顿，具有100多个GAG链。其他蛋白聚糖则小得多，只有1-10个GAG链；例如，decorin由成纤维细胞分泌，具有单个GAG链（见图19-1）。decorin与胶原纤维结合，并调节纤维组装和纤维直径；无法制造decorin的小鼠皮肤脆弱，抗拉强度降低。这些不同类型的GAG和蛋白聚糖可以结合，在细胞外基质中形成更大的聚合物复合物。例如，aggrecan分子与软骨基质中的透明质酸组装形成与细菌一样大的聚集体（图19-36）。此外，除了相互结合外，GAG和蛋白聚糖还与纤维基质蛋白（如胶原蛋白）和蛋白质网状结构（如基底膜）结合，形成极其复杂的复合物（图19-7）。

并非所有蛋白聚糖都是细胞外基质的分泌成分。一些是质膜的组成部分，其核心蛋白插入脂质双层或通过甘氨酸附着在脂质双层上--糖基磷脂酰肌醇(GPI)锚。特征最明显的质膜蛋白聚糖是syndecans，它具有跨膜核心蛋白，其细胞内结构域与肌动蛋白细胞骨架相互作用并与细胞皮层中的信号分子相互作用。细胞外结构域与多个GAG链（主要是硫酸肝素）相连。syndecans位于多种细胞表面，包括成纤维细胞和上皮细胞。在成纤维细胞中，syndecans可在细胞-基质粘附中发现，它们通过与细胞表面的纤连蛋白以及细胞内的细胞骨架和信号传导蛋白相互作用来调节整合素功能。正如我们稍后讨论的那样，syndecans和相关的蛋白聚糖（称为glypicans）也与可溶性肽生长因子相互作用，影响它们对细胞生长和增殖的影响。

胶原蛋白是细胞外基质的主要蛋白质

胶原蛋白是存在于所有多细胞动物中的纤维蛋白家族。它们由结缔组织细胞大量分泌，由许多其他类型的细胞分泌少量。胶原蛋白是皮肤和骨骼的主要成分，是哺乳动物中最丰富的蛋白质，占总蛋白质质量的25%。

典型胶原蛋白分子的主要特征是其长而硬的三链螺旋结构，其中三个胶原蛋白多肽链（称为a链）以绳状超螺旋相互缠绕（图19-8）。胶原蛋白富含脯氨酸和甘氨酸，这两者都对三链螺旋的形成至关重要。

人类基因组包含42个不同的基因，编码不同的胶原蛋白a链。这些基因的不同组合在不同的组织中表达。尽管原则上可以从42个a链的各种组合组装出数千种类型的三链胶原蛋白分子，但只有有限数量的三螺旋组合是可能的，并且大约发现了40种类型的胶原蛋白分子。

类型I是迄今为止最常见的类型，是皮肤和骨骼的主要胶原蛋白。它属于纤维状胶原蛋白或纤维形成胶原蛋白：分泌到细胞外空间后，它们会组装成称为collagen fibrils的高级聚合物，这些纤维是成熟组织中数百微米长的细结构（直径为10-00纳米），在电子显微照片中清晰可见（图19-9；另见图19-7）。collagen fibrils通常会聚集成更大的线状束，直径为几微米，在光学显微镜下可见为collagen fibers。

IX型和XII型胶原蛋白被称为纤维相关胶原蛋白fibril-associated collagens，因为它们装饰 collagen fibrils的表面。它们被认为将这些纤维彼此连接起来，并与细胞外基质中的其他成分连接起来。

IV型和VII型是网络形成胶原蛋白 network-forming collagens：IV型构成基底膜的主要部分，而VII型分子形成二聚体，组装成称为anchoring fibrils的特殊结构。锚定纤维有助于将多层上皮的基底膜附着到下面的结缔组织上，因此在皮肤中特别丰富。

还有许多含有短胶原样片段的“胶原样”蛋白质。这些包括XVII型胶原蛋白，它具有跨膜结构域，存在于半桥粒中，以及XVIII型胶原蛋白，它是基底膜中蛋白聚糖的核心蛋白。

许多蛋白质似乎是通过重复复制原始DNA序列而进化的，从而产生重复的氨基酸模式。编码大多数纤维胶原蛋白的α链的基因提供了一个很好的例子：它们非常大（长度可达44千碱基），包含大约50个外显子。大多数外显子的长度为54个核苷酸或54个核苷酸的倍数，这表明这些胶原蛋白起源于一个原始基因的多次重复，该基因包含54个核苷酸，并编码六个Gly-X-Y重复序列（见图19-8）。

表19-2提供了本章讨论的一些胶原蛋白类型的更多详细信息。

表19-2 数种胶原蛋白和其性质
	类型	多聚体形态	组织分布	突变体表型
成纤维的	Ⅰ型	纤维	骨骼，皮肤，肌腱，韧带，角膜，内部器官（占全身胶原的90%）	严重的骨骼缺陷，断裂（成骨不全病）
	Ⅱ型	纤维	软骨，椎间盘，脊索，玻璃体	软骨缺陷，侏儒（软骨发育不全）
	Ⅲ型	纤维	皮肤，血管，内部器官	脆弱的皮肤，松弛的关节，血管倾向于破裂（血管埃勒斯-当洛斯综合征）
	Ⅴ型	纤维（和Ⅰ型）	同Ⅰ	典型埃勒斯-当洛斯综合征
	XI型	纤维（和Ⅱ型）	同Ⅱ	近视，失明
纤维相关	Ⅸ	与Ⅱ型纤维侧向联系	软骨	骨关节炎
	XII	与Ⅰ型纤维侧向联系	肌腱	骨骼和肌肉异常
成网络的	Ⅳ	片状网络	基膜	肾脏疾病（glomerulonephritis），失聪
	Ⅶ	锚定网络	复层扁平上皮下方	皮肤起水疱
跨膜的	XVII	非纤维状	半桥粒	皮肤起水疱
蛋白聚糖核心蛋白	XVIII	非纤维状	基膜	近视，视网膜脱落，脑积水
注意，Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅸ、XI是由二至三种不同的α链组成的，Ⅱ，Ⅲ，Ⅶ，XII，XVII和XVIII只含一种α链。

胶原蛋白链经历一系列翻译后修饰

单个胶原蛋白多肽链在膜结合核糖体上合成，并作为较大的前体（称为pro-a链）注入内质网(ER)腔内。这些前体不仅具有将新生多肽引导至ER的信号肽，在它们的N端和C端还有额外的氨基酸，称为propeptides，在胶原蛋白组装的后期步骤中被剪掉。此外，在内质网腔内，选定的脯氨酸和赖氨酸被羟基化，分别形成羟脯氨酸和羟赖氨酸，然后一些羟赖氨酸被糖基化。

每个前α链与另外两个前α链结合，形成称为原胶原的三链螺旋分子。羟脯氨酸和羟赖氨酸的羟基（图19-40）形成链间氢键，有助于稳定三链螺旋。催化脯氨酸羟基化的酶需要抗坏血酸（维生素C）。坏血病是一种由饮食中缺乏维生素C引起的疾病，直到十九世纪，水手们中才普遍存在这种疾病。有缺陷的原a链无法形成稳定的三重螺旋，因此会降解，从而抑制新胶原纤维的产生。在健康组织中，胶原蛋白会不断降解和替换（根据组织的不同，更新时间可能是数月或数年）。坏血病会导致替换失败，在几个月内，随着基质中原有正常胶原蛋白的逐渐丢失，血管会变得脆弱，牙齿会松动，伤口会停止愈合。

