第三节  细胞外基质

    细胞外基质(ECLN)主要由纤维状的胶原蛋白、透明质酸、蛋白聚糖和糖蛋白构成。这些组分按不同比例形成生物体内多种类型的ECLN，每一类型执行其特定功能。有些组织细胞的间隙极有限，例如皮肤表皮、肌肉细胞等，通常表皮细胞粘着于一层很薄的称为基膜(basal laLnina)的ECLN上，基膜含有的胶原可形成二维的网状结构。肾小球基膜宛如一张多孔的滤膜，使血液中的水分子及小分子化合物进入肾小管。绝不可认为ECLN仅包裹细胞而已，它是细胞完成若干生理功能的必须依赖的物质。已知ECLN能结合许多生长因子和激素，给细胞提供众多信号，调节细胞功能。细胞的形态、运动及分化均与ECLN密切相关。本节仅就ECLN的主要成分胶原(collagen)、纤连蛋白(fibronectin，Fn)和层粘连蛋白(1aLninin，Ln)作一结构和功能的介绍。

一、胶    原

    结缔组织含有若干种具有特殊功能的细胞以及富含蛋白质和多糖的细胞外基质，胶原是结缔组织的主要蛋白质成分，约占机体总蛋白的25％，足见其重要性。不同胶原有截然不同的形态和功能。如骨和牙的坚硬结构，主要是含有胶原蛋白和钙磷聚合物，并聚集成特殊的凝结物所致。但胶原蛋白也有柔韧性，形成的胶原纤维具有很强的抗张力作用。皮肤胶原蛋白编织成疏松的纤维网状结构，而血管壁胶原排列成螺旋网状结构，执行着各自的特有功能。几乎所有类型的胶原都是由结缔组织细胞——成纤维细胞所分泌的，但某些上皮细胞也能分泌某些类型的胶原。

(一)胶原的分子组成和分型

    胶原分子能溶于微温的稀酸中，经超速离心后可分得3个组分，即α,β,γ,其中β和γ组分分别是α组分的二聚体和三聚体。α组分又分为α1，α2，α3和α4，它们在氨基酸组成上有所不同，但肽链长度近似。

目前胶原至少已发现有15型，其中5型常见的胶原分子组成及分布列于表20-1。

有些组织的胶原蛋白是由3条相同的。链组成，如软骨中的Ⅱ型胶原，软组织中的Ⅲ型胶原。在同一组织中常存在几种类型的胶原，但常有一种类型占优势。如肌腱、软骨、动脉、基底膜和平滑肌分别以I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和V型胶原为主。一种细胞在不同的发育阶段和条件下可以合成不同类型的胶原，如胎儿皮肤成纤维细胞合成I和Ⅲ型，随年龄增长，Ⅲ型胶原合成逐渐减少。

    (二)胶原的氨基酸组成

    任何种系来源的胶原，其氨基酸组成有一与众不同的特征，即甘氨酸占胶原氨基酸残基的1／3，脯氨酸约占1／4，尚有羟赖氨酸和羟脯氨酸，属胶原所特有，与胶原分子内交联有关。酪氨酸含量甚少，色氨酸和半胱氨酸则缺如。从营养角度而言，胶原因缺乏色氨酸这一营养必需氨基酸，故为营养不完全蛋白质。

    (三)胶原分子空间构象特点

    早年从大鼠富含肌腱组织中提纯获得的I型胶原中，发现其基本结构单位为三股链，由2个α1(I)和一个α2(I)组成长300nLn、直径1.5Lnn的蛋白质，即后来被称作的原胶原(tropocollagen)。每一股链含有1 050个氨基酸残基，以右手旋转的方式，相互绕成三股螺旋(图20—4)。进一步发现所有的不同类型的胶原均以三股螺旋的方式形成，不同之处仅在于各型的中段三股螺旋形成的多肽片段有所差异，从而折叠成不同的三维空间结构。

原胶原三股螺旋的每一螺距仅由3．3个氨基酸残基所组成，螺旋半径很小，三股螺旋中心的空间只能容纳氢原子，任何比氢大的氨基酸侧链均可能破坏三股螺旋的形成，甘氨酸的存在成为形成三股螺旋的重要条件，通过其-NFN-氢原子与相邻肽链的C=0基团形成氢键，使三股链相连以形成稳定空间构象(图20-4)。胶原富含的另两个氨基酸残基是脯氨酸和羟脯氨酸，其结构中具有刚性的毗咯环只能存在于三股螺旋的外侧面。值得指出的是，脯氨酸或羟脯氨酸N端所参与的C-N键的键角大小，尽管不能形成α螺旋，但恰好使所形成的每一股链的空间构象最终能组成三股螺旋。所以胶原蛋白中重复出现的模序Gly-Pro-X(X为任一氨基酸)是三股螺旋特定空间构象所依赖的一级结构基础。  

    (四)胶原微纤维

    若干具有三股螺旋结构的I型原胶原分子通过侧向排列，聚集成直径为50-200nLn的胶原微纤维(collagenfibril)。相邻的两个原胶原分子在侧向排列时，两个端点相差约67nLn，分子间有共价键相连，这是由赖氨酸残基侧链末端氨基被氧化成醛基衍生物，然后通过醛醇缩合等过程而形成各种共价键(图20-5)。此种原胶原分子的侧向连接是I、Ⅱ、Ⅲ和V型胶原若干特性的分子基础。例如I型胶原有强烈的韧性，可耐受强烈张力的伸展而不断裂。在肌腱中，原胶原通过侧向排列形成直径为50nLn、长度达几个LnLn的微纤维(fibril)。微纤维再进一步侧向排列形成胶原纤维(collagen fiber)。正由于胶原纤维具有这样特殊的分子结构，才进而产生了能承受巨大外力的能力。

二、纤连蛋白

  纤连蛋白(Fn)是一个多功能的糖蛋白，广泛存在于细胞外基质，基底膜及各种体液

(血浆、组织间液、淋巴液、关节腔滑液和羊水)中。体内诸多细胞可合成分泌Fn，成维细胞的分泌量尤多，而血浆Fn主要来自肝细胞。

(一)             Fn的分子结构 

所有组织来源的Fn，其分子量、基本空间结构及生物学性质均大同小异，由分子量25万左右的单体组成二聚体，也有Fn以多聚体形式存在，甚至在成纤维细胞中尤以多聚体为主。

 各种来源的Fn的一级结构由3种不同类型的内在序列同源结构(internal seguence hoLnology)重复出现而构成(图20-6)。这是Fn最有意义的结构特征。I型同源结构形同两个相连的指圈，由链内的两个二硫键形成，氨基酸数为41-52个。一个Fn分子重复出现12个I型同源结构，任何两个I型同源结构的同源性达18-60％。含有60个氨基酸残基的Ⅱ型同源结构在Fn分子中仅有两个，且前后毗邻，同源性约50％，每个Ⅱ型同源结构也有两个链内二硫键。每分子Fn至少有16个Ⅲ型同源结构，分子量较I、Ⅱ型为大，由90个氨基酸组成，且不含组氨酸残基，其同源性仅为30％左右。Fn的多种生物学活性与其分子中许多抗蛋白酶水解的结构域直接相关，这些结构域已逐个被纯化并作了研究。细胞Fn的结构域排列与血浆纤连蛋白相同。