分泌后，纤维状原胶原蛋白分子的前肽会被细胞外的特定蛋白水解酶去除。这会将原胶原蛋白分子转化为胶原蛋白，后者在细胞外空间组装形成更大的胶原纤维。前肽至少有两个功能。首先，它们引导三链胶原分子的细胞内形成。其次，由于它们被保留到分泌后，它们阻止了细胞内形成大的胶原纤维，这对细胞来说可能是灾难性的。

原纤维在细胞外空间形成后，会通过组成胶原蛋白分子的赖氨酸残基之间形成共价交联而大大增强（图19-41）。所涉及的共价键类型仅在胶原蛋白和弹性蛋白中发现。如果交联受到抑制，原纤维的抗拉强度会急剧降低：胶原组织变得脆弱，皮肤、肌腱和血管等结构容易撕裂。交联的程度和类型因组织而异。例如，胶原蛋白在跟腱中交联程度特别高，而跟腱的抗拉强度至关重要。

分泌的原纤维相关胶原蛋白有助于组织原纤维

与抵抗压缩力的GAG相比，胶原纤维形成的结构可抵抗拉力。纤维原纤维的直径各不相同，在不同组织中的排列方式也不同。例如，在哺乳动物的皮肤中，它们被编织成柳条编织工艺品般的图案，以抵抗多个方向的拉伸应力；皮革由这种经过适当保存的材料组成。在肌腱中，胶原纤维原纤维排列成平行束，沿着拉伸主轴排列。在成熟的骨骼和角膜中，它们排列成有序的胶合板状层，每层中的纤维原纤维彼此平行，但几乎与两侧层中的纤维原纤维成直角。蝌蚪皮肤也有同样的排列方式（图19-2）。

结缔组织细胞本身决定了胶原纤维原纤维的大小和排列方式。这些细胞可以表达一种或多种不同类型的纤维状胶原分子基因。但即使是由相同胶原蛋白混合物组成的纤维原纤维，在不同组织中的排列方式也不同。这是如何实现的？部分答案是，细胞可以通过引导胶原纤维在质膜附近形成来调节分泌后胶原分子的分布。此外，细胞可以通过分泌不同种类和数量的其他基质大分子以及纤维状胶原来影响这种组织。具体来说，它们会分泌纤维蛋白：纤连蛋白，正如我们后面讨论的那样，这先于胶原纤维的形成并有助于引导它们的组织。

纤维相关胶原蛋白，如IX型和XII型胶原蛋白，被认为在组织胶原纤维方面特别重要。它们与纤维状胶原蛋白的不同之处在于以下方面。首先，它们的三链螺旋结构被一个或两个短的非螺旋结构域打断，这使得这些分子比纤维状胶原分子更灵活。其次，它们不会相互聚集形成细胞外空间的纤维。相反，它们以周期性的方式与由纤维状胶原蛋白形成的纤维表面结合。IX型分子与软骨、角膜和眼玻璃体中的含II型胶原蛋白的纤维结合（图19-3），而XII型分子与肌腱和其他各种组织中的含I型胶原蛋白的纤维结合。

纤维相关胶原被认为介导胶原纤维之间的相互作用以及与其他基质大分子的相互作用，以帮助确定基质中纤维的组织。

弹性蛋白赋予组织弹性

许多脊椎动物组织，如皮肤、血管和肺，需要既坚固又有弹性才能发挥作用。这些组织的细胞外基质中的弹性纤维网络使它们具有在短暂拉伸后回缩的弹性（图19-4）。弹性纤维的延展性至少是相同横截面积的橡皮筋的五倍。长而无弹性的胶原纤维与弹性纤维交织在一起，以限制拉伸程度并防止组织撕裂。弹性纤维的主要成分是弹性蛋白，这是一种高度疏水性的蛋白质（约750个氨基酸长），与胶原蛋白一样，它富含脯氨酸和甘氨酸，但与胶原蛋白不同，它没有糖基化。可溶性原弹性蛋白（弹性蛋白的生物合成前体）分泌到细胞外空间并组装成靠近质膜的弹性纤维，通常在细胞表面内褶中。分泌后，原弹性蛋白分子彼此高度交联，形成广泛的弹性蛋白纤维和片层网络。与交联胶原蛋白分子中起作用的机制类似的机制在弹性蛋白分子中的赖氨酸之间形成交联。

弹性蛋白主要由两种沿多肽链交替排列的短片段组成：疏水片段，负责分子的弹性特性；以及富含丙氨酸和赖氨酸的α螺旋片段，它们与相邻的分子交联。每个片段由单独的外显子编码。关于弹性纤维中弹性蛋白分子的构象以及这些纤维的结构如何解释其橡胶般的特性，目前仍不确定。然而，似乎弹性蛋白多肽链的某些部分，就像普通橡胶中的聚合物链一样，采用了松散的“随机卷曲”构象，而交联成弹性纤维网络的组分分子的随机卷曲性质使网络能够像橡皮筋一样伸展和回缩（图19-5）。

弹性蛋白是动脉中的主要细胞外基质蛋白，占最大动脉——主动脉干重的50%（见图19-4）。弹性蛋白基因突变导致小鼠或人类缺乏该蛋白，导致主动脉和其他动脉变窄，动脉壁平滑肌细胞过度增殖。显然，动脉的正常弹性是抑制这些细胞增殖所必需的。

弹性纤维并非仅由弹性蛋白组成。弹性蛋白核心被一层微纤维microfibrils覆盖，每个微纤维的直径约为10纳米。在发育中的组织中，微纤维先于弹性蛋白出现，似乎为引导弹性蛋白沉积提供了支架。微纤维阵列本身具有弹性，在某些地方，它们在没有弹性蛋白的情况下仍然存在：例如，它们有助于将晶状体固定在眼睛中的位置。微纤维由多种不同的糖蛋白组成，包括大型糖蛋白fibrillin，它与弹性蛋白结合，对弹性纤维的完整性至关重要。fibrillin基因突变会导致马凡氏综合征，这是一种相对常见的人类疾病。在最严重的患者中，主动脉容易破裂；其他常见影响包括晶状体移位以及骨骼和关节异常。患病者通常身材异常高大瘦削：亚伯拉罕·林肯被怀疑患有此病。

细胞控制并响应基质的机械特性

细胞与细胞外基质在机械和化学上相互作用，培养研究表明，机械相互作用可对结缔组织的结构产生巨大影响。因此，当成纤维细胞与培养皿中形成凝胶的随机取向的胶原纤维网混合时，成纤维细胞会拉动网状结构，从其弹性纤维中吸收胶原蛋白周围环境，从而导致凝胶收缩至其初始体积的一小部分。通过类似的活动，成纤维细胞簇被密集排列且沿圆周方向排列的胶原纤维包裹。

如果将两小块含有成纤维细胞的胚胎组织放在胶原凝胶上，中间的胶原蛋白会组织成一条紧密排列的纤维带，连接两个外植体（图19-6）。成纤维细胞随后沿着排列的胶原纤维从外植体中移出。因此，成纤维细胞影响胶原纤维的排列，而胶原纤维反过来又影响成纤维细胞的分布。

成纤维细胞在组织体内细胞外基质方面可能发挥类似的作用。首先，它们合成胶原纤维并以正确的方向沉积。然后，它们对所分泌的基质进行加工，爬过并拉扯基质，从而形成肌腱和韧带，以及包围和连接大多数器官的坚韧致密的结缔组织层。

除了决定它们产生的胶原纤维的方向外，成纤维细胞还控制细胞外基质的整体密度和组成，而细胞外基质在不同组织中的密度和组成差异很大。某些组织，如肌腱和软骨，由致密基质组成，这种基质比脂肪和大脑等组织的柔软弹性基质更坚硬，更耐变形。这些差异取决于这些组织中的细胞调节产生的胶原蛋白和其他蛋白质的类型、基质蛋白合成和降解的相对速率以及胶原蛋白和弹性蛋白交联量的能力。

基质的密度反过来又调节穿过它的成纤维细胞和其他细胞的行为；例如，干细胞的增殖、迁移和发育命运受基质组成和密度的影响。异常高的基质密度与某些纤维化疾病有关，并且似乎是某些癌症的风险因素。

纤连蛋白和其他多结构域糖蛋白有助于组织基质

除了蛋白聚糖、胶原蛋白和弹性纤维外，细胞外基质还含有大量且种类繁多的糖蛋白，这些糖蛋白通常具有多个结构域，每个结构域都有针对其他基质大分子和细胞表面受体的特定结合位点（图19-7）。因此，这些蛋白质有助于组织基质并帮助细胞附着在基质上。与蛋白聚糖一样，它们还通过充当细胞可以迁移的轨道或作为驱虫剂将细胞挡在禁区之外来引导发育组织中的细胞运动。它们还可以结合并影响生长因子和附近细胞产生的其他小分子的功能。

这类基质蛋白中最了解的成员是纤连蛋白，一种存在于所有脊椎动物中的大型糖蛋白，对许多细胞基质相互作用很重要。无法产生纤连蛋白的突变小鼠在胚胎发生早期死亡，因为它们的内皮细胞无法形成适当的血管。这种缺陷被认为是由于这些细胞与周围细胞外基质相互作用异常所致，而细胞外基质通常含有纤连蛋白。

纤连蛋白是由两个非常大的亚基组成的二聚体，它们通过C末端的二硫键连接。每个亚基包含一系列小的重复域或模块，由短段柔性多肽链隔开（图19-8）。每个域通常由单独的外显子编码，这表明纤连蛋白基因与编码许多基质蛋白的基因一样，是通过多次外显子重复进化而来的。在人类基因组中，只有一个纤连蛋白基因，包含大约50个大小相似的外显子，但转录本可以以不同的方式剪接以产生多种纤连蛋白亚型（见图19-8B）。纤连蛋白中的主要重复域称为III型纤连蛋白重复，其长度约为90个氨基酸，每个亚基至少出现15次。这种重复是脊椎动物中所有蛋白质结构域中最常见的。

纤连蛋白与整合素结合

分析复杂的多功能蛋白质分子（如纤连蛋白）的一种方法是合成蛋白质的各个区域并测试它们结合其他蛋白质的能力。通过这些方法和其他方法，可以证明纤连蛋白的一个区域与胶原蛋白结合，另一个区域与蛋白聚糖结合，另一个区域与各种细胞表面的特定整合素结合（见图19-8B）。然后使用与整合素结合域不同片段相对应的合成肽来证明结合依赖于在III型重复之一中发现的特定三肽序列（Arg-Gly-Asp或RGD）（见图19-8C）。即使是含有此RGD序列的非常短的肽也可以与纤连蛋白竞争细胞上的结合位点，从而抑制细胞与纤连蛋白基质的附着。除了纤连蛋白之外，几种细胞外蛋白也具有介导细胞表面结合的RGD序列。这些蛋白质中的许多都是细胞外基质的组成部分，而其他则参与血液凝固。含有RGD序列的肽在抗凝血药物的开发中很有用。有些蛇使用类似的策略使受害者流血：它们将含有RGD的抗凝血蛋白（称为解离素）分泌到毒液中。

与含有RGD的蛋白质结合的细胞表面受体是整合素家族的成员，我们将在后面详细描述。每种整合素都特异性地识别其自己的一小组基质分子，这表明紧密结合不仅仅需要RGD序列。此外，RGD序列并不是唯一用于结合整合素的序列基序：许多整合素会识别并结合其他基序。

细胞施加的张力调节纤连蛋白原纤维的组装

纤连蛋白既可以以可溶形式存在，在血液和其他体液中循环，也可以以不溶性纤连蛋白原纤维的形式存在，其中纤连蛋白二聚体通过额外的二硫键相互交联并形成细胞外基质的一部分。然而，与可以在试管中自组装成原纤维的纤维状胶原分子不同，纤连蛋白分子仅在细胞表面组装成原纤维，并且仅在这些细胞具有适当的纤连蛋白结合蛋白（特别是整合素）时才组装成原纤维。整合素提供从细胞外的纤连蛋白到细胞内的肌动蛋白细胞骨架的连接。该连接将张力传递给纤连蛋白分子（前提是它们还附着于其他结构）并拉伸它们，从而暴露纤连蛋白分子中的隐秘结合位点（图19-9）。这使它们直接相互结合并募集额外的纤连蛋白分子形成原纤维（图19-0）。这种对张力的依赖和与细胞表面的相互作用确保了纤连蛋白原纤维在有机械需要的地方聚集脚手架而不是在血液等不适当的位置。

许多其他细胞外基质蛋白含有多个III型纤连蛋白重复序列（见图19-7），施加在这些蛋白质上的张力也可能揭示隐秘的结合位点，从而影响它们的行为。

基底膜是细胞外基质的一种特殊形式

到目前为止，在本节中，我们回顾了主要类别的细胞外基质成分的结构和功能的一般原理。我们现在描述其中一些成分如何组装成一种称为基底膜（也称为基底膜）的特殊类型的细胞外基质。这种极薄、坚韧、柔韧的基质分子片是所有上皮细胞的基本基础。虽然体积小，但它在身体结构中起着关键作用。和钙粘蛋白一样，它似乎是所有多细胞动物共有的特征之一，而且似乎在多细胞动物进化的早期就出现了。基底膜的主要分子成分是最古老的细胞外基质大分子之一。

基底膜通常厚40-20纳米。它位于上皮细胞下方，还包围单个肌肉细胞、脂肪细胞和施万细胞（它们包裹周围神经细胞轴突形成髓鞘）。因此，基底膜将这些细胞和上皮与下层或周围的结缔组织分开，并在它们之间形成机械连接。在其他位置，例如肾小球，基底膜位于两个细胞片之间，起选择性过滤器的作用（图19-1）。然而，基底膜不仅仅具有简单的结构和过滤作用。它们能够决定细胞极性；影响细胞代谢；组织相邻质膜中的蛋白质；促进细胞存活、增殖或分化；并作为细胞迁移的通道。

层粘连蛋白和IV型胶原蛋白是基底层的主要成分

基底层由其两侧的细胞合成：上皮细胞贡献一组基底层成分，而下层结缔组织床（称为基质，希腊语为“edding”）的细胞贡献另一组（图19-2）。虽然成熟基底层的确切组成因组织而异，甚至同一层的不同区域也不同，但它通常含有糖蛋白层粘连蛋白、IV型胶原蛋白和巢蛋白nidogen，以及蛋白聚糖：基底膜蛋白perlecan。其他常见的基底层成分是纤连蛋白和XVIII型胶原蛋白（胶原家族的非典型成员，形成蛋白聚糖的核心蛋白）。

层粘连蛋白是片状结构的主要组织者，在发育早期，基底膜主要由层粘连蛋白分子组成。层粘连蛋白构成一个庞大的蛋白质家族，每个家族都由由三条长多肽链（a、β和γ）组成，这些多肽链通过二硫键连接在一起，排列成不对称的花束形状，就像一束三朵花，花茎在底部扭在一起，但花头保持分开（图19-3）。这些异三聚体可以在体外自组装成网络，主要是通过它们的头部之间的相互作用，尽管需要与细胞相互作用才能将网络组织成有序的薄片。因为每种类型的链都有几种同工型，并且这些可以以各种组合结合，可以产生许多不同的层粘连蛋白，从而产生具有独特特性的基底膜。然而，层粘连蛋白γ1链是大多数层粘连蛋白异三聚体的组成部分；缺乏该基因的小鼠在胚胎发育过程中会死亡，因为它们无法形成基底膜。

IV型胶原蛋白是成熟基底膜的第二个基本成分，它也存在几种同工型。与构成骨或肌腱等结缔组织中蛋白质大部分的纤维状胶原蛋白一样，IV型胶原蛋白分子由三个单独合成的长蛋白质链组成，这些长蛋白质链扭在一起形成绳状超螺旋；然而，它们与纤维状胶原蛋白的不同之处在于，三链螺旋结构在20多个区域被打断，允许多次弯曲。IV型胶原蛋白分子通过其末端结构域相互作用，在细胞外组装成一个灵活的、毡状的网络，从而赋予基底膜抗拉强度。

层粘连蛋白和IV型胶原蛋白与其他基底膜成分（如巢蛋白和perlecan）相互作用，从而形成高度交联的蛋白质和蛋白聚糖网络（图19-4）。产生初始片状结构的层粘连蛋白分子首先相互连接，同时与细胞表面的受体结合。细胞表面受体主要是整合素家族的成员，但另一种重要的层粘连蛋白受体是肌营养不良蛋白dystroglycan，这是一种高度糖基化的跨膜蛋白。这些受体共同组织基底膜组装：它们抓住层粘连蛋白分子的“脚”，使层粘连蛋白头部处于相互作用的位置，从而形成二维网络。然后，该层粘连蛋白网络协调其他基底膜成分的组装。

层粘连蛋白和细胞表面受体之间的相互作用对于上皮细胞粘附到下面的结缔组织至关重要。例如，在皮肤中，上皮外层——表皮——依赖于与基底膜的紧密相互作用，以保持其与下面的真皮的连接。在皮肤基底膜的关键成分层粘连蛋白-332存在遗传缺陷的人中，表皮与真皮的连接很差。这会导致一种称为连接性大疱性表皮松解症 junctional epidermolysis bullosa的水疱性疾病，这是一种严重且有时致命的疾病。

基底膜具有多种功能

基底膜可以作为细胞运动的选择性屏障，也可以作为分子的过滤器。例如，上皮下面的层通常阻止下层结缔组织中的成纤维细胞接触上皮细胞。然而，它不会阻止巨噬细胞、淋巴细胞或神经过程穿过它，而是使用专门的蛋白酶为它们的过境切开一个洞。基底膜在损伤后的组织再生中也发挥着重要作用。当肌肉、神经和上皮等组织中的细胞受损或死亡时，基底膜通常会存活下来，并提供再生细胞可以沿其迁移的支架。这样，原始组织结构就很容易重建。

关于基底膜在再生中的作用的一个特别引人注目的例子来自神经肌肉接头的研究，神经肌肉接头是运动神经元的神经末端与骨骼肌细胞形成化学突触的部位（第11章讨论）。在脊椎动物中，包围肌肉细胞的基底膜将突触处的神经细胞和肌肉细胞质膜分开，并且基底膜的突触区域具有独特的化学特性，具有IV型胶原蛋白和层粘连蛋白的特殊异构体以及称为agrin的蛋白聚糖。神经或肌肉受伤后，突触处的基底膜在正确位置重建突触方面起着核心作用（图19-5）.突触处基底膜成分的缺陷是某些形式的肌营养不良症的原因，在这种疾病中，肌肉正常发育，但在生命后期退化。

细胞必须能够降解基质，以及制造基质

细胞降解和破坏细胞外基质的能力与它们制造和结合细胞外基质的能力同样重要。在组织修复等过程中，基质需要快速降解，即使在成年动物看似静止的细胞外基质中，也存在缓慢而持续的周转，基质大分子被降解并重新合成。例如，这使得骨骼能够被重塑，以适应其所受压力的变化。

从单个细胞的角度来看，穿透基质的能力在两个方面至关重要：它使它们能够在嵌入基质时分裂，并使它们能够穿过基质。结缔组织中的细胞通常需要能够伸展才能分裂。如果细胞缺乏降解周围基质所需的酶，则会受到强烈抑制，无法分裂和迁移。

当细胞必须摆脱基底膜的限制时，基质成分的局部降解也是必需的。例如，在腺体等上皮结构正常分支生长过程中，需要进行局部降解，以增加上皮细胞的数量，当白细胞因感染或损伤而穿过血管基底膜进入组织时，也需要局部降解。基质降解对于癌细胞在体内的扩散和它们在侵入的组织中增殖的能力都很重要（第20章将讨论）。一般来说，基质成分由作用于产生它们的细胞附近的细胞外蛋白水解酶（蛋白酶）降解。许多这样的蛋白酶属于两大类之一。最大的一类是基质金属蛋白酶，在脊椎动物中有大约50种成员，它们的活性取决于结合的Ca2+或Zn2+。第二类是丝氨酸蛋白酶，它们的活性位点有一个反应性丝氨酸。金属蛋白酶和丝氨酸蛋白酶共同降解基质蛋白，如胶原蛋白、层粘连蛋白和纤连蛋白。一些金属蛋白酶，如胶原酶，具有高度特异性，可在少数位点裂解特定蛋白质。这样，基质的结构完整性在很大程度上得以保留，而发生的有限量的蛋白水解足以使细胞迁移。其他金属蛋白酶可能不那么具体，但由于它们锚定在质膜上，所以只在需要的地方起作用；这种类型的基质金属蛋白酶对于细胞嵌入基质时分裂的能力至关重要。显然，如果身体结构不崩溃，就必须严格控制降解基质的蛋白酶的活性。因此，采用多种机制来确保基质蛋白酶仅在正确的时间和地点被激活。蛋白酶活性通常被特定的锚定蛋白、膜相关激活剂和在不需要蛋白酶活性的区域产生特定的蛋白酶抑制剂限制在细胞表面。

基质蛋白的蛋白水解裂解并不总是导致其被破坏，有时还会产生具有特定生物活性的蛋白质片段。例如，基质金属蛋白酶裂解IV型胶原蛋白会导致释放抑制血管局部形成的蛋白质片段。同样，某些组织中层粘连蛋白的裂解可以产生有助于控制局部细胞增殖的蛋白质片段。

基质蛋白聚糖和糖蛋白调节分泌蛋白的活性

细胞外基质的物理特性对于其作为组织结构支架和细胞锚定和迁移底物的基本作用非常重要。基质对细胞信号传导也有重要影响。细胞通过分泌肽信号分子（如生长因子和形态发生素）相互通信，这些信号分子通过细胞外液扩散以影响其他细胞（第15章讨论）。在到达目标的途中，信号分子会遇到紧密编织的细胞外基质网状结构，该基质含有高密度的负电荷和蛋白质相互作用域，可以与信号分子相互作用，从而以多种方式改变其功能。

例如，蛋白聚糖的高电荷肝素硫酸链与许多分泌的信号分子相互作用，包括成纤维细胞生长因子(FGF)和血管内皮生长因子(VEGF)，这些信号分子（除其他作用外）刺激多种细胞类型增殖。通过提供密集的生长因子结合位点，蛋白聚糖被认为能够产生这些因子的大型局部储存库，限制它们的扩散并将它们的作用集中在附近的细胞上。同样，蛋白聚糖可能有助于在胚胎中产生陡峭的形态发生素梯度，这对于发育过程中组织的模式形成非常重要。FGF活性也可以通过蛋白聚糖增强，蛋白聚糖使FGF分子寡聚化并与细胞表面FGF受体相互作用，使FGF能够更有效地交联和激活其受体。

蛋白聚糖作为信号分子分布和活性调节剂的重要性体现在当特定蛋白聚糖因突变而失活时可能发生的严重发育缺陷。例如，在果蝇中，几种信号蛋白在发育过程中的功能受与膜相关蛋白聚糖Dally和Dally-like相互作用的控制。这些glypican家族成员，如前面描述的syndecan蛋白聚糖，是与多个硫酸肝素分子连接的膜相关蛋白。它们被认为将信号蛋白集中在特定位置，并充当与传统细胞表面受体蛋白协同作用的共受体；因此，它们促进信号在正确位置的传导，并阻止信号在错误位置的传导。在果蝇卵巢中，Dally部分负责限制一种名为Dpp的信号蛋白的定位和功能，这种蛋白会阻止生殖系干细胞的分化：当编码Dally的基因发生突变时，Dpp活性会大大降低，卵母细胞发育异常。

其他几种基质分子与信号蛋白相互作用。例如，基底膜的IV型胶原蛋白与果蝇中的Dpp相互作用。纤连蛋白含有与VEGF相互作用的III型纤连蛋白重复序列和与肝细胞生长因子(HGF)相互作用的另一个结构域，从而促进这些因子的活性。如前所述，许多基质糖蛋白含有大量结合结构域，这些结构域的排列可能会影响信号蛋白向其靶细胞的呈递（见图19-7）。

最后，许多基质糖蛋白含有直接与特定细胞表面受体结合的结构域，从而产生影响细胞行为的信号，正如我们在下一节中描述的。

摘要

细胞嵌入复杂的细胞外基质中，该基质不仅将细胞结合在一起，还影响它们的生存、发育、形状、极性和迁移行为。基质包含各种蛋白质纤维，这些纤维交织在糖胺聚糖(GAG)链网络中。GAG是带负电荷的多糖链（透明质酸除外），它们与蛋白质共价连接形成蛋白聚糖分子。GAG吸引水并占据大量细胞外空间。蛋白聚糖也存在于细胞表面，它们通常作为辅助受体帮助细胞对分泌的信号蛋白作出反应。纤维形成蛋白赋予基质强度和弹性。

纤维状胶原蛋白是绳状的三链螺旋分子，在细胞外空间聚集成长纤维，从而提供拉伸强度。它们还形成细胞可以锚定的结构，通常通过大型多域糖蛋白（如层粘连蛋白和纤连蛋白）与细胞表面的整合素结合。弹性由弹性蛋白分子提供，弹性蛋白分子形成广泛的交联纤维和薄片网络，可以拉伸和回缩。

基底膜是一种特殊形式的细胞外基质，位于上皮细胞下方或包裹在某些其他细胞类型（如肌肉细胞）周围。基底膜由层粘连蛋白分子框架组织，层粘连蛋白分子通过其侧臂连接在一起，并与上皮细胞基底质膜中的整合素和其他受体结合。IV型胶原蛋白分子与蛋白巢蛋白和大型蛋白多糖蛋白聚糖一起组装成片状网状结构，这是成熟基底膜的重要组成部分。基底膜为上皮提供机械支撑；它们形成上皮和结缔组织之间的界面和附着；它们在肾脏中充当过滤器；它们充当屏障以将细胞保持在适当的隔间中；它们影响细胞极性和细胞分化；并且它们在发育和组织再生过程中引导细胞迁移。

细胞基质连接

细胞制造细胞外基质，组织基质会吸收并降解它。基质又会对细胞产生强大的影响。这种影响主要通过充当基质受体的跨膜细胞粘附蛋白来发挥。这些蛋白质将细胞外的基质与细胞内的细胞骨架联系起来，但它们的作用远远超出了简单的被动机械附着。通过它们，基质的成分可以影响细胞行为的几乎任何方面。基质受体在上皮细胞中起着至关重要的作用，介导上皮细胞与下方的基底膜的相互作用。它们在结缔组织细胞中也同样重要，介导细胞与周围基质的相互作用。

几种类型的分子可以作为基质受体或辅助受体，包括跨膜蛋白聚糖。但动物细胞上与大多数细胞外基质蛋白结合的主要受体是整合素。与钙粘蛋白和基底膜的关键成分一样，整合素是多细胞动物特有的基本结构工具包的一部分。

这个跨膜粘附分子大家族的成员具有在质膜上双向传递信号的非凡能力。基质成分与整合素的结合可以向细胞内部发送信息，而细胞内部的条件可以向外发送信号以控制整合素与基质的结合。施加在整合素上的张力可以使其加强对细胞内和细胞外结构的控制，而张力的丧失会使其松动，从而使分子信号复合物在膜的两侧解体。这样，整合素不仅可以传递机械和分子信号，还可以将一种信号转换为另一种信号。

整合素是连接细胞外基质和细胞骨架的跨膜异二聚体

整合素有很多种，但它们都以类似的方式运作。整合素分子由两个非共价结合的糖蛋白亚基组成，称为a和β。两个亚基都跨越细胞膜，具有短的细胞内C末端尾巴和大的N末端细胞外结构域（图19-6）。细胞外结构域与细胞外基质蛋白中的特定氨基酸序列基序结合，或在某些情况下与其他细胞表面蛋白质结合。整合素最容易理解的结合位点是前面提到的RGD序列（见图19-8），它存在于纤连蛋白和其他细胞外基质蛋白中。一些整合素与纤连蛋白和其他蛋白质中的Leu-Asp-Val(LDV)序列结合。层粘连蛋白和胶原蛋白中存在额外的整合素结合序列。

人类含有24种整合素，它们由8种不同的β链基因和18种不同的α链基因的产物形成，这些基因以不同的组合二聚化。每个整合素二聚体都有特定的特性和功能。

此外，由于不同细胞类型中的相同整合素分子可能具有不同的配体结合特异性，因此似乎额外的细胞类型特异性因子可以与整合素相互作用以调节其结合活性。整合素与其基质配体的结合也受到细胞外介质中Ca2+和Mg2+浓度的影响，这反映了α和β亚基中二价阳离子结合域的存在。二价阳离子影响整合素与其细胞外配体结合的亲和力和特异性。

整合素二聚体的细胞内部分与几种不同蛋白质的复合物结合，这些蛋白质共同形成与细胞骨架的连接。对于24种人类细胞中除一种外的所有二聚体，都和肌动蛋白丝结合。这些连接依赖于在整合素亚基的短细胞质尾部组装的蛋白质（见图19-6）。在许多情况下，一种称为talin踝蛋白的大型衔接蛋白是连接的组成部分，但也涉及许多其他蛋白质。与钙粘蛋白形成的肌动蛋白连接细胞连接一样，整合素形成的肌动蛋白连接细胞基质连接可能很小、不显眼且短暂，也可能很大、突出且持久。后者的例子是当成纤维细胞有足够的时间在培养皿的刚性表面上建立牢固附着时形成的粘着斑，以及将肌肉细胞附着到其肌腱上的肌腱连接。

在上皮中，最显著的细胞-基质连接是半桥粒，此处是连接着角蛋白，衔接蛋白为BP320和plectin。

整合素缺陷造成许多基因病

β1亚基与至少12种α亚基结合，几乎在每个脊椎动物细胞上可见，a5b1是一个fibronectin受体，a6b1是层粘连蛋白受体在许多类型的细胞上。不能制造任何b1整合素的突变小鼠在胚胎发育早期死亡。仅无法制造a7亚基（肌肉中 b1的伴侣）的小鼠存活但会患上肌营养不良症（无法制造a7?整合素的层粘连蛋白配体的小鼠也是如此）。

b2亚基与至少四种类型的亚基形成二聚体，并专门表达在白细胞表面，在使这些细胞抵抗感染方面起着重要作用。 b2整合素主要介导细胞间相互作用，而不是细胞基质相互作用，与另一个细胞（例如内皮细胞）上的特定配体结合。这些配体是细胞粘附分子Ig超家族的成员。我们在本章前面已经描述了一个例子：白细胞上的此类整合素（aLβ2，也称为LFA1）使它们能够牢固地附着在感染部位的血管内皮细胞上的Ig家族蛋白ICAM1上（见图19?8B）。患有遗传性疾病白细胞粘附缺陷的人无法合成功能性β2亚基。因此，他们的白细胞缺乏整个β2受体家族，并反复遭受细菌感染。

β3整合素存在于血小板（以及各种其他细胞）中，它们与几种基质蛋白结合，包括凝血因子纤维蛋白原。血小板必须与纤维蛋白原相互作用才能介导正常的血液凝固，患有Glanzmann病的人在遗传上缺乏β3整合素，会出现凝血功能障碍并大量出血。

整合素可以在活性和非活性构象之间切换

细胞在组织中爬行——例如成纤维细胞或巨噬细胞，或上皮细胞沿基底膜迁移——以便能够建立和断开与基质的附着，并且如果要快速移动，则必须快速完成。同样地，循环白细胞必须能够打开或关闭其与内皮细胞结合的倾向，以便在炎症部位爬出血管。此外，在所有这些情况下，细胞外附着物的形成和破坏都必须与细胞骨架的迅速组装和拆卸相结合。跨越膜并介导附着的整合素分子不能仅仅是两端有粘性斑块的被动刚性物体。它们必须能够在活跃状态（它们很容易形成附着）和非活跃状态（它们不会形成附着）之间切换。

结构研究结合了电子显微镜和X射线晶体学，表明整合素以多种结构构象存在，反映不同的活性状态（图19-8）。在非活性状态下，整合素二聚体的外部片段折叠在一起形成紧凑的结构，与基质蛋白的结合较差。在这种状态下，二聚体的细胞质尾部钩在一起，阻止它们与细胞骨架连接蛋白相互作用。在活性状态下，两个整合素亚基在膜上脱钩，露出细胞质衔接蛋白的细胞内结合位点，外部结构域像一对腿一样展开和延伸，露出亚基尖端的高亲和力基质结合位点。因此，从非活性状态到活性状态的转换取决于一个主要的构象变化，这种变化同时暴露了整合素分子末端的外部和内部配体结合位点。外部基质结合和内部细胞骨架连接由此耦合。

根据细胞的需要，非活性状态和活性状态之间的转换由多种机制调节。在某些情况下，激活是通过“由外而内”的机制发生的：外部基质蛋白的结合，例如纤连蛋白的RGD序列，可以驱动一些整合素从低亲和力的非活性状态转换为高亲和力的活性状态。因此，talin和其他细胞质衔接蛋白的结合位点暴露在链的尾部。这些衔接蛋白的结合导致肌动蛋白丝附着到整合素分子的细胞内末端（见图19-6）。这样，当整合素在细胞外抓住其配体时，细胞通过将整合素分子与细胞骨架结合而做出反应，从而可以在细胞附着点施加力。

因果链也可以反向运作。这种“由内而外”的整合素激活过程通常依赖于细胞内调节信号，这些信号刺激肌动蛋白和其他蛋白质与整合素α链相互作用的能力。肌动蛋白与踝蛋白竞争其在α链尾部的结合位点。因此，当肌动蛋白与α链结合时，它会阻断细胞内的α连接，使整合素分子的两条腿分开。“由内而外”整合素激活的调节在血小板中尤为明显，其中一种称为凝血酶的细胞外信号蛋白与细胞表面的特定G蛋白偶联受体(GPCR)结合，从而激活导致整合素激活的细胞内信号通路（图19-9）。类似的信号通路很可能控制着许多其他细胞类型中的整合素激活。

整合素聚集形成强粘附

整合素与其他细胞粘附分子一样，不同于激素和其他细胞外可溶性信号分子的细胞表面受体，因为它们通常以较低的亲和力结合配体，并且在细胞表面的浓度高出10到100倍。前面在钙粘蛋白粘附（见图19?C）中提到的Velcro原理也在这里起作用。整合素在活化后聚集在一起形成致密斑块，其中许多整合素分子锚定在细胞骨架丝上。由此产生的蛋白质结构可能非常大且复杂，如成纤维细胞在培养皿的纤连蛋白涂层表面上形成的粘着斑。

成熟细胞基质连接复合物的组装取决于数十种不同支架和信号蛋白的募集。肌动蛋白是许多细胞基质复合物的主要成分，但许多其他蛋白质也做出了重要贡献。这些包括整合素连接激酶( integrin-linked kinase，ILK)及其结合伙伴pinch和parvin，它们共同形成三聚体复合物，在许多连接处充当组织枢纽。细胞基质连接还利用多种肌动蛋白结合蛋白，如vinculin, zyxin, VASP, and a-actinin，来促进肌动蛋白丝的组装和组织。许多细胞基质连接的另一个关键成分是粘着斑激酶(FAK)，它与连接中的多种成分相互作用，并在信号传导中发挥重要作用，我们将很快对此进行描述。

细胞外基质附着通过整合素控制细胞增殖和存活

与其他跨膜细胞粘附蛋白一样，整合素的作用不仅仅是建立附着。它们还激活细胞内信号通路，从而根据周围基质的性质和细胞对基质的附着状态控制细胞行为的几乎任何方面。

许多细胞除非附着在细胞外基质上，否则在培养中不会生长或增殖；培养基中的营养物质和可溶性丝裂原是不够的。对于某些细胞类型，包括上皮细胞、内皮细胞和肌肉细胞，甚至细胞存活都依赖于这种连接。当这些细胞与细胞外基质失去联系时，它们就会发生细胞凋亡。细胞生长、增殖和存活对附着在基质上的依赖被称为锚定依赖性，它主要由整合素及其产生的细胞内信号介导。破坏或超越这种控制形式的突变，使细胞摆脱锚定依赖性，这种突变发生在癌细胞中，并在癌细胞的侵袭行为中发挥重要作用。

我们对锚定依赖性的理解主要来自对生活在基质涂层培养皿表面的细胞的研究。对于结缔组织细胞来说细胞通常四面都被基质包围，这与自然环境相去甚远。在二维平原上行走与在三维丛林中攀爬截然不同。细胞与刚性基质的接触类型与它们与细胞外基质的可变形纤维网的接触类型不同，后者的研究较少，而且在这两种情况下，细胞行为存在很大差异。然而，很可能适用相同的基本原理。无论是在体外还是在体内，在细胞基质粘附位点产生的细胞内信号对于细胞增殖和存活都至关重要。

-整合素在细胞基质粘附位点募集细胞内信号蛋白

整合素向细胞内部发出信号的方式非常复杂，涉及多种途径，而且整合素和常规信号受体经常相互影响并共同调节细胞行为，正如我们已经强调的那样。例如，Ras-MAP激酶通路（见图15-0）既可以由常规信号受体激活，也可以由整合素激活，但细胞通常需要同时对这种通路进行两种刺激，才能产生足够的激活作用，从而诱导细胞增殖。整合素和常规信号受体也相互协作，以促进细胞存活（第15章和第18章将对此进行讨论）。

整合素信号传导中研究最深入的方式之一依赖于一种称为粘着斑激酶(FAK)的细胞质蛋白酪氨酸激酶。在塑料培养皿中培养的细胞研究中，粘着斑通常是酪氨酸磷酸化的突出位点(图19-0)，而FAK是在这些位点发现的主要酪氨酸磷酸化蛋白之一。当整合素聚集在细胞基质接触处时，FAK被细胞内衔接蛋白(如踝蛋白或桩蛋白，可与一种类型的整合素a亚基结合)募集到整合素α亚基。聚集的FAK分子在特定酪氨酸上相互磷酸化，形成磷酸酪氨酸对接位点，用于Src家族胞质酪氨酸激酶成员。这些激酶除了在粘附位点磷酸化其他蛋白质外，然后磷酸化FAK上的其他酪氨酸，从而为各种其他细胞内信号传导蛋白创建对接位点。这样，来自整合素的由外而内的信号通过FAK和Src家族激酶传递到细胞中，其传递方式与受体酪氨酸激酶产生信号的方式非常相似（如第15章所述）。

细胞基质粘附对机械力作出反应

与我们之前描述的细胞-细胞连接一样，细胞基质连接可以感知并响应作用于它们的机械力。例如，大多数细胞基质连接都连接到收缩性肌动蛋白网络，该网络倾向于将连接向内拉。当细胞附着在强烈抵抗这种拉力的刚性基质上时，细胞基质连接能够感知由此产生的高张力并触发反应，从而招募额外的整合素和其他蛋白质来增加连接抵抗这种张力的能力。细胞附着在相对较软的基质上会产生较小的张力，因此反应也较不强烈。这些机制使细胞能够感知和响应不同组织中细胞外基质的刚性差异。

我们之前看到，钙粘蛋白为基础的细胞-细胞连接处的机械传导可能依赖于连接蛋白，当连接受到张力拉伸时，连接蛋白会改变其结构（见图19-2）。细胞-基质连接也是如此。例如，踝蛋白包含大量肌动蛋白调节蛋白：vinculin的结合位点。许多这些位点隐藏在折叠的蛋白质结构域内，但当这些结构域通过拉伸蛋白质展开时会暴露出来（图19-1）。踝蛋白的N端结合在整合素，C末端结合肌动蛋白（见图19-6）；因此，当肌动蛋白丝被细胞内的肌球蛋白马达牵引时，产生的张力会拉伸踝蛋白杆，从而暴露出黏着斑蛋白结合位点。然后，vinculin分子募集并组织额外的肌动蛋白丝。张力因此增加了连接的强度。

摘要

整合素是动物细胞用来结合细胞外基质的主要细胞表面受体：它们充当细胞外基质和细胞骨架之间的跨膜连接体。大多数整合素与肌动蛋白丝相连，而位于半桥粒的整合素则与中间丝结合。整合素分子是异二聚体，与细胞外基质配体或细胞内激活蛋白（如肌动蛋白）结合会导致从非活性状态到活性状态的显著构象转换。这在细胞外基质结合和细胞内细胞骨架结合之间产生了变构耦合，使整合素能够跨质膜双向传递信号。复杂的蛋白质组装体围绕活化的整合素的细胞内尾部组织起来，产生可以影响细胞行为几乎任何方面的细胞内信号，从增殖和存活（如锚定依赖现象）到细胞极性和迁移指导。基于整合素的细胞基质连接还具有机械传导能力：它们可以感知并响应作用于连接处的机械力。

植物细胞壁

植物中的每个细胞都沉积着一种复杂的细胞外基质，称为植物细胞壁，并被其完全包裹。1665年，罗伯特·胡克(RobertHooke)首次利用原始显微镜观察到厚厚的软木细胞壁，并首次为细胞命名。相邻植物细胞的细胞壁粘合在一起形成完整的植物（图19-2），通常更厚、更坚固、最重要的是，比动物细胞产生的细胞外基质更坚硬。在进化出相对坚硬的细胞壁（厚度可达数微米）的过程中，早期植物细胞丧失了爬行能力，采取了定居生活方式，这种生活方式在当今所有植物中都一直存在。

细胞壁的组成取决于细胞类型

植物中的所有细胞壁都起源于分裂细胞，因为细胞板在胞质分裂期间形成，在子细胞之间形成新的隔墙（第17章讨论）。新细胞通常在称为分生组织的特殊区域产生，与最终尺寸相比，它们通常较小。

为了适应后续细胞生长，新生细胞的细胞壁称为初生细胞壁，它们很薄且可延展，但很坚韧。一旦细胞生长停止，初生壁有时会保留下来而不会发生重大改变，但更常见的是，通过在旧细胞壁内沉积新基质层来产生坚硬的次生细胞壁。这些新层的组成通常与初生壁的组成有显著不同。次生壁中最常见的附加聚合物是木质素，这是一种复杂的共价连接的酚类化合物网络，存在于木质部导管壁和木质组织纤维细胞中。

尽管高等植物的细胞壁在组成和组织上各不相同，但它们都像动物细胞外基质一样，采用所有纤维复合材料（包括玻璃纤维和钢筋混凝土）共有的结构原理构建而成。一种成分提供抗拉强度，而另一种成分（嵌入第一种成分）提供抗压强度。虽然植物和动物的原理相同，但化学性质不同。与富含蛋白质和其他含氮聚合物的动物细胞外基质不同，植物细胞壁几乎完全由不含氮的聚合物组成，包括纤维素和木质素。对于依赖CO2、H2O和阳光的定居生物来说，这两种丰富的生物聚合物代表了“堆”碳基结构材料，有助于保护土壤中稀缺的固定氮，而固定氮通常会限制植物的生长。因此，例如，树木在构成其大部分生物质的纤维素和木质素方面投入了大量资金。在高等植物的细胞壁中，拉伸纤维由多糖纤维素制成，这是地球上最丰富的有机大分子，通过交联聚糖紧密连接成网络。

在初级细胞壁中，交联纤维素网络嵌入的基质由果胶组成，果胶是一种富含半乳糖醛酸的高度水合多糖网络。次级细胞壁含有额外的分子，使其坚硬而持久；木质素尤其能在其他成分之间的间隙中形成坚硬、防水的填料。所有这些分子都通过共价键和非共价键结合在一起，形成高度复杂的结构，其成分、厚度和结构取决于细胞类型。因此，植物细胞壁在支撑整个植物结构方面起着“骨架”作用，作为每个细胞的单独外壳起着保护作用，并起着运输作用，有助于形成植物体内液体流动的通道。当植物细胞特化时，它们通常会采用特定的形状并产生特别适应的细胞壁类型，据此可以识别和分类植物中不同类型的细胞。然而，我们在这里关注的是初生细胞壁及其分子结构，这些结构是其强度、弹性和可塑性的非凡组合的基础，就像在植物的生长部分中看到的那样。

细胞壁的抗拉强度使植物细胞能够产生膨压

植物细胞的水性细胞外环境由细胞周围壁中所含的液体组成。尽管植物细胞壁中的液体比植物外部环境（例如土壤）中的水含有更多的溶质，但与细胞内部相比，它仍然是低渗的。这种渗透的不平衡导致细胞产生较大的内部静水压力或膨压，该压力向外推向细胞壁，就像内胎向外推向自行车轮胎一样。膨压刚好增加到细胞处于渗透平衡的程度，尽管盐分不平衡，但没有水的净流入。以这种方式产生的膨压可能达到10个或更多的大气压，大约是普通汽车轮胎的五倍。这种压力对植物至关重要，因为它是生长过程中细胞扩张的主要驱动力，并且它提供了活植物组织的大部分机械刚性。例如，比较脱水植物的枯萎叶子和水分充足的植物的膨大叶子。正是细胞壁的机械强度使植物细胞能够承受这种内部压力。

初生细胞壁由纤维素微纤维与果胶多糖网络交织而成

纤维素赋予初生细胞壁抗拉强度。每个纤维素分子由至少500个葡萄糖残基的线性链组成，这些葡萄糖残基以共价键相互连接形成带状结构，链内的氢键使该结构稳定（图19-3）。此外，相邻纤维素分子之间的氢键使它们以重叠的平行阵列粘合在一起，形成约18个纤维素链的束，所有纤维素链都具有相同的极性。这些高度有序的晶体聚集体长数微米，被称为纤维素微纤维，它们的抗拉强度可与钢相媲美。微纤维组排列成层或薄片，每个微纤维与相邻微纤维相距约20?0纳米，并通过长交联聚糖分子与它们相连，这些聚糖分子通过氢键附着在微纤维的表面。初生细胞壁由几个这样的薄片组成，排列成胶合板状网络（图19?4）。

交联聚糖是一组异质的支链多糖-紧密结合到每个纤维素微纤维的表面，从而有助于将微纤维交联成复杂的网络。交联聚糖有很多种，但它们都具有由一种糖（葡萄糖、木糖或甘露糖）组成的长线性主链，其他糖的短侧链从中伸出。主链糖分子与纤维素微纤维的表面形成氢键，在此过程中使它们交联。主链和侧链糖都因植物种类及其发育阶段而异。

纤维素微纤维和交联聚糖的网络包括另一种基于果胶的交联多糖网络（见图19-4）。果胶是一组异质的支链多糖，含有许多带负电荷的半乳糖醛酸单元。由于带负电荷，果胶具有高度水合性，并与阳离子云结合，类似于动物细胞中的糖胺聚糖，占据大量空间（见图19-3）。当Ca2+添加到果胶分子溶液中时，它会交联m产生半刚性凝胶（果胶被添加到果汁中制成果酱或果冻）。某些果胶在中间层中特别丰富，中间层是将相邻细胞壁粘合在一起的特殊区域（见图19-4）；在这里，Ca2+交联被认为有助于将细胞壁成分结合在一起。虽然共价键也在连接成分方面发挥作用，但人们对它们的性质知之甚少。中间层细胞的受控分离是西红柿成熟和秋天叶子脱落等过程的基础。除了构成所有植物原代细胞壁主体的两个多糖网络外，还存在蛋白质，占细胞壁干重的约5%。这些蛋白质中许多是酶，负责细胞壁的周转和重塑，特别是在生长过程中。另一类细胞壁蛋白，如胶原蛋白，含有高水平的羟脯氨酸。这些蛋白质被认为可以增强细胞壁，并且作为对病原体攻击的局部反应，它们的产生量大大增加。根据拟南芥的基因组序列，估计需要700多个基因来合成、组装和重塑植物细胞壁。

定向细胞壁沉积控制植物细胞生长

一旦植物细胞离开其产生的分生组织，它就可以急剧生长，通常体积会增长一千倍以上。这种扩张的方式决定了每个细胞的最终形状，从而决定了整个植物的最终形态。细胞内的膨压驱动扩张，但细胞壁的行为决定了其方向和范围。需要复杂的细胞壁重塑活动，以及新细胞壁材料的沉积。由于其晶体结构，细胞壁中的单个纤维素微纤维无法伸展，因此它们在这一过程中起着至关重要的作用。为了使细胞壁伸展或变形，微纤维必须要么相互滑过，要么分离得更远，或者两者兼而有之。细胞壁最内层微纤维的方向决定了细胞扩张的方向。因此，植物细胞通过控制它们沉积在细胞壁中的纤维素微纤维的方向来预测其未来的形态（图19-5）。与大多数其他基质大分子不同，是在内质网和高尔基体中制造并分泌的，而纤维素是由质膜结合酶复合物（纤维素合酶）从细胞表面纺出，该酶使用来自细胞溶胶的糖核苷酸UDP-葡萄糖作为底物。每个酶复合物或玫瑰花结都是六个三聚体的放射状阵列，每个三聚体都含有三个独立的纤维素合酶(CESA)基因的蛋白质产物（见图19-6）。三个CESA基因是初生细胞壁合成所必需的，而另外三个CESA基因是次生细胞壁合成所必需的。

在合成过程中，新生的纤维素链会组装成微纤维。这些微纤维在细胞外表面被纺出，形成一层或薄层，其中所有微纤维的排列方式大致相同（见图19-4）。每个新薄层都沉积在前一个薄层的内部，因此壁由同心排列的薄层组成，最老的薄层在外面。伸长细胞中最近沉积的微纤维通常垂直于细胞伸长的轴，尽管较早沉积的外层微纤维的方向可能不同（见图19-5B和C）。

微管定向细胞壁沉积

决定微纤维方向的机制的一个重要线索来自对植物细胞中微管的观察。这些微管通常排列在皮质细胞质中，方向与当前沉积在该区域细胞壁中的纤维素微纤维相同。这些皮质微管形成皮质阵列，靠近质膜的细胞质面，由特征不明显的蛋白质固定在那里。皮质微管阵列（位于质膜内）和纤维素微纤维（位于质膜外）的一致取向可见于多种类型和形状的植物细胞中，并且在初生和次生细胞壁沉积过程中都存在，这表明存在因果关系。可以通过用微管解聚药物处理植物组织来测试这一假设，从而分解皮质微管的整个系统s.然而，对后续纤维素沉积的影响并不像预期的那样简单。药物治疗不会破坏新纤维素微纤维的产生，在某些情况下，细胞可以继续以预先存在的方向沉积新的微纤维。然而，微纤维图案方向的任何发育转变（通常在连续的薄片之间发生）总是被阻止。似乎即使在没有微管的情况下，微纤维的预先存在的取向也可以传播，但纤维素微纤维沉积的任何变化都需要完整的微管存在来确定新的取向。这些观察结果与以下模型一致。嵌入质膜的纤维素合成玫瑰花结会纺出长纤维素分子。随着纤维素分子的合成及其自组装成微纤维的进行，每个微纤维的远端可能与前一层壁材料形成间接交联，使新微纤维与旧微纤维平行定向，因为它融入了壁的纹理。由于微纤维很硬，玫瑰花结在其生长的近端必须移动，因为它会沉积新的物质。玫瑰花结在膜平面上移动，其移动方向由微纤维远端固定在现有壁上的方式决定。这样，每一层微纤维都会倾向于以与之前铺设的层相同的方向从膜中旋转出来，玫瑰花结遵循细胞外预先存在的定向微纤维的方向。然而，细胞内的定向微管可以迫使玫瑰花结移动方向发生变化：它们可以在质膜中形成边界，就像运河的堤岸一样，限制玫瑰花结的运动（图19-6）。从这个角度来看，纤维素合成可以独立于微管发生；但是当皮质微管存在时，它在空间上受到限制，以定义酶复合物可以在其中移动的膜微区。这样，植物细胞可以通过突然改变其皮质微管阵列的方向来改变其扩张方向。由于植物细胞不能移动（受到其细胞壁的限制），因此多细胞植物的整个形态可能取决于植物发育过程中皮质微管方向的协调、高度模式化的部署。目前尚不清楚这些方向是如何控制的，尽管已经证明微管可以响应细胞外刺激（包括乙烯和生长素等植物生长调节剂）（第15章讨论）。然而，微管并不是影响细胞壁沉积的唯一细胞骨架元素。皮质肌动蛋白丝的局部焦点还可以引导新壁材料沉积在细胞表面的特定位置，有助于许多分化植物细胞的精细最终成型。

摘要

植物细胞被坚韧的细胞外基质或细胞壁包围，这是植物生活方式许多独特特征的决定因素。细胞壁由纤维素微纤维和交联聚糖网络组成，嵌入高度交联的p基质中ectin多糖。在次生细胞壁中，木质素可以沉积，使其防水、坚硬和木质化。皮层微管阵列可以控制新沉积的纤维素微纤维的方向，这反过来又决定了细胞扩张的方向，从而决定了细胞的最终形状，最终决定了整个植物的形状。

